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超级电容组电压均衡装置及其控制方法
    【技术领域】

    本发明涉及一种电压均衡装置，尤其是一种能均衡串联超级电容器组各单体之间电压的装置及控制方法。

    背景技术

    超级电容的额定电压较低，在应用中需要大量的串联。由于每个超级电容器之间特性参数的分散性，超级电容器组在正常充放电或者静止状态下，单体之间的电压会出现不均衡，过充和过放现象都会造成超级电容器的永久损坏，进而造成整个储能系统的失效。

    为了均衡串联超级电容器组的单体电压，一般采用电压均衡电路。其中，无源均衡是把电压高的超级电容多余部分能量消耗掉，即通过阻性器件消耗能量；有源均衡是能量转移型均压技术，即通过储能器件转移能量，能耗小，并且可控性好。

    有源均衡方法中，飞渡电容法是将均衡电容器在串联电容组内电压最高的单体电容组和串联电压最低的单体电容组之间进行并联切换，完成电荷由电压最高的单体电容组到电压最低的单体电容组的转移，从而使电压高的单体电容组的电压下降，电压低的单体电容组的电压上升，达到均衡的目的。这种均压方法能快速进行电压均衡，且均压精度高、损耗小，无论是在充放电状态还是在静止状态都可进行电压均衡。但这种均压方法动态性能较差，因为它需要继电器网络来选通均衡电容和高压电容(低压电容)，当继电器导通瞬间，系统冲击电流大，设备可靠性低。

    有源均衡方法中的DC/DC变换器法是在每两个相邻的超级电容器之间都联结一个DC/DC变换器，通过比较相邻超级电容之间的电压，将电压高的超级电容的能量通过变换器转移到电压低的电容器中去。对于由N个电容器组成的串联电容器组，需要N-1个DC/DC变换器。这种方法的优点是能量损耗低，电压均衡速度快，对充放电状态都可进行电压均衡。但缺点是需要的电感、开关管等功率器件多，控制复杂，成本高。

    【发明内容】

    本发明的目的在于克服现有超级电容电压均衡技术的上述缺陷，为串联超级电容组提供了一种新的电压均衡方法-飞渡变换器法。该方法利用DC/DC变换器稳压、动态性能好的优点来解决飞渡电容器法中系统冲击电流大的问题，同时可以有效控制均衡电容器和串联超级电容组单体之间的能量流动，使得电压均衡电路的能耗低、均衡速度快、冲击电流小、成本低。

    为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括串联超级电容组1、开关阵列2、DC/DC变换器3、均衡电容器4、检测单元5和控制单元6。其中：

    超级电容组1与检测单元5相接，通过检测单元5检测出电压信号，电流信号和温度信号。电压信号是检测超级电容各单体电压和均衡电容器上的电压；电流信号是检测均衡电容器上的电流，并利用该电流信号判断出超级电容组的充放电状态；温度信号是检测超级电容组的温度，由于超级电容的状态和参数受它自身的温度影响，因此实时地检测温度可以帮助准确的估计超级电容器的状态，从而更好的进行均衡控制。

    控制单元6与检测单元5相连接，处理检测单元5输入的电压、电流、温度信号，输出继电器开关阵列2和DC/DC变换器3的控制信号；

    串联超级电容组1、开关阵列2、DC/DC变换器3和均衡电容器4依次连接，检测单元5的输入端与串联超级电容组1和均衡电容器4相连接，输出端与控制单元6相连接，控制单元6的输出端与开关阵列2和DC/DC变换器3相连接，控制单元6输出的控制信号来控制开关阵列2和DC/DC变换器3，最终实现超级电容组1与均衡电容器4之间的能量传递。其中均衡电容器4是与超级电容组1进行能量传递、实现超级电容组电压均衡功能的电容器。

    开关阵列的选通顺序和DC/DC变换器的控制方式按如下步骤实施：

    (1)检测器5检测均衡电容器4的电流，并将该电流传动给控制单元6，控制单元6根据检测到的均衡电容器上电流的大小和方向判断超级电容器组的充放电状态。如果超级电容组处于充电状态，则选取充电状态时的控制策略；反之，选取放电状态时的控制策略。

