專利名稱:超級(jí)電容組儲(chǔ)能均壓充放電控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于電力系統(tǒng)儲(chǔ)能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超級(jí)電容組儲(chǔ)能均壓充放電控制系統(tǒng)，包括：微處理器控制模塊1、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊3、超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4、超級(jí)電容陣列模塊5、直流充電電源模塊7依次相連，超級(jí)電容陣列模塊5、超級(jí)電容組測(cè)量模塊2、SOC模塊8、人機(jī)交互模塊6、微處理器控制模塊1依次相連，超級(jí)電容組測(cè)量模塊2和SOC模塊8分別與微處理器控制模塊1相連。本實(shí)用新型使用傳感器獲取的信息，通過(guò)控制策略保證整個(gè)超級(jí)電容器組儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，使系統(tǒng)安全充放電。本實(shí)用新型實(shí)用新型具有可靠，簡(jiǎn)單，高效，快速，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可為超級(jí)電容陣列的檢修提供參考依據(jù)。
【專利說(shuō)明】
超級(jí)電容組儲(chǔ)能均壓充放電控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于電力系統(tǒng)儲(chǔ)能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超級(jí)電容組儲(chǔ)能均壓 充放電控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 超級(jí)電容器是一種新型電力儲(chǔ)能器件出現(xiàn)在本世紀(jì)初。超級(jí)電容器的電容量極 大，可達(dá)數(shù)千法拉，既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢(shì)又像電池一樣具有較大電荷儲(chǔ)存 能力。此外，超級(jí)電容器還具有容量配置靈活、易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、工作 溫度范圍寬、環(huán)境友好、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，使其更適于苛刻的工作環(huán)境。
[0003] 現(xiàn)有充放電方式由于超級(jí)電容器單體端電壓不高，對(duì)于大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為 了滿足容量和電壓等級(jí)的需要，一般是由多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)和并聯(lián)的組合方式工作，它 們作為一個(gè)整體進(jìn)行充電，具有同樣的充電電流。在串聯(lián)組件設(shè)計(jì)中，由于制造工藝與材質(zhì) 不均，超級(jí)電容器存在離散度較大，即使在配組時(shí)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的一致性篩選，但其偏差也不可 避免。為了避免過(guò)充，常常在容量小的電容充滿后即停止充電，這樣電容組的儲(chǔ)能容量得不 到最大利用；同樣，放電時(shí)為了避免過(guò)放，也不能最大利用電容器組的容量。現(xiàn)有電壓均衡 電路的類型主要?jiǎng)澐譃槟芎男秃头悄芎男汀?br>[0004]總之，現(xiàn)有技術(shù)的不足之處是：復(fù)雜實(shí)用性差，可靠性差，能耗高，效率低等。這些 缺點(diǎn)制約了超級(jí)電容的推廣使用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的超級(jí)電容單體容量誤差較大等問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一 種超級(jí)電容組儲(chǔ)能均壓充放電控制系統(tǒng)及荷電狀態(tài)估計(jì)方法。
[0006] 控制系統(tǒng)包括:微處理器控制模塊1、超級(jí)電容組測(cè)量模塊2、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊3、超級(jí) 電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4、超級(jí)電容陣列模塊5、人機(jī)交互模塊6、直流充電電源模塊7和S0C模塊 8；
[0007] 其中，微處理器控制模塊1、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊3、超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4、超級(jí)電容陣 列模塊5、直流充電電源模塊7依次相連，超級(jí)電容陣列模塊5、超級(jí)電容組測(cè)量模塊2、S0C模 塊8、人機(jī)交互模塊6、微處理器控制模塊1依次相連，超級(jí)電容組測(cè)量模塊2和S0C模塊8分別 與微處理器控制模塊1相連。
