[发明专利]一种提高超级电容器能量利用率的控制方法

摘要

本发明提出了一种提高超级电容器能量利用率的控制方法，属于新能源领域。针对双向半桥型Buck‐Boost变换器在超级电容器低压时无法正常高效工作的缺点，采用了超级电容器串并联实时切换的结构，该结构作为一个模块，其包括四个完全相同的超级电容器和完全相同的九个开关。超级电容器的串并联切换由芯片控制继电器的导通和关断来完成，并且在切换过程中要注意设置死区时间，防止短路。该方法提升了超级电容器的能量利用率；保证了双向半桥型Buck‐Boost变换器两端变压比在一定范围内；使双向半桥型Buck‐Boost变换器在超级电容器低压下也有较高的工作效率；降低了超级电容器参数匹配的容量，从而降低了系统成本。

主权项

一种提高超级电容器能量利用率的控制方法，其特征在于，步骤如下：针对双向半桥型Buck‐Boost变换器在超级电容器低压时无法正常高效工作的缺点，采用了超级电容器串并联实时切换的结构，这个结构整体可以看作一个模块，其包括四个完全相同的超级电容器C₁、C₂、C₃、C₄和完全相同的九个开关，这四个超级电容器从左至右依次组成四条并联支路，超级电容器C₁的负极联接一个开关S₁，超级电容器C₂正极联接一个开关S₂，负极联接一个开关S₃，超级电容器C₃正极联接一个开关S₄，负极联接一个开关S₅，超级电容器C₄的正极联接一个开关S₆，超级电容器C₁的负极与超级电容器C₂的正极之间再联接一个开关S₇，超级电容器C₂的负极与超级电容器C₃的正极之间再联接一个开关S₈，超级电容器C₃的负极与超级电容器C₄的正极之间再联接一个开关S₉。假设超级电容器初始状态为放电状态，每个超级电容器的额定电压为U，模块额定电压也为U。放电初始时，令开关S₁～S₆闭合，S₇～S₉断开，四个超级电容器为并联联接方式放电，此时模块电压为模块额定电压U；当模块电压下降至模块额定电压的一半时，令开关S₃、S₇、S₄、S₉闭合，其它开关均断开，即为C₁和C₂串联、C3和C₄串联，两个串联支路再并联的联接方式继续放电，此时模块电压变为两个串联之和即为U；当模块电压再次下降至模块额定电压的一半，令开关S₇、S₈、和S₉闭合，其它开关均断开，即四个超级电容器为串联的联接方式继续放电，此时模块电压变为四个串联之和即为U；当模块电压再降至模块额定电压的一半时，四个超级电容器均达到最低放电深度而停止放电。同理，超级电容器进入充电状态时，当超级电容器电压小于时(此时模块电压小于模块额定电压)，开关S₇、S₈、和S₉闭合，其它开关均断开，即四个超级电容器为串联的联接方式进行充电；当超级电容器电压上升至时(此时模块电压变为四个串联之和即为额定电压U)，令开关S₃、S₇、S₄、S₉闭合，其它开关均断开，即为C₁和C₂串联、C3和C₄串联，两个串联支路再并联的联接方式继续充电(此时模块电压变为两个串联之和即为额定电压的一半)；当超级电容器电压上升至时(此时模块电压变为两个串联之和即为额定电压U)，令开关S₁～S₆闭合，S₇～S₉断开，四个超级电容器为并联联接方式继续充电(此时模块电压变为四个并联即为额定电压的一半)；当超级电容器电压上升至额定电压U时(此时模块电压变为四个U并联即为额定电压U)，充电结束。超级电容器的最低放电深度电压取值为额定电压U的即$U_{\min }=\frac{1}{8}U$达到最低放电深度时，超级电容释放的能量为$\frac{1}{2}C(U^2-{U_{\min }}^2)=\frac{63}{128}C\·U^2$上式中U_min为超级电容器的最低放电深度电压。