一种超级电容模组间的电压均衡控制方法与控制系统

技术领域

本发明特别涉及一种超级电容模组间的电压均衡控制方法与控 制系统。

背景技术

有轨电车或无轨电车的超级电容储能电源一般由几百个超级电 容单体串并联组成。超级电容储能电源内部一般是由超级电容模组串 联组成，而超级电容模组一般由6个或8个超级电容单体并联形成。

因超级电容单体漏电特性的差异性，在储能电源应用中会因超级 电容单体的电压差而引发超级电容模组间产生电压差，日积月累，超 级电容模组间的电压差会越来越大。

在现有技术中，虽然为各超级电容模组配备了电压均衡单元，但 是，现有的电压均衡单元均是用于超级电容模组内的超级电容单体之 间的电压均衡，而不能主动实现超级电容模组间的电压均衡。如果在 某个或某几个超级电容模组内，各超级电容单体间的电压较为均衡， 而超级电容模组整体电压相对于其它模组电压偏高，在超级电容储能 电源充满电时，会有个别超级电容模组或超级电容单体存在过压风 险，进而影响超级电容储能电源的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中没有对超级电容模组间 进行电压均衡控制从而影响超级电容储能电源的使用寿命的不足，提 供一种超级电容模组间的电压均衡控制方法与控制系统，采取耗能的 方式对超级电容模组间进行电压均衡控制，防止因超级电容单体漏电 等引起的模组间电压差异过大，减轻了超级电容模组内电压均衡的负担，避免在充电后单个或多个超级电容单体出现过压情况，延长了超 级电容储能电源的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种超级电容模组间的电压均衡控制方法，其特征在于，包括：

根据均衡指令和均衡控制规则，对超级电容储能电源中的M个 超级电容模组间的电压进行均衡控制；其中：

均衡指令为强制均衡指令，在超级电容储能电源非充放电过程中 由上位机发出；

均衡控制规则为在超级电容储能电源非充放电过程中由上位机 发出的强制均衡控制规则；

在电压均衡控制过程中，基于均衡指令以及对应的均衡控制规 则，对选定的超级电容模组进行放电。

延长超级电容单体的使用寿命是延长储能电源的使用寿命的关 键所在。延长超级电容单体的使用寿命主要方法是控制超级电容单体 的使用温度及电压在其额定范围内，本发明则属于控制超级电容模组 电压范畴。本发明采用耗能的放电方式，在开机时或者超级电容储能 电源非充放电过程中对选定的超级电容模组进行放电，防止因超级电 容单体漏电等引起的模组间电压差异过大，减轻了超级电容模组内电 压均衡的负担，避免在充电后单个或多个超级电容单体出现过压情 况，延长了超级电容储能电源的使用寿命。

作为一种优选方式，强制均衡控制规则包括：对选取的N1个超 级电容模组放电至目标电压。

作为另一种优选方式，强制均衡控制规则包括：对选取的N2个 超级电容模组执行时长为T1的放电过程。

进一步地，强制均衡指令的优先级高于其它电压均衡控制指令。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种超级电容模组间的电 压均衡控制系统，其特点是包括上位机、主控单元，超级电容储能电 源中的M个超级电容膜组各对应连接有一电压均衡单元，

上位机：用于发送均衡控制规则及均衡指令至主控单元，其中， 均衡控制规则为在超级电容储能电源非放电过程中由上位机发出的 强制均衡控制规则；均衡指令为强制均衡指令，在超级电容储能电源 非充放电过程中由上位机发出并通过主控单元根据均衡规则转发；

