一種超級電容器組充放電均衡裝置及均衡方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超級電容器組充放電均衡裝置，包括：超級電容器組、FPGA主控器、AD模塊、飛渡電容，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（1），開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（2）和穩(wěn)壓電路，均衡過程中，飛渡電容不斷在超級電容器組中最高電壓的單體電容和倒數(shù)第二低電壓的單體電容之間切換，實現(xiàn)能量的傳遞，與此同時，穩(wěn)壓電路采集超級電容器組的總電壓經(jīng)過處理輸出一個設(shè)定的電壓，通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（2）的切換對電壓最低的單體電容充電。由于FPGA并行的特性，增加的穩(wěn)壓電路和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（2）與飛渡電容法同時對超級電容器組中單體電容的電壓進(jìn)行均衡控制，使均衡速度得到了大幅度的提升。
【專利說明】一種超級電容器組充放電均衡裝置及均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種超級電容器組充放電均衡裝置及其均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容器是一種利用雙電層原理直接儲存電能的新型儲能元件，其容量范圍一般從幾法拉到數(shù)萬法拉，具有非常高的功率密度，并且充放電速度非?？?，可以在幾秒內(nèi)從全放電狀態(tài)到達(dá)滿充狀態(tài)。超級電容器相比電池更加環(huán)保，不需要像電池一樣定期更換，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)I?50萬次，循環(huán)使用壽命長。但由于單體電容工作電壓不高(一般只有IV?4V)，在實際應(yīng)用中通常需要將多個單體串聯(lián)使用，串聯(lián)超級電容器組在充放電過程中，由于各單體電容之間參數(shù)的離散性，以及在長期使用過程中，各單體的物理參數(shù)會發(fā)生不同程度的改變，從而導(dǎo)致各單體電容電壓變化速度不同，即在充電過程中，同一串聯(lián)組中有的單體電壓上升快，有的單體電壓上升慢，從而導(dǎo)致有的單體先充滿，如繼續(xù)充電就會產(chǎn)生過充現(xiàn)象。同理，放電過程中也可能會產(chǎn)生過放現(xiàn)象。這種過充或過放現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響超級電容器的使用壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0003]目前，超級電容器組單體電壓均衡方法主要有以下幾種:開關(guān)電阻法、穩(wěn)壓管法、DC / DC變換器法和飛渡電容法。其中飛渡電容法電路結(jié)構(gòu)簡單，具有功率器件少，成本較低等優(yōu)點而成為了最普及的均衡方法。飛渡電容法中包括超級電容器組、FPGA主控器、與FPGA連接的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1、通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)I與超級電容器組中的單體電容兩端連接的飛渡電容、與單體電容兩端和FPGA連接的AD轉(zhuǎn)化模塊。其中，F(xiàn)PGA主控器包括中心控制單元，用于控制AD模塊的AD控制單元，用于將AD模塊輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的數(shù)據(jù)處理單元，用于比較各個單體電壓大小的電壓比較單元，用于控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)I的開關(guān)控制單元a。在均衡過程中，F(xiàn)PGA主控器通過AD控制單元向AD模塊發(fā)出驅(qū)動信號，AD模塊采集單體電容電壓，傳輸?shù)紽PGA主控器中的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)后，傳遞到電壓比較單元，然后由電壓比較單元對各個單體的電壓大小進(jìn)行排序；然后，F(xiàn)PGA主控器中的開關(guān)控制單元a控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1，將飛渡電容依次連接到電壓最高和電壓最低的單體電容兩端，減小或增加單體電容的電壓，從而實現(xiàn)單體電容電壓之間的均衡。
[0004]飛渡電容法與傳統(tǒng)的“開關(guān)電阻法”，“穩(wěn)壓管法”，“DC / DC變換器法”等方法相t匕，優(yōu)點是:沒有無效的能量消耗，適用于大功率場合，功率器件少，成本較低等，所以飛渡電容法成為了最普及的均衡方法。但是，飛渡電容法也存在一些缺點:當(dāng)超級電容器組的單體電容較多時，為了達(dá)到所有單體電容均衡需要多次切換開關(guān)，使均衡時間變長；當(dāng)超級電容器組中單體電容之間電壓差很小時，單體電容與飛渡電容之間相互充放電的速度變慢，效率變低，也會使均衡時間變長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種新型的超級電容器組充放電均衡裝置，用于解決串聯(lián)超級電容器組在充放電過程中單體分壓不均衡的問題，并成功克服了現(xiàn)有技術(shù)均衡速度慢的問題。
[0006]為了克服現(xiàn)有飛渡電容法均衡速度慢的問題，本發(fā)明在飛渡電容法中增加了開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2和穩(wěn)壓電路，相應(yīng)的，在FPGA主控器中增加了用于控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2的開關(guān)控制單元b，穩(wěn)壓電路的輸入端與超級電容器組兩端連接，輸出端與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2中的每個開關(guān)連接，組成超級電容器組的每個單體電容兩端與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2中相應(yīng)的開關(guān)連接，穩(wěn)壓電路采集超級電容器組的總電壓經(jīng)過處理輸出一個穩(wěn)定的電壓Vtl，其中Vtl為單體電容的額定電壓，通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2中相應(yīng)開關(guān)的切換對電壓最低的單體電容進(jìn)行充電，開關(guān)控制單元b與中心控制單元連接。由于FPGA主控器的并行特性，穩(wěn)壓電路與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2可以與飛渡電容法同時對超級電容器組中的單體電容電壓進(jìn)行均衡，使均衡速度得到大幅度提升。
