一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，包括超級(jí)電容器本體，并聯(lián)充放電回路以及自匹配控制器；自匹配控制器通過電子線載波通信，實(shí)時(shí)獲取超級(jí)電容器系統(tǒng)的工作信息，進(jìn)而計(jì)算超級(jí)電容器單體的最優(yōu)工作參數(shù)，從而控制并聯(lián)充放電回路的工作曲線，使更換的超級(jí)電容器單體的外特性與系統(tǒng)中其它串聯(lián)的超級(jí)電容器單體保持基本一致，進(jìn)而優(yōu)化超級(jí)電容器單體和超級(jí)電容器系統(tǒng)的可靠性及其使用壽命。
【專利說明】
一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及超級(jí)電容器系統(tǒng)，具體涉及一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，環(huán)境危機(jī)日益加劇，大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生活；因此推廣新能源汽車已經(jīng)成為各國政府改善環(huán)境問題的一大重要手段;而國家規(guī)定對(duì)于新能源汽車的動(dòng)力電池、電機(jī)、電控等關(guān)鍵零部件需提供不低于5年或10萬公里的質(zhì)保。
[0003]如今，受限于工作原理、材料、工藝等問題，蓄電池以及鋰電池很難滿足5年或者10萬公里的質(zhì)保;相較于傳統(tǒng)電池技術(shù)，超級(jí)電容器具有使用壽命長、能量密度大、工作問題范圍寬等技術(shù)特點(diǎn)在汽車領(lǐng)域得到了應(yīng)用；超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間，具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容。電荷存儲(chǔ)電能;但是在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。
[0004]但是，超級(jí)電容器單體組成儲(chǔ)能系統(tǒng)后，超級(jí)電容器單體的容值、內(nèi)阻、漏電電阻等電性能參數(shù)呈現(xiàn)出分布特性;若串聯(lián)的超級(jí)電容器組內(nèi)的其中一個(gè)電容器單體因使用不當(dāng)出現(xiàn)提前失效現(xiàn)象，該電容器的容值將發(fā)生電容容值降低，漏電流增加等情況，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
[0005]為了確保儲(chǔ)能裝置能長久可靠運(yùn)行，必須對(duì)失效的電容器進(jìn)行替換;若采用全新的超級(jí)電容器單體替換失效電容器，則會(huì)出現(xiàn)下述情況:新的超級(jí)電容器單體Cn的漏電流會(huì)明顯低于其它超級(jí)電容器的漏電流;因此，當(dāng)儲(chǔ)能裝置使用后，新超級(jí)電容器單體Cn的電壓將顯著高于其它超級(jí)電容器單體;超級(jí)電容器的相關(guān)理論顯示，電容器單體的電壓每提高0.1V，壽命降低一半；因此，新單體可能再度出現(xiàn)提前失效的情況。
[0006]針對(duì)電容器參數(shù)不匹配引發(fā)的提前失效問題，常用技術(shù)手段是通過生產(chǎn)工藝控制確保電容器的一致性的同時(shí)，在產(chǎn)品出廠前進(jìn)行電容器參數(shù)匹配，將電性能一致的電容器串聯(lián)成超級(jí)電容器模組。
[0007]但是，該方法應(yīng)用于單個(gè)失效電容器單體的替換時(shí)，首先需要獲得組內(nèi)其它超級(jí)電容器的老化參數(shù);然后根據(jù)上述參數(shù)，計(jì)算所需超級(jí)電容器單體的參數(shù);最后，從已有的超級(jí)電容器單體中選出相匹配的電容器，若參數(shù)失配嚴(yán)重，則需要根據(jù)參數(shù)定制一個(gè)電容器。該方法存在下述問題:測試手段復(fù)雜。為了獲得串聯(lián)電容器中各個(gè)電容器的參數(shù)，需要將整個(gè)超級(jí)電容器系統(tǒng)拆卸，返廠，測量;且維修周期長。超級(jí)電容器系統(tǒng)的重量較大，若需要返廠測試參數(shù)，可能帶來維修周期偏長的問題;而且生產(chǎn)成本高;根據(jù)老化參數(shù)，定制一個(gè)超級(jí)電容器的成本很高，工藝難度大。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型提供一種能解決更換單個(gè)超級(jí)電容器單體時(shí)存在的電容器參數(shù)失配引發(fā)的電容器失效問題的具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體。
[0009]本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，包括超級(jí)電容器本體、自匹配控制器、并聯(lián)充放電回路;所述超級(jí)電容器本體與并聯(lián)充放電回路連接，所述并聯(lián)充放電回路連接自匹配控制器;所述自匹配控制器包括運(yùn)算模塊和通信電路，所述運(yùn)算模塊用于接收和計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行信息和系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器的容值和漏電流速率并控制并聯(lián)充放電回路;所述通信電路用于電力線載波通信;所述并聯(lián)充放電回路用于改變超級(jí)電容器的外部電氣特性;所述并聯(lián)充放電回路包括若干電阻與若干開關(guān)，為能耗型放電回路;所述電阻為功率電阻;所述并聯(lián)充放電回路是雙向功率變換器組成的能量轉(zhuǎn)移型充放電回路。