主控单元：用于发送均衡指令至各电压均衡单元；

各电压均衡单元：用于基于均衡指令，对选定的超级电容模组进 行放电。

进一步地，电压均衡单元还用于检测对应超级电容模组的实时电 压数据并发送至主控单元；主控单元用于接收M个电压均衡单元发 送的实时电压数据并发送到上位机。

作为一种优选方式，所述强制均衡控制规则包括：对选取的N1 个超级电容模组放电至目标电压，或者，对选取的N2个超级电容模 组执行时长为T1的放电过程。

强制均衡规则为对选取的N1个超级电容模组放电至目标电压 时，上位机接收主控单元发送的实时模组电压，人为指定一目标电压， 上位机发送强制均衡指令及目标电压，主控单元接收强制均衡指令及 目标电压，同时接收M个电压均衡单元发送的实时模组电压并选取 其中的M1个有效数据，以及选取所述M1个有效数据中电压值高于 目标电压的N1个有效数据并记录相应的N1个超级电容模组的编号。

强制均衡规则为对选取的N2个超级电容模组执行时长为T1的 放电过程时，上位机接收主控单元发送的实时模组电压，人为选取某 一个或某几个模组，上位机发送强制均衡指令及对应模组编号的均衡 规则，主控单元接收并转发强制均衡指令及均衡规则。

与现有技术相比，本发明采取耗能的方式对超级电容模组间进行 电压均衡控制，防止因超级电容单体漏电等引起的模组间电压差异过 大，减轻了超级电容模组内电压均衡的负担，避免在充电后单个或多 个超级电容单体出现过压情况，延长了超级电容储能电源的使用寿 命。

附图说明

图1为超级电容模组间的电压均衡控制系统原理图。

图2为超级电容模组间的电压均衡控制方法基本流程。

图3为强制均衡控制流程。

其中，1为上位机，2为主控单元，3为电压均衡单元，C为超级 电容模组。

具体实施方式

本专利所述的是电压均衡的一种模式，主要均衡控制参数是模组 电压，致力于模组间的电压一致性均衡。当人工认为需要进行模组间 均衡，且储能电源在非充放电过程的一段时间(几分钟到几十分钟不 等)内，人为启动均衡时，称为强制均衡。强制均衡是对超级电容储 能电源的模组电压进行均衡，使之在进入超级电容储能电源充放电过 程前尽量保持各模组电压一致性处于可接受的程度。

超级电容模组间的电压均衡控制方法包括：

根据均衡指令和均衡控制规则，对超级电容储能电源中的M个 超级电容模组C间的电压进行均衡控制；其中：

均衡指令为强制均衡指令，在超级电容储能电源非充放电过程中 由上位机1发出；

均衡控制规则为超级电容储能电源非放电过程中由上位机1发 出的强制均衡控制规则；

在电压均衡控制过程中，基于均衡指令以及对应的均衡控制规 则，对选定的超级电容模组C进行放电。

强制均衡控制规则包括：规则一，对选取的N1个超级电容模组 C放电至目标电压；规则二，对选取的N2个超级电容模组C执行时 长为T1的放电过程。

强制均衡指令的优先级高于其它电压均衡控制指令。即当需要执 行强制均衡时，不允许进行其它一般模组间的均衡。

如图1所示，本发明还提供了一种超级电容模组间的电压均衡控 制系统，包括上位机1、主控单元2，超级电容储能电源中的M个超 级电容膜组各对应连有一电压均衡单元3。

超级电容模组间的电压均衡控制系统的主要核心部件为主控单 元2和电压均衡单元3，每台超级电容储能电源包括一个主控单元2 和M个电压均衡单元3，电压均衡单元3的数量等于超级电容储能电 源内超级电容模组C的数量。主控单元2和各电压均衡单元3通过 网络进行数据交互。

主控单元2：用于发送均衡指令和均衡控制规则至各电压均衡单 元3，其中，均衡指令在超级电容储能电源非充放电过程中由上位机 1发出并通过主控单元2转发；均衡控制规则在超级电容储能电源非 充放电过程中由上位机1发送至主控单元2的强制均衡控制规则；