[0007]本發(fā)明中超級電容器組由3?20個單體電容串聯(lián)組成。
[0008]本發(fā)明中的穩(wěn)壓電路中采用的是MC34063集成芯片。
[0009]基于該超級電容器組充放電均衡裝置，本發(fā)明還提供了 一種超級電容器組充放電均衡方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1:FPGA主控器通過AD控制單元向AD模塊發(fā)出驅(qū)動信號，AD模塊采集單體電容的電壓，傳輸?shù)紽PGA主控器中的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)后，傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對各個單體的電壓大小進(jìn)行排序；
[0011]步驟2:FPGA主控器中的開關(guān)控制單元a控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1，使飛渡電容不斷在超級電容器組中電壓最高的單體電容和電壓倒數(shù)第二低的單體電容之間切換，實現(xiàn)能量的傳遞，與此同時，穩(wěn)壓電路將超級電容器組的總電壓經(jīng)過處理輸出一個設(shè)定的電壓Vtl，其中Vtl為單體電容的額定電壓，由FPGA主控器中的開關(guān)控制單元b控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2中相應(yīng)的開關(guān)，對超級電容器組中電壓最低的單體電容進(jìn)行充電。在超級電容器組充電和放電過程中都可以用該均衡方法進(jìn)行均衡，這就有效克服串聯(lián)超級電容器組在充放電過程中單體分壓不均衡的問題，防止過充和過放現(xiàn)象。并且由于FPGA主控器的并行特性，兩種均衡方法可以同時進(jìn)行，有效提高了均衡速度。
[0012]本發(fā)明的均衡方法適用于充電、放電或者充放電同時進(jìn)行的過程中。
[0013]本發(fā)明中穩(wěn)壓電路是采集超級電容器組的總電壓，經(jīng)過降壓或升壓、整流，輸出一個設(shè)定的電壓Vtl，其中Vtl為單體電容的額定電壓，然后FPGA主控器中的開關(guān)控制單元b控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2中相應(yīng)的開關(guān)，對超級電容器組中電壓最低的單體電容進(jìn)行充電。由于該過程與飛渡電容法的均衡是同時進(jìn)行的，可以有效提高均衡速度。
[0014]本發(fā)明中增加的穩(wěn)壓電路和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2與飛渡電容法同時對超級電容器組中的單體電容電壓進(jìn)行均衡控制，縮短了均衡時間，并且在單體電容之間電壓差很小，飛渡電容法均衡速度變慢時，穩(wěn)壓電路與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2的均衡仍在有效進(jìn)行，這就使本發(fā)明的均衡效率提聞，均衡速度大幅度提升。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為現(xiàn)有飛渡電容法充放電均衡裝置；
[0016]圖2為本發(fā)明提供的超級電容器組充放電均衡裝置；
[0017]圖3為穩(wěn)壓電路與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)工作原理圖；[0018]圖4 (a)為現(xiàn)有飛渡電容法均衡時間的測試結(jié)果；
[0019]圖4 (b)為本發(fā)明均衡時間的測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0020]下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的一個具體實施例。
[0021]超級電容器組充放電均衡裝置中采用的是2.7V/400F的單體電容，超級電容器組由8個單體電容串聯(lián)組成；飛渡電容為2.7V/300F ；FPGA主控器采用型號為EP4CE6E22C8N的FPGA邏輯器件并通過內(nèi)部邏輯資源的配置，組成包含中心控制單元、AD控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、電壓比較單元、開關(guān)控制單元a、開關(guān)控制單元b在內(nèi)的控制器；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是采用TLP250驅(qū)動芯片和場效應(yīng)晶體管(MOSFET)來實現(xiàn)的，并且在MOSFET管的漏極、源極之間接有串聯(lián)RC電路來進(jìn)行過壓保護(hù)；AD模塊包括TLC1549型號的AD轉(zhuǎn)換芯片和LM358型號的運放采樣電路，運放電路采集每個單體電容兩端的電壓值，傳輸給AD轉(zhuǎn)換芯片，AD轉(zhuǎn)換芯片將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳輸?shù)紽PGA主控器中的AD控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；穩(wěn)壓電路中采用的是MC34063集成芯片，MC34063集成芯片根據(jù)超級電容器組兩端的總電壓(范圍:0?21.6V)選擇降壓變換接法或者升壓變換接法，經(jīng)過處理輸出設(shè)定的2.7V的電壓。當(dāng)超級電容組器兩端的電壓大于2.7V時，采用降壓變換接法；當(dāng)超級電容器組兩端的電壓小于
2.7V時，采用升壓變換接法。