[0008] 所述超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4由2m個(gè)開(kāi)關(guān)組成，所述超級(jí)電容陣列模塊5由η個(gè)超 級(jí)電容器單體并聯(lián)為一組，每一組超級(jí)電容與一個(gè)開(kāi)關(guān)串后再與另一開(kāi)關(guān)并聯(lián)組成一個(gè)單 位，共有m個(gè)單位。
[0009] 所述超級(jí)電容組分為p個(gè)子模塊，子模塊內(nèi)與子模塊間分別通過(guò)模塊內(nèi)電壓均衡 電路與模塊間電壓均衡電路同時(shí)進(jìn)行電壓均衡。
[0010] 所述微處理器控制模塊1根據(jù)超級(jí)電容組測(cè)量模塊2和S0C模塊8輸入的信息，完成 控制超級(jí)狀態(tài)的算法，輸出控制信號(hào)至開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊3驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4,實(shí)現(xiàn) 對(duì)超級(jí)電容器組的均壓充放電控制；
[0011] 所述超級(jí)電容組測(cè)量模塊2用于實(shí)時(shí)采集超級(jí)的電壓和所有單體的溫度數(shù)據(jù)并送 至微處理器控制模塊1;
[0012] 所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊3的輸入端與微處理器控制模塊1的控制輸出端相連;將微處理 器模塊產(chǎn)生的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)陣列可用的信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)陣列；
[0013] 所述人機(jī)交互模塊6包括鍵盤、顯示器和轉(zhuǎn)換接口，用于進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信；
[0014] 所述超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4通過(guò)控制開(kāi)關(guān)組合實(shí)現(xiàn)將超級(jí)串入電路和從電路中 切除；
[0015] 所述超級(jí)電容陣列模塊5中的單體超級(jí)電容可以為具體的單個(gè)超級(jí)電容，也可以 是經(jīng)過(guò)并串組合后的超級(jí)；
[0016] 所述直流充電電源模塊7與超級(jí)電容陣列模塊5串聯(lián)，充電時(shí)使用為超級(jí)電容提供 充電電流；
[0017] 所述S0C模塊8為荷電狀態(tài)估計(jì)模塊，根據(jù)超級(jí)電容組測(cè)量模塊2和微處理器控制 模塊1輸入的信息，通過(guò)算法對(duì)系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行估計(jì);將估算結(jié)果傳遞給微處理器控制 模塊1和人機(jī)交互模塊6。
[0018] 所述超級(jí)電容組測(cè)量模塊2包括用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器和以下傳感器：
[0019] 溫度傳感器，安裝在每個(gè)超級(jí)電容外殼上，用于測(cè)量超級(jí)電容的溫度；
[0020] 電壓傳感器，并聯(lián)于每一個(gè)超級(jí)電容組的兩端，用于測(cè)量每組超級(jí)電容的電壓；
[0021] 電流傳感器，串聯(lián)于超級(jí)電容器組，用于測(cè)量充電和放電時(shí)的電流。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0023] 1通過(guò)電壓傳感器和溫度傳感器，可發(fā)現(xiàn)短路等故障；發(fā)現(xiàn)故障后，通過(guò)開(kāi)關(guān)組合 可切除故障或通過(guò)設(shè)置預(yù)先處理方案通知工作人員進(jìn)行處理。
[0024] 2通過(guò)人機(jī)交互方式，可設(shè)定充放電時(shí)間，進(jìn)行自動(dòng)充放電。
[0025] 3通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，可有效減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，減小系統(tǒng)能耗損失。
[0026] 4可使電容器組的分散度降低，充分利用單體容量，提高超級(jí)電容器組的可靠性。
[0027] 5通過(guò)分析開(kāi)關(guān)次數(shù)，可找出離散度大的組，為替換離散較大的電容組提供依據(jù)。
[0028] 6根據(jù)電壓值和正常工作的電容器組的總電容，可對(duì)處于該狀態(tài)下的儲(chǔ)能系統(tǒng)的 電能總量進(jìn)行估計(jì)。
[0029] 7基于概率論，規(guī)模越大效果越好，適用于大規(guī)模的超級(jí)電容儲(chǔ)能。
[0030] 8使用S0C模塊，當(dāng)初始值不是很精確時(shí)，依然可以實(shí)時(shí)對(duì)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)進(jìn) 行估計(jì)。
【附圖說(shuō)明】

[0031 ]圖1為本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)組成框圖；