[0010]—種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體的自匹配方法，其特征在于步驟如下:A)運(yùn)算模塊通過通信電路的電子線載波通信從儲(chǔ)能系統(tǒng)中接收系統(tǒng)運(yùn)行的信息，得到當(dāng)前系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器單體的容值和漏電流速率；
[0011]B)運(yùn)算模塊通過各個(gè)超級(jí)電容器單體的容值和漏電流速率計(jì)算得到系統(tǒng)的總電容值Ct以及系統(tǒng)的總等效并聯(lián)電阻Rp;
[0012]C)將計(jì)算得到的總等效并聯(lián)電阻Rp除以總電容容值Ct從而得到比例系數(shù)k;
[0013]D)將超級(jí)電容器單體的標(biāo)稱電容值Cs乘以比例系數(shù)k從而得到目標(biāo)等效并聯(lián)電阻Rd；
[0014]E)將目標(biāo)等效并聯(lián)電阻Rd減去替換后的超級(jí)電容單體的等效電阻Rs從而得到并聯(lián)放電回路的等效放電電阻Rdp ；
[0015]F)根據(jù)并聯(lián)放電回路的等效放電電阻Rdp計(jì)算得到受控放電單元的開關(guān)管占空比d，通過計(jì)算得到的開關(guān)管占空比d來調(diào)整并聯(lián)放電回路的開關(guān)管占空比使得替換后的超級(jí)電容器單體的運(yùn)行電壓能與其它串聯(lián)的超級(jí)電容器單體的電壓保持一致。
[0016]本實(shí)用新型集成超級(jí)電容器本體，并聯(lián)充放電回路以及自匹配控制器；自匹配控制器通過電子線載波通信，實(shí)時(shí)獲取超級(jí)電容器系統(tǒng)的工作信息，進(jìn)而計(jì)算超級(jí)電容器單體的最優(yōu)工作參數(shù)，從而控制并聯(lián)充放電回路的工作曲線，使更換的超級(jí)電容器單體的外特性與系統(tǒng)中其它串聯(lián)的超級(jí)電容器單體保持基本一致，進(jìn)而優(yōu)化超級(jí)電容器單體和超級(jí)電容器系統(tǒng)的可靠性及其使用壽命。
[0017]本實(shí)用新型的有益之處在于:I)簡化超級(jí)電容器的維護(hù)流程，縮短了維修時(shí)間，通過自匹配功能，實(shí)現(xiàn)失效超級(jí)電容器單體的直接更換，無需返廠維修;2)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)監(jiān)控，超級(jí)電容器單體設(shè)置控制器能實(shí)時(shí)檢測超級(jí)電容器單體的工作狀態(tài)，并通過控制器內(nèi)的通信電路傳輸數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ);3)將自匹配控制器和并聯(lián)充放電回路集成到超級(jí)電容器單體中，結(jié)構(gòu)小巧簡單，有利于系統(tǒng)集成化;4)通過自匹配控制，使得超級(jí)電容器單體的運(yùn)行電壓與其他串聯(lián)的超級(jí)電容器單體的電壓保持基本一致，避免了因工作電壓偏高引起的使用壽命下降問題。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本實(shí)用新型的框示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0021]見圖1至圖2，一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，包括超級(jí)電容器本體、自匹配控制器、并聯(lián)充放電回路;所述超級(jí)電容器本體與并聯(lián)充放電回路連接，所述并聯(lián)充放電回路連接自匹配控制器;所述自匹配控制器包括運(yùn)算模塊和通信電路，所述運(yùn)算模塊用于接收和計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行信息和系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器的容值和漏電流速率并控制并聯(lián)充放電回路;所述通信電路用于電力線載波通信;所述并聯(lián)充放電回路用于改變超級(jí)電容器的外部電氣特性;所述超級(jí)電容器本體為雙電層電容器;所述并聯(lián)充放電回路包括若干電阻與若干開關(guān)，為能耗型放電回路;所述電阻為功率電阻;所述并聯(lián)充放電回路是雙向功率變換器組成的能量轉(zhuǎn)移型充放電回路。
[0022]—種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體的自匹配方法，其特征在于步驟如下:A)運(yùn)算模塊通過通信電路的電子線載波通信從儲(chǔ)能系統(tǒng)中接收系統(tǒng)運(yùn)行的信息，得到當(dāng)前系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器單體的容值和漏電流速率；
[0023]B)運(yùn)算模塊通過各個(gè)超級(jí)電容器單體的容值和漏電流速率計(jì)算得到系統(tǒng)的總電容值Ct以及系統(tǒng)的總等效并聯(lián)電阻Rp;
[0024]C)將計(jì)算得到的總等效并聯(lián)電阻Rp除以總電容容值Ct從而得到比例系數(shù)k;