    所述的充电状态时的控制策略如下：

    1)检测单元5检测超级电容组1各单体电压(超级电容组中单个超级电容的电压)和均衡电容器4电压；

    2)控制单元6找出超级电容组中电压最大的超级电容，其电压记为Umax，并给开关阵列2发出控制信号，使电压最大的超级电容与DC/DC变换器相连接，

    3)控制单元6对DC/DC变换器3的功率开关发出控制信号，使DC/DC变换器3工作在升压状态；

    4)当ΔU_a与ΔU_b满足ΔU_b≥kΔU_a时，k∈[0，1]，控制单元6向开关阵列2发出信号，使新的电压最高的电容器与DC/DC变换器连接；

    其中：U_full为超级电容充满电时的额定电压，U_new为充电过程中新产生的电压最高的电容的电压，U_old为之前与DC/DC变换器相连的电容电压；ΔU_a＝U_full-U_new，ΔU_b＝U_new-U_old，k为[0，1]之间的任意常数。

    所述的放电状态时的控制策略如下：

    1)检测单元5检测超级电容组1各单体电压和均衡电容器4电压U_f；

    2)控制单元6找出超级电容组中电压最大(U_max)和最小(_Umin)的超级电容，并求出它们的均值电压U_ave(超级电容组中电压最大单体和电压最小单体的均值)，比较U_ave与均衡电容器的电压U_f；

    若U_ave大于等于均衡电容器电压，则控制单元6输出控制信号使开关阵列2选通电压最大的电容器与DC/DC变换器3相接，控制单元6向DC/DC变换器3输入控制信号，使其工作在正向升压状态，将均衡电容器4充至U_av，U_av是均衡电容器电压和与均衡电容器并联的超级电容组单体电压的均值；

    若U_ave小于均衡电容器电压，则控制单元6输出控制信号使开关阵列2选通电压最小的电容器与DC/DC变换器3相接，控制单元6向DC/DC变换器3输入控制信号，使其工作在反向升压状态，将均衡电容器充4至U_av；

    3)重复步骤1)，查看串联超级电容组1各单体电压是否满足均衡精度控制要求，所述的均衡精度包括两个指标，即电压方差δ_v和最大电压偏差Δ_v，如果各单体电压同时满足电压方差和最大电压偏差要求，则停止均衡。

    电压方差δ_v通过下式计算：

     δv=Σi=1N(vi-vavg)2≤ϵ1,]]>式中：v_i为超级电容组中个单体电压值，v_avg为超级电容组的各超级电容的电压平均值，N为超级电容组中超级电容的个数，ε₁为一个正的给定值，取值范围一般为[0，1]，它决定了对控制精度的要求。

    最大电压偏差Δ_v通过下式计算：

    Δ_v＝max |v_i-v_j|≤ε₂，v_i，v_j分别为超级电容组中的两个不同超级电容的电压值，ε₂也是一个正的给定值，取值范围一般为[0，0.25]，它决定了最大电压的允许值。

    本发明与现有技术相比，优点在于：

    1)本发明采用DC/DC变换器解决了飞渡电容器系统冲击电流大、设备可靠性低的缺点，并且实现了串联电容组与均衡电容器之间的可控能量流动。

    2)本发明只需要一个DC/DC变换器，比DC/DC变换器法要少很多电感、开关管等功率器件，使得系统可靠性提高、能耗减小。

    【附图说明】

    图1是电压均衡系统结构框图

    图2是飞渡DC/DC变换器法电路图

    图3是电压均衡控制流程图

    图中：1、串联超级电容组，2、开关阵列，3、DC/DC变换器，4、均衡电容器，5、检测单元，6、控制单元。

    【具体实施方式】

    下面结合图1、图2、图3对本发明作进一步说明：

    如图1所示，本实施例包括串联超级电容组1、开关阵列2、DC/DC变换器(直流直流变换器)3、均衡电容器4、检测单元5和控制单元6。用检测单元5检测各超级电容组1单体和均衡电容器4的电压，通过控制单元6，使能开关阵列2，使串联超级电容组1与DC/DC变换器3和均衡电容器4选通，从而实现串联超级电容组1与均衡电容器4之间的能量流动。

    如图2所示，一组串联的超级电容组，选择其中的四个单体超级电容100、101、102和103来说明具体电路的连接。电压均衡电路由开关阵列211、DC/DC变换器311和均衡电容器400组成。其中开关阵列由开关200、201、202、203组成。

    开关200的第一引出端01接超级电容的正端a0，第二引出端02接至相邻的两个超级电容器100和101的连接中点a1；开关201的第一引出端11接至开关200的第二引出端02，第二引出端12接至相邻的两个超级电容101和102的连接中点a2，第三引出端13接至开关200的第三引出端03，第四引出端14接至开关200的第四引出端04；后面开关的接法与此类似。开关阵列的功能是将均衡电容器400分别与需要均衡的两个超级电容器并联，从而把电压高的超级电容器的电荷通过均衡电容器400转移到电压低的超级电容器上。