[0032 ]圖2為超級(jí)電容器組分級(jí)電壓均衡整體結(jié)構(gòu)；
[0033]圖3為超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊和超級(jí)電容陣列模塊的組合圖；
[0034]圖4為霍爾電壓互感器原理圖；
[0035]圖5為光電隔離電路；
[0036] 圖6為M0SFET驅(qū)動(dòng)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。
[0038] 本實(shí)用新型提供了一種超級(jí)電容器組儲(chǔ)能均壓充放電控制系統(tǒng)，如圖1所示，微處 理器控制模塊1、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊3、超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊4、超級(jí)電容陣列模塊5、直流充電 電源模塊7依次相連，超級(jí)電容陣列模塊5、超級(jí)電容組測(cè)量模塊2、S0C模塊8、人機(jī)交互模塊 6、微處理器控制模塊1依次相連，超級(jí)電容組測(cè)量模塊2和S0C模塊8分別與微處理器控制模 塊1相連。
[0039] 圖2為超級(jí)電容器組分級(jí)電壓均衡整體結(jié)構(gòu)，圖中將整體電容器分成p個(gè)子模塊， 工作過(guò)程中，模塊間、模塊內(nèi)同時(shí)進(jìn)行電壓均衡。
[0040] 圖3為超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊和超級(jí)電容陣列模塊的組合圖，圖中陣列采用了2m 個(gè)N溝道M0SFET可控型開(kāi)關(guān)，同時(shí)，η個(gè)超級(jí)電容器單體并聯(lián)為一組，每組超級(jí)電容與一個(gè)開(kāi) 關(guān)串后與另一開(kāi)關(guān)并，這樣η個(gè)超級(jí)電容器和兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成了一個(gè)單位。通過(guò)開(kāi)關(guān)的有選擇 的開(kāi)斷控制，可使每組超級(jí)電容器處于兩種狀態(tài)：串入主電路充電和與主電路斷開(kāi)懸空不 充電。如圖3所示，對(duì)于第1組中開(kāi)，有4種狀態(tài)組合:Si斷開(kāi)Si'斷開(kāi)，Si斷開(kāi)Si'閉 合，Si閉合Si'斷開(kāi)，Si閉合&'閉合。當(dāng)Si斷開(kāi)Si'閉合時(shí)，超級(jí)電容器組&*串入主電路，可對(duì) 電容器組充放電；當(dāng)&閉合斷開(kāi)時(shí)，超級(jí)電容器組&*與主電路斷開(kāi)，不進(jìn)行充放電。通過(guò) 邏輯電路禁止出現(xiàn)剩下兩種情況。開(kāi)關(guān)S旁邊并聯(lián)二極管可防止開(kāi)關(guān)過(guò)高壓。電壓傳感器并 聯(lián)于電容器組的兩端，用于測(cè)量每組超級(jí)電容的電壓;溫度傳感器安裝在每個(gè)超級(jí)電容外 殼上。
[0041] 圖4為霍爾電壓互感器原理圖，采用型號(hào)為HVS5-25A的霍爾電壓傳感器測(cè)量各超 級(jí)電容器單體的端電壓，配置原邊限流電阻：
[0042] Ri = Ui/Ip-Rin
[0043] 式中Ri為原邊限流電阻，Ui為最大測(cè)量電壓，Ip為互感器額定輸入電流，Rin為互感 器原邊內(nèi)阻。
[0044] 由于本霍爾傳感器要求原邊額定輸入電流為5mA左右，測(cè)量最大電壓山= 5V，故選 取原邊串聯(lián)電阻Ri為：
[0045] Ri = 5V/5mA-650 = 350
[0046] 根據(jù)實(shí)際電阻阻值，取1^ = 360 0,選取輸出電壓為UQ = 5V，再根據(jù)匝數(shù)比，有公式：
[0048] 得：Rm=200Q
[0049] 故輸出電壓U。與被測(cè)電壓U1之間的實(shí)際關(guān)系為：
[00511圖5為光電隔離電路，采用型號(hào)為TLP521-2的雙路光電耦合芯片，內(nèi)部封裝有兩路 完全對(duì)稱、獨(dú)立、物理特性完全一致的光耦。當(dāng)發(fā)光二級(jí)管兩端加有加正向電壓時(shí)，二極管 導(dǎo)通并發(fā)光，光敏三極管的感光面受到光的照射，若在三極管的發(fā)射級(jí)和集電極之間加上 正向電壓，則三極管將有集電極電流輸出。
[0052] 圖6為M0SFET驅(qū)動(dòng)電路，選用TLP250對(duì)主電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行光電隔離，3號(hào)引腳 連接下位機(jī)的光隔離數(shù)字量輸出口。2號(hào)引腳通過(guò)限流電阻R1和下位機(jī)上的電源接口相連。 6號(hào)引腳與5號(hào)引腳分別通過(guò)限流電阻R2和10V的穩(wěn)壓管D連接至M0SFET的柵極和源極。穩(wěn)壓 管的作用是，當(dāng)?shù)碗娖捷斎霑r(shí)，M0SFET的柵源電壓將被鉗位在穩(wěn)壓管的擊穿電壓(-10V)，可 以使M0SFET穩(wěn)定關(guān)斷。