[0025]D)將超級(jí)電容器單體的標(biāo)稱電容值Cs乘以比例系數(shù)k從而得到目標(biāo)等效并聯(lián)電阻Rd；
[0026]E)將目標(biāo)等效并聯(lián)電阻Rd減去替換后的超級(jí)電容單體的等效電阻Rs從而得到并聯(lián)放電回路的等效放電電阻Rdp ；
[0027]F)根據(jù)并聯(lián)放電回路的等效放電電阻Rdp計(jì)算得到受控放電單元的開關(guān)管占空比d，通過計(jì)算得到的開關(guān)管占空比d來調(diào)整并聯(lián)放電回路的開關(guān)管占空比使得替換后的超級(jí)電容器單體的運(yùn)行電壓能與其它串聯(lián)的超級(jí)電容器單體的電壓保持一致。
[0028]本實(shí)施方式中，所述的自匹配控制器，包括運(yùn)算器和通信電路;運(yùn)算器通過電力線載波通信，從儲(chǔ)能系統(tǒng)中接收系統(tǒng)運(yùn)行信息，得到當(dāng)前系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器的容值和漏電流速率;經(jīng)過控制運(yùn)算，得到本超級(jí)電容器的漏電流目標(biāo)速率，并控制相對(duì)應(yīng)的并聯(lián)充放電回路;最后，控制器將當(dāng)前的電容器運(yùn)行信息傳輸至系統(tǒng)的通訊總線。
[0029]本實(shí)施方式中，所述的并聯(lián)充放電回路，可以為功率電阻與開關(guān)組成的能耗型放電回路，或者是雙向功率變換器組成的能量轉(zhuǎn)移型充放電回路;所述的并聯(lián)充放電回路能夠改變超級(jí)電容器的外部電氣特性;所述超級(jí)電容器本體為雙電層電容器。
[0030]本實(shí)施方式中，所述并聯(lián)充分電回路為并聯(lián)受控充放電回路，還包括受控放電單
J L ο
[0031]本實(shí)施方式中，超級(jí)電容器單體的自匹配方法為運(yùn)算器通過電力線載波通信，從儲(chǔ)能系統(tǒng)中接收系統(tǒng)運(yùn)行信息，得到當(dāng)前系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器的容值和漏電流速率;從而計(jì)算系統(tǒng)的總電容值Ct以及系統(tǒng)的總等效并聯(lián)電阻Rp;將得到的總等效并聯(lián)電阻Rp除以總電容容值Ct，得到比例系數(shù)k;將單體的標(biāo)稱電容值Cs乘以k，得到目標(biāo)等效并聯(lián)電阻Rd;將目標(biāo)等效并聯(lián)電阻Rd減去新單體的等效電阻Rs，得到并聯(lián)放電回路的等效放電電阻Rdp ；根據(jù)得到的并聯(lián)等效放電電阻Rdp，反推受控放電單元的開關(guān)管占空比d;重復(fù)上述循環(huán)，不斷地調(diào)整電容器單體的外部電氣特性，發(fā)揮本實(shí)用新型的超級(jí)電容器的自匹配學(xué)習(xí)能力，最后可以確保超級(jí)電容器單體的外部電氣特性與其他的超級(jí)電容器一致。
[0032]本實(shí)施方式中，具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，能夠調(diào)整外部電氣工作特性，有效匹配已有的超級(jí)電容器系統(tǒng)，從而提高單體的工作壽命，增強(qiáng)超級(jí)電容器系統(tǒng)的可靠性，從整體上優(yōu)化超級(jí)電容器系統(tǒng)的使用壽命。
[0033]本實(shí)用新型的保護(hù)范圍包括但不限于以上實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對(duì)本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，其特征在于:包括超級(jí)電容器本體、自匹配控制器、并聯(lián)充放電回路;所述超級(jí)電容器本體與并聯(lián)充放電回路連接，所述并聯(lián)充放電回路連接自匹配控制器;所述自匹配控制器包括運(yùn)算模塊和通信電路，所述運(yùn)算模塊用于接收和計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行信息和系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器的容值和漏電流速率并控制并聯(lián)充放電回路;所述通信電路用于電力線載波通信，運(yùn)算器通過電力線載波通信，從儲(chǔ)能系統(tǒng)中接收系統(tǒng)運(yùn)行信息，得到當(dāng)前系統(tǒng)中各個(gè)超級(jí)電容器的容值和漏電流速率;所述并聯(lián)充放電回路用于改變超級(jí)電容器的外部電氣特性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，其特征在于:所述并聯(lián)充放電回路包括若干電阻與若干開關(guān)，為能耗型放電回路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，其特征在于:所述電阻為功率電阻。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自匹配功能的超級(jí)電容器單體，其特征在于:所述并聯(lián)充放電回路是雙向功率變換器組成的能量轉(zhuǎn)移型充放電回路。
【文檔編號(hào)】H02J7/34GK205509625SQ201620154873
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月1日
【發(fā)明人】崔文峰, 傅冠生, 洪光, 宋文權(quán), 姜代平
【申請(qǐng)人】寧波市江北九方和榮電氣有限公司