[0022]上述超級電容器組充放電均衡裝置的具體均衡方法包括以下步驟:
[0023]步驟1:FPGA主控器通過AD控制單元向AD模塊發(fā)出驅(qū)動信號，AD模塊采集單體電容的電壓，傳輸?shù)紽PGA主控器中的AD`控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)后，傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對8個單體的電壓大小進(jìn)行排序，電壓從高到低依次編號為:1，2，3，……7，8。
[0024]步驟2:FPGA主控器中的開關(guān)控制單元a控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1，首先將2.7V/300F的飛渡電容并聯(lián)在編號I (電壓最高)的單體電容兩端，此時單體電容對飛渡電容充電，單體電容的電壓降低；10s后，切換開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1，將飛渡電容并聯(lián)在編號7 (電壓倒數(shù)第二低)的單體電容兩端，此時飛渡電容對單體電容充電，單體電容的電壓升高。與此同時,FPGA主控器中的開關(guān)控制單元b控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)2，使穩(wěn)壓電路輸出的2.7V的電壓對編號8 (電壓最低)的單體電容充電，具體的過程如圖3所示。均衡過程中，實時檢測單體電容的電壓，不斷切換充放電單體電容，從而實現(xiàn)各個單體電容電壓的均衡。
[0025]根據(jù)上述步驟，分別采用本方案和現(xiàn)有飛渡電容法對串聯(lián)超級電容器組進(jìn)行了充放電實驗。兩組實驗中8個單體電容的初始電壓均相同，分別為0.59V、1.09V、0.90V、
0.47V、0.51V、1.00V、0.34V、0.74V，兩組實驗均同時采用IA的電流充電和相同功率的負(fù)載放電。兩次實驗的結(jié)果如圖4所示，其中圖4a是飛渡電容法的測試結(jié)果，圖4b是本發(fā)明的測試結(jié)果。
[0026]從實驗結(jié)果可以看出，本發(fā)明中8個單體電容達(dá)到均衡的時間大約為13min，而飛渡電容法8個單體電容均衡的時間為18min。由此可以看出，本發(fā)明相對于現(xiàn)有的飛渡電容法均衡速度有了很大的提高，并且如果在使用大電流快速充電的場合，均衡速度的提高會更加明顯。
【權(quán)利要求】
1.一種超級電容器組充放電均衡裝置，包括:超級電容器組，含中心控制單元、電壓比較單元、數(shù)據(jù)處理單元、AD控制單元和開關(guān)控制單元(a)的FPGA主控器，AD模塊，飛渡電容及其開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(1)，其特征在于，所述裝置中還包括一組開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(2)和穩(wěn)壓電路，所述FPGA主控器還包括用于控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(2)的開關(guān)控制單元(b)，所述穩(wěn)壓電路的輸入端與超級電容器組兩端連接，輸出端與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(2)中的每個開關(guān)連接，組成超級電容器組的每個單體電容兩端與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(2)中相應(yīng)的開關(guān)連接，所述開關(guān)控制單元(b)與中心控制單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級電容器組充放電均衡裝置，其特征在于，所述超級電容器組由3?20個單體電容串聯(lián)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級電容器組充放電均衡裝置，其特征在于，所述穩(wěn)壓電路中采用的是MC34063集成芯片。
4.一種超級電容器組充放電均衡方法，包括以下步驟: 步驟1:FPGA主控器通過AD控制單元向AD模塊發(fā)出驅(qū)動信號，AD模塊采集單體電容的電壓，傳輸?shù)紽PGA主控器中的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)后，傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對各個單體的電壓大小進(jìn)行排序； 步驟2:FPGA主控器中的開關(guān)控制單元(a)控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(1)，使飛渡電容不斷在超級電容器組中電壓最高的單體電容和電壓倒數(shù)第二低的單體電容之間切換，實現(xiàn)能量的傳遞，與此同時，穩(wěn)壓電路將超級電容器組的總電壓經(jīng)過處理輸出一個設(shè)定的電壓Vtl，其中Vtl為單體電容的額定電壓，由FPGA主控器中的開關(guān)控制單元(b)控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(2)中相應(yīng)的開關(guān)，對超級電容器組中電壓最低的單體電容進(jìn)行充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超級電容器組充放電均衡方法，其特征在于，所述方法適用于充電、放電或者充放電同時進(jìn)行的過程中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超級電容器組充放電均衡方法，其特征在于，所述步驟2中的穩(wěn)壓電路是采集超級電容器組的總電壓，經(jīng)過降壓或升壓、整流，輸出一個設(shè)定的電壓Vtl,其中Vtl為單體電容的額定電壓，然后FPGA主控器中的開關(guān)控制單元(b)控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(2)中相應(yīng)的開關(guān)，對超級電容器組中電壓最低的單體電容進(jìn)行充電。
【文檔編號】H02J7/00GK103441556SQ201310423267
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】賈春陽, 李博, 萬中全 申請人:電子科技大學(xué)