    DC/DC变换器3由两个功率开关管、两个二极管和一个电感组成。二极管300并接在功率开关302两端，二极管301并接在功率开关303两端，功率开关302与功率开关303串联，电感的一端接至功率开关302和功率开关303的中点b1处。这些功率器件最终组成Boost-Buck(升降压)结构的功率变换器。当超级电容组单体电压大于均衡电容器上的电压时，功率开关302导通，功率开关303截至，功率开关302、二极管301、电感304构成升压电路，DC/DC变换器工作在正向升压状态(所谓正向：DC/DC变换器的输入端为超级电容组，输出端为均衡电容器)，能量从超级电容组转移到均衡变换器400；当超级电容组单体电压小于均衡电容器上的电压时，功率开关302截止，功率开关303导通、二极管300、电感304构成升压电路，DC/DC变换器工作在反向升压状态(所谓反向：DC/DC变换器的输入端为均衡电容器，输出端为超级电容组)，能量从均衡变换器400转移到超级电容组。这种双向DC/DC变换器结构简单、能耗小、稳定性高且易于实现。

    开关阵列的选通顺序和DC/DC变换器的控制方式如图3所示。具体实施步骤如下：

    (1)通过检测到均衡控制器4上电流的大小和方向判断超级电容器组的充放电状态。如果超级电容组处于充电状态，则选取充电状态时的控制策略；反之，选取放电状态时的控制策略。

    (2)如果超级电容处于充电状态，则按以下步骤进行：

    1)检测单元5检测超级电容组1各单体电压(超级电容组中单个超级电容的电压)和均衡电容器4电压。

    2)控制单元6找出超级电容组中电压最大的超级电容，其电压记为Umax，并给开关阵列2发出控制信号，使电压最大的超级电容与DC/DC变换器连接。

    3)控制单元6对DC/DC变换器3的功率开关发出控制信号，使DC/DC变换器3工作在升压状态。

    4)当ΔU_a与ΔU_b满足ΔU_b≥kΔU_a(k∈[0，1])时，控制单元6向开关阵列2发出信号，使新的电压最高的电容器与DC/DC变换器连接。

    其中：U_full为超级电容充满电时的额定电压，U_new为充电过程中新产生的电压最高的电容的电压，U_old为之前与DC/DC变换器相连的电容电压；ΔU_a＝U_full-U_new，ΔU_b＝U_new-U_old，k为[0，1]之间的任意常数。

    (3)如果超级电容处于放电状态，则按以下步骤进行：

    1)检测单元5检测超级电容组1各单体电压和均衡电容器4电压。

    2)控制单元6找出超级电容组中电压最大(U_max)和最小(U_min)的超级电容，并求出它们的均值电压u_ave，比较U_ave与均衡电容器的电压U_f；

    若U_ave大于等于均衡电容器电压，则控制单元6输出控制信号使开关阵列2选通电压最大的电容器与DC/DC变换器3相接，控制单元6向DC/DC变换器3输入控制信号，使其工作在正向升压状态。将均衡电容器4充至U_av；

    若U_ave小于均衡电容器电压，则控制单元6输出控制信号使开关阵列2选通电压最小的电容器与DC/DC变换器3相接，控制单元6向DC/DC变换器3输入控制信号，使其工作在反向升压状态。将均衡电容器充4至U_av，

    3)重复步骤1)，查看串联超级电容组1各单体电压是否满足均衡精度控制要求，所述的均衡精度包括两个指标，即电压方差δ_v和最大电压偏差Δ_v，如果各单体电压同时满足电压方差和最大电压偏差要求，则停止均衡。

    电压方差δ_v通过下式计算：

     δv=Σi=1N(vi-vavg)2≤ϵ1,]]>式中：v_i为超级电容组中个单体电压值，v_avg为超级电容组的各超级电容的电压平均值，N为超级电容组中超级电容的个数，ε₁为一个正的给定值，本实施例中取值为0.8，它决定了对控制精度的要求。

    最大电压偏差Δ_v通过下式计算：

    Δ_v＝max|v_i-v_j|≤ε₂，v_i，v_j分别为超级电容组中的两个不同超级电容的电压值，ε₂也是一个正的给定值，本实施例中取值为0.25，它决定了最大电压的允许值。