超级电容组储能均压充放电控制系统技术方案

本实用新型专利技术属于电力系统储能控制技术领域，尤其涉及一种超级电容组储能均压充放电控制系统，包括：微处理器控制模块1、开关驱动模块3、超级电容开关阵列模块4、超级电容阵列模块5、直流充电电源模块7依次相连，超级电容阵列模块5、超级电容组测量模块2、SOC模块8、人机交互模块6、微处理器控制模块1依次相连，超级电容组测量模块2和SOC模块8分别与微处理器控制模块1相连。本实用新型专利技术使用传感器获取的信息，通过控制策略保证整个超级电容器组储能系统工作在最佳状态，使系统安全充放电。本实用新型专利技术实用新型专利技术具有可靠，简单，高效，快速，节能等优点，同时可为超级电容阵列的检修提供参考依据。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于电力系统储能控制
，尤其涉及一种超级电容组储能均压充放电控制系统。
技术介绍
超级电容器是一种新型电力储能器件出现在本世纪初。超级电容器的电容量极大，可达数千法拉，既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。此外，超级电容器还具有容量配置灵活、易于实现模块化设计、循环使用寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护等优点，使其更适于苛刻的工作环境。现有充放电方式由于超级电容器单体端电压不高，对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式工作，它们作为一个整体进行充电，具有同样的充电电流。在串联组件设计中，由于制造工艺与材质不均，超级电容器存在离散度较大，即使在配组时经过严格的一致性筛选，但其偏差也不可避免。为了避免过充，常常在容量小的电容充满后即停止充电，这样电容组的储能容量得不到最大利用；同样，放电时为了避免过放，也不能最大利用电容器组的容量。现有电压均衡电路的类型主要划分为能耗型和非能耗型。总之，现有技术的不足之处是：复杂实用性差，可靠性差，能耗高，效率低等。这些缺点制约了超级电容的推广使用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的超级电容单体容量误差较大等问题，本技术提出了一种超级电容组储能均压充放电控制系统及荷电状态估计方法。控制系统包括：微处理器控制模块1、超级电容组测量模块2、开关驱动模块3、超级电容开关阵列模块4、超级电容阵列模块5、人机交互模块6、直流充电电源模块7和SOC模块8；其中，微处理器控制模块1、开关驱动模块3、超级电容开关阵列模块4、超级电容阵列模块5、直流充电电源模块7依次相连，超级电容阵列模块5、超级电容组测量模块2、SOC模块8、人机交互模块6、微处理器控制模块1依次相连，超级电容组测量模块2和SOC模块8分别与微处理器控制模块1相连。所述超级电容开关阵列模块4由2m个开关组成，所述超级电容阵列模块5由n个超级电容器单体并联为一组，每一组超级电容与一个开关串后再与另一开关并联组成一个单位，共有m个单位。所述超级电容组分为p个子模块，子模块内与子模块间分别通过模块内电压均衡电路与模块间电压均衡电路同时进行电压均衡。所述微处理器控制模块1根据超级电容组测量模块2和SOC模块8输入的信息，完成控制超级状态的算法，输出控制信号至开关驱动模块3驱动超级电容开关阵列模块4，实现对超级电容器组的均压充放电控制；所述超级电容组测量模块2用于实时采集超级的电压和所有单体的温度数据并送至微处理器控制模块1；所述开关驱动模块3的输入端与微处理器控制模块1的控制输出端相连；将微处理器模块产生的控制信号转化为开关阵列可用的信号，控制开关阵列；所述人机交互模块6包括键盘、显示器和转换接口，用于进行参数设置、实时显示系统的数据和状态，实现系统与上位机的串行通信；所述超级电容开关阵列模块4通过控制开关组合实现将超级串入电路和从电路中切除；所述超级电容阵列模块5中的单体超级电容可以为具体的单个超级电容，也可以是经过并串组合后的超级；所述直流充电电源模块7与超级电容阵列模块5串联，充电时使用为超级电容提供充电电流；所述SOC模块8为荷电状态估计模块，根据超级电容组测量模块2和微处理器控制模块1输入的信息，通过算法对系统的荷电状态进行估计；将估算结
果传递给微处理器控制模块1和人机交互模块6。所述超级电容组测量模块2包括用于模数转换的A/D转换器和以下传感器：温度传感器，安装在每个超级电容外壳上，用于测量超级电容的温度；电压传感器，并联于每一个超级电容组的两端，用于测量每组超级电容的电压；电流传感器，串联于超级电容器组，用于测量充电和放电时的电流。与现有技术相比较，本技术的有益效果在于：1通过电压传感器和温度传感器，可发现短路等故障；发现故障后，通过开关组合可切除故障或通过设置预先处理方案通知工作人员进行处理。2通过人机交互方式，可设定充放电时间，进行自动充放电。3通过优化参数，可有效减少开关次数，减小系统能耗损失。4可使电容器组的分散度降低，充分利用单体容量，提高超级电容器组的可靠性。5通过分析开关次数，可找出离散度大的组，为替换离散较大的电容组提供依据。6根据电压值和正常工作的电容器组的总电容，可对处于该状态下的储能系统的电能总量进行估计。7基于概率论，规模越大效果越好，适用于大规模的超级电容储能。8使用SOC模块，当初始值不是很精确时，依然可以实时对超级电容的荷电状态进行估计。