[发明专利]一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中的超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联，且该2个开关管的实时控制方法为：获取本地超级电容的电压和邻居超级电容的电压，采用协同均衡控制方法计算本地超级电容电压与参考电压、邻居超级电容电压的误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，根据PWM信号驱动超级电容单元中的2个开关管。本发明提高整个储能系统的能量利用率，延长超级电容储能系统的使用寿命。

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置。

背景技术

超级电容与传统锂电池相比，具有容量大、功率密度高、瞬时电流大、充放电速度快、循环寿命长等优点。它们已经被广泛应用于各类大功率应用场景中，比如各种复杂的公共交通环境，以及便携式电子产品等低功率领域中。由于超级电容单体电压只能达到2.7V，在实际应用中，为了提高整个超级电容储能系统的电压以及储存容量，常常需将多个超级电容串联起来。然而，由于超级电容在制造过程中会受到某些限制条件，每个超级电容的电容、内阻、自放电速率都会有所差异，因此，超级电容在串联时常常会出现电压不平衡的问题。这种不均衡不加以控制必然会导致超级电容在充放电过程中出现过充或过放的问题，因此研究超级电容在串联时如何消除不均衡现象变得尤为重要。

均衡电路主要包括主动式均衡和被动式均衡两种电路，被动式均衡电路将高电压超级电容中多余的能量耗散在功率电阻上面，尽管被动式均衡电路能量效率较低，但在系统规模和成本预算有限的低功耗应用中深受青睐。主动式均衡电路借助有源元件，如电容、电感，将高电压超级电容的多余能量传递给低电压超级电容，主动式均衡电路具有很高的能量效率，但是电路复杂，设计成本高，因此通常用于大功率应用中。然而，主动式均衡与被动式均衡电路都是固定的拓扑，当最弱的单体达到其EoL(end-of-life)时，整个超级电容组都会失效，这大大降低了超级电容储能系统的寿命，因此需要一种灵活的拓扑来克服这种缺陷。

发明内容

针对现有技术中超级电容在充电过程中过冲会加速超级电容老化速度，使得其寿命缩短的问题，本发明提供一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置，提高整个储能系统的能量利用率，延长超级电容储能系统的使用寿命。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中的超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联，且该2个开关管的实时控制方法为：

获取本地超级电容的电压和邻居超级电容的电压，采用协同均衡控制方法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，根据PWM信号驱动超级电容单元中的2个开关管。

在更优的技术方案中，协同均衡控制方法的计算公式为：

式中，i为本地超级电容，e_i为超级电容i的误差电压，x₀为参考电压，x_i为超级电容i的电压，x_j为邻居超级电容j的电压，N_i为所有邻居超级电容构成的集合；如果超级电容i能接受到超级电容j的信息，则称超级电容j为超级电容i的邻居，且有a_ij＝1，反之a_ij＝0；若超级电容i的电压能充到参考电压x₀，则g_i＝1，反之g_i＝0。