各电压均衡单元3：用于基于均衡指令，对选定的超级电容模组 C进行放电。

本发明所述的强制均衡功能由上位机1、主控单元2和电压均衡 单元3联合实现。

电压均衡单元3还用于检测对应超级电容模组C的实时电压数 据并通过网络2发送至主控单元2；主控单元2用于接收M个电压均 衡单元3发送的实时电压数据并通过网络1发送到上位机1。

所述强制均衡控制规则包括：对选取的N1个超级电容模组C放 电至目标电压，或者，对选取的N2个超级电容模组C执行时长为 T1的放电过程。

如图2至图3中示出本发明的一具体实施流程。

实施例中涉及到的强制均衡指令标识、电压均衡单元3的均衡命 令位作用如下：

强制均衡指令标识包括上位机发送和主控单元发送，上位机发送 的强制均衡指令标识为0xAA时，表示需要强制均衡且均衡规则为对 选取的N1个超级电容模组C放电至目标电压；上位机发送的强制均 衡指令标识为0x55时，表示需要强制均衡且均衡规则为对选取的N2 个超级电容模组C执行时长为T1的放电过程；上位机发送的强制均 衡指令标识为0x00时，表示不需要强制均衡；主控单元发送的强制 均衡指令标识置1，则表示需要进行强制均衡；主控单元发送的强制 均衡指令标识置0，则表示不需要进行强制均衡。

均衡命令为二进制数，从低位(bit0)到高位(bit(M-1))依次表 示编号从1到M的超级电容模组C。电压均衡单元3的均衡命令位 置1，则表示对应的超级电容模组C需要进行放电以实现电压均衡； 电压均衡单元3的均衡命令位置0，则表示对应的超级电容模组C不需要进行放电以实现电压均衡。

在一具体的实例中，强制均衡过程如下：

在超级电容储能电源非充放电过程中，当上位机1发送强制均衡 指令和二进制的强制均衡规则时，主控单元2接收强制均衡指令和强 制均衡规则。

强制均衡指令有两种，第一种是强制均衡指令标识位加模组目标 电压的形式，第二种是强制均衡指令标识位加超级电容模组C编号 的形式。

对于第一种形式，模组目标电压是根据在上位机1观察到的所有 超级电容模组C电压值，人为选取其中的电压较高的超级电容模组 C，根据选取的超级电容模组C的电压设定强制均衡命令中的目标电 压，目标电压一般设定为这些电压较高超级电容模组C中的电压最 小值。其中，上位机发送的强制均衡指令标识为0xAA，主控单元发 送的强制均衡指令标识位1，高于目标电压的超级电容模组C的均衡 命令位置1，其余超级电容模组C的均衡命令位置0。

电压均衡单元3通过网络2接收并识别解析强制均衡指令，判断 强制均衡指令标识位及对应均衡命令位置是否都为1，若是，则启动 电压均衡单元3上的放电器件(放电电阻或DC/DC模块)对所在的 超级电容模组C进行放电，使得对应的超级电容模组C电压降低，直到对应的超级电容模组C电压降低至目标电压；若否，则不开启 超级电容储能电源中整个超级电容模组C的放电。

对于第二种形式，根据在上位机1观察到的所有超级电容模组C 电压值，人为指定需要对哪些超级电容模组C进行电压均衡控制。 其中，上位机发送的强制均衡指令标识为0x55，主控单元发送的强 制均衡指令标识位1，被选定的超级电容模组C的均衡命令位置1，其余超级电容模组C的均衡命令位置0。

电压均衡单元3通过网络接收并识别解析强制均衡指令，判断强 制均衡指令标识位及对应均衡命令位置是否都为1，若是，则启动电 压均衡单元3上的放电器件(放电电阻或DC/DC模块)对所在的超 级电容模组C进行时长为T1的放电，使得对应的超级电容模组C电 压降低，直到主控单元2不再发送均衡命令；若否，则不开启超级电 容储能电源中整个超级电容模组C的放电。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局 限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而 不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离 本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这 些均属于本发明的保护范围之内。