附图说明图1为本技术的控制系统组成框图；图2为超级电容器组分级电压均衡整体结构；图3为超级电容开关阵列模块和超级电容阵列模块的组合图；图4为霍尔电压互感器原理图；图5为光电隔离电路；图6为MOSFET驱动电路。具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。本技术提供了一种超级电容器组储能均压充放电控制系统，如图1所示，微处理器控制模块1、开关驱动模块3、超级电容开关阵列模块4、超级电容阵列模块5、直流充电电源模块7依次相连，超级电容阵列模块5、超级电容组测量模块2、SOC模块8、人机交互模块6、微处理器控制模块1依次相连，超级电容组测量模块2和SOC模块8分别与微处理器控制模块1相连。图2为超级电容器组分级电压均衡整体结构，图中将整体电容器分成p个子模块，工作过程中，模块间、模块内同时进行电压均衡。图3为超级电容开关阵列模块和超级电容阵列模块的组合图，图中阵列采用了2m个N沟道MOSFET可控型开关，同时，n个超级电容器单体并联为一组，每组超级电容与一个开关串后与另一开关并，这样n个超级电容器和两个开关组成了一个单位。通过开关的有选择的开断控制，可使每组超级电容器处于两种状态：串入主电路充电和与主电路断开悬空不充电。如图3所示，对于第1组中开关S1和S1’，有4种状态组合：S1断开S1’断开，S1断开S1’闭合，S1闭合S1’断开，S1闭合S1’闭合。当S1断开S1’闭合时，超级电容器组C1*串入主电路，可对电容器组充放电；当S1闭合S1’断开时，超级电容器组C1*与主电路断开，不进行充放电。通过逻辑电路禁止出现剩下两种情况。开关S旁边并联二极管可防止开关过高压。电压传感器并联于电容器组的两端，用于测量每组超级电容的电压；温度传感器安装在每个超级电容外壳上。图4为霍尔电压互感器原理图，采用型号为HVS5-25A的霍尔电压传感器测量各超级电容器单体的端电压，配置原边限流电阻：R1＝U1/IP-Rin式中R1为原边限流电阻，U1为最大测量电压，IP为互感器额定输入电流，Rin为互感器原边内阻。由于本霍尔传感器要求原边额定输入电流为5mA左右，测量最大电压U1＝5V，故选取原边串联电阻R1为：R1＝5V/5mA-650＝350根据实际电阻阻值，取R1＝360Ω，选取输出电压为Uo＝5V，再根据匝数比，有公式： I i n I o u t = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容组储能均压充放电控制系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块(1)、超级电容组测量模块(2)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、人机交互模块(6)、直流充电电源模块(7)和SOC模块(8)；其中，微处理器控制模块(1)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、直流充电电源模块(7)依次相连，超级电容阵列模块(5)、超级电容组测量模块(2)、SOC模块(8)、人机交互模块(6)、微处理器控制模块(1)依次相连，超级电容组测量模块(2)和SOC模块(8)分别与微处理器控制模块(1)相连。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容组储能均压充放电控制系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块(1)、超级电容组测量模块(2)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、人机交互模块(6)、直流充电电源模块(7)和SOC模块(8)；其中，微处理器控制模块(1)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、直流充电电源模块(7)依次相连，超级电容阵列模块(5)、超级电容组测量模块(2)、SOC模块(8)、人机交互模块(6)、微处理器控制模块(1)依次相连，超级电容组测量模块(2)和SOC模块(8)分别与微处理器控制模块(1)相连。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述超级电容开关阵列模块(4)由2m个开关组成，所述超级电容阵列模块(5)由n个超级电容器单体并联为一组，每一组超级电容与一个开关串后再与另一开关并联组成一个单位，共有m个单位；所述超级电容组分为p个子模块，子模块内与子模块间分别通过模块内电压均衡电路与模块间电压均衡电路同时进行电压均衡。3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述微处理器控制模块(1)根据超级电容组测量模块(2)和SOC模块(8)输入的信息，完成控制超级状态的算法，输出控制信号至开关驱动模块(3)驱动超级电容开关阵列模块(4)，实现对超级电容器组的均压充放电控...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岩松，刘君，张宾，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：新型
国别省市：北京;11