[0053] 此實(shí)施例僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的 變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以 權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超級(jí)電容組儲(chǔ)能均壓充放電控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:微處理器控制模塊 (1)、超級(jí)電容組測(cè)量模塊(2)、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(3)、超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊(4)、超級(jí)電容陣 列模塊(5)、人機(jī)交互模塊(6)、直流充電電源模塊(7)和SOC模塊(8); 其中，微處理器控制模塊（1)、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(3)、超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊(4)、超級(jí)電容 陣列模塊(5)、直流充電電源模塊(7)依次相連，超級(jí)電容陣列模塊(5)、超級(jí)電容組測(cè)量模 塊(2)、S0C模塊(8)、人機(jī)交互模塊(6)、微處理器控制模塊(1)依次相連，超級(jí)電容組測(cè)量模 塊(2)和SOC模塊(8)分別與微處理器控制模塊(1)相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊(4)由2m個(gè)開(kāi)關(guān) 組成，所述超級(jí)電容陣列模塊(5)由η個(gè)超級(jí)電容器單體并聯(lián)為一組，每一組超級(jí)電容與一 個(gè)開(kāi)關(guān)串后再與另一開(kāi)關(guān)并聯(lián)組成一個(gè)單位，共有m個(gè)單位； 所述超級(jí)電容組分為P個(gè)子模塊，子模塊內(nèi)與子模塊間分別通過(guò)模塊內(nèi)電壓均衡電路 與模塊間電壓均衡電路同時(shí)進(jìn)行電壓均衡。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理器控制模塊（1)根據(jù)超級(jí)電容組 測(cè)量模塊(2)和SOC模塊(8)輸入的信息，完成控制超級(jí)狀態(tài)的算法，輸出控制信號(hào)至開(kāi)關(guān)驅(qū) 動(dòng)模塊(3)驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊(4)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器組的均壓充放電控制； 所述超級(jí)電容組測(cè)量模塊(2)用于實(shí)時(shí)采集超級(jí)的電壓和所有單體的溫度數(shù)據(jù)并送至 微處理器控制模塊(1); 所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(3)的輸入端與微處理器控制模塊（1)的控制輸出端相連;將微處理 器模塊產(chǎn)生的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)陣列可用的信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)陣列； 所述人機(jī)交互模塊(6)包括鍵盤、顯示器和轉(zhuǎn)換接口，用于進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信； 所述超級(jí)電容開(kāi)關(guān)陣列模塊(4)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)組合實(shí)現(xiàn)將超級(jí)串入電路和從電路中切 除； 所述超級(jí)電容陣列模塊(5)中的單體超級(jí)電容可以為具體的單個(gè)超級(jí)電容，也可以是 經(jīng)過(guò)并串組合后的超級(jí)； 所述直流充電電源模塊(7)與超級(jí)電容陣列模塊(5)串聯(lián)，充電時(shí)使用為超級(jí)電容提供 充電電流； 所述SOC模塊(8)為荷電狀態(tài)估計(jì)模塊，根據(jù)超級(jí)電容組測(cè)量模塊(2)和微處理器控制 模塊(1)輸入的信息，通過(guò)算法對(duì)系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行估計(jì);將估算結(jié)果傳遞給微處理器控 制模塊(1)和人機(jī)交互模塊(6)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述超級(jí)電容組測(cè)量模塊(2)包括用于模數(shù) 轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器和以下傳感器： 溫度傳感器，安裝在每個(gè)超級(jí)電容外殼上，用于測(cè)量超級(jí)電容的溫度； 電壓傳感器，并聯(lián)于每一個(gè)超級(jí)電容組的兩端，用于測(cè)量每組超級(jí)電容的電壓； 電流傳感器，串聯(lián)于超級(jí)電容器組，用于測(cè)量充電和放電時(shí)的電流。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK205724989SQ201620331059
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月19日
【發(fā)明人】李巖松, 劉君, 張賓
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)