一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电系统，其中充电系统通过在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，每个所述充电模块均包括开关管；充电方法为：利用各充电控制模块，通过获取当前数据，并根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，且根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了应用该充电方法的充电系统的可靠性和超级电容的寿命。

A Phase-Controlled Constant Current Charging Method for Super Capacitor and Its Charging Device

The invention discloses a supercapacitor constant current charging method based on phase control and its charging system, in which charging system sets several charging modules in parallel between DC input power supply and supercapacitor group module, and each charging module corresponds to a charging control module, each charging module includes a switch; charging method is: using each charging control module; By acquiring the current data, and according to the output current value of the local charging module and the adjacent charging module in parallel with the local, the corresponding local charging module is controlled by cooperative current, and the corresponding local charging module is controlled by the phase difference between the two charging modules and the local charging module, so that the output current value of all charging modules is the same. Moreover, the phase value is distributed equally to reduce the current ripple of the total output current and improve the reliability of the charging system and the life of the supercapacitor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置
本专利技术属于超级电容充电领域，具体涉及一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置。
技术介绍
作为一种绿色智能城市轨道技术，超级电容储能式轻轨受到越来越广泛的关注。由于在实际应用中要求在短时间内实现对超级电容储能装置完成充电，因此研制大功率充电系统对于促进储能式轻轨技术的发展具有重要的意义。设计单个充电模块来提供如此大的功率是非常昂贵和困难的，因此在实际中，采用多个充电模块通过并联来给超级电容提供能量，这样可以减少开关器件的功率等级要求，并且提高了系统的可靠性。当前的多模块充电系统的控制策略集中在分散式控制、主从控制和协同控制。分散式控制将所有充电模块都分立起来，互相不联系，由于缺乏信息沟通，这种方法在系统层面上，性能不足。主从控制通过通信，实现从模块跟随主模块的电流输出来实现各模块电流相同，但是由于容易出现单点故障的问题，可靠性很低。协同控制实现上面两种控制方式的优点，然而这些方法都只围绕实现所有充电模块提供相同的电流，没有关注输出电流纹波对充电和超级电容的影响。如果电流纹波较大，会降低整个充电系统的可靠性，并且会缩短超级电容的寿命，因此在实现各个充电模块输出相同的电流的同时，减少总电流的纹波是至关重要的。
技术实现思路
基于现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置，实现多个充电模块输出相同的电流并且减少总输出电流的输出纹波。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法，包括以下步骤：步骤1，在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，所述充电模块包括开关管；步骤2，依次将每个充电模块作为本地充电模块，其余充电模块作为毗邻充电模块，获取每个充电模块的当前数据；B1，获取本地充电模块的输出电流值，从各毗邻充电控制模块获取各毗邻充电模块的输出电流值；B2，获取本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值；步骤3，各充电控制模块更新PWM信号；C1，根据本地充电模块的输出电流、各毗邻充电模块的输出电流以及参考电流，计算本地充电模块的电流误差信号δk，并根据PID控制算法将电流误差信号转化为更新的PWM信号的占空比；C2，根据本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值，计算本地充电模块的相位差差值，从而根据PI控制算法将相位误差信号转化为更新的PWM信号的相位值；C3，根据本地充电模块的更新的PWM信号的占空比和相位值，生成更新的PWM信号；步骤4，各充电控制模块更新的PWM信号作用于对应的充电模块的开关管的状态，所有更新的PWM信号的占空比使所有充电模块的输出电流幅值相同，所有更新的PWM信号的相位使所有充电模块的输出电流的相位呈等差分布。本专利技术通过在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感；各充电控制模块，通过获取当前数据，并根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，且根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电系统的可靠性和超级电容的寿命。进一步地，电流误差信号δk由电流跟踪器按以下公式计算得到：更新的PWM信号占空比dk由占空比补偿器按以下公式计算得到：其中，gk为本地电流跟踪器的跟随增益，akm是各毗邻充电流跟踪器的跟踪增益，Kp1为本地占空比补偿器的增益，Ti1和Td1分别为本地占空比补偿器的积分参数和微分参数，δk'为电流误差信号δk经Laplace变换后的信号，L-1()表示Laplace反变换。占空比补偿器考虑了误差的积分和微分特性，有更快的跟随性能，并且能消除稳态误差，保证各充电模块电流均衡的效果，提高了系统的性能。进一步地，相位差差值的计算方法为：利用鉴相器模块根据本地充电模块k的PWM信号相位前一个充电模块k-1的PWM信号相位下一个充电模块k+1的PWM信号相位计算本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差和下一个充电模块与本地充电模块k的PWM信号相位差从而获得本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θk；其中，采用相位控制，通过计算前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差，从而对对应本地充电模块进行相位控制，使所有充电模块的相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电系统的可靠性和超级电容的寿命。进一步地，更新的PWM信号相位值由相位补偿器采用PI控制器，并基于PI控制算法计算本地充电模块k的更新的PWM信号相位值其中，Kp2为本地相位补偿器的增益，Ti2为本地相位补偿器的积分参数，△θk'为相位差差值△θk经Laplace变换后的信号。相位补偿器采用PI控制器，考虑了误差信号的积分特性，可以消除相位值的稳态误差，提高相位的精确性。进一步地，所述鉴相器模块包括低通滤波器和减法器，所述鉴相器模块以脉冲信号的方式输出本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差和下一个充电模块k+1与本地充电模块k的PWM信号相位差低通滤波器接收并将两个PWM信号相位差分别转换为电压信号，减法器接收并计算两个电压信号的差值得到本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θk。进一步地，在步骤1中设置各充电模块k的输出电流的初始相位为：其中，n为充电模块的数量。进一步地，包括若干个并联设置于直流输入电源与超级电容组模块之间的充电模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感，且每个充电模块对应设置有充电控制模块；所述充电控制模块包括电源供电模块、模拟量采集模块、鉴相器模块、协同控制模块和信号驱动模块；其中，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与协同控制模块连接，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与充电模块连接；所有充电控制模块之间均通过所述模拟量采集模块相互连接。本专利技术的超级电容充电系统，包括若干个并联设置于直流输入电源与超级电容组模块之间的充电模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感，且每个充电模块对应设置有充电控制模块；各个充电控制模块，根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电系统的可靠性和超级电容的寿命。进一步地，所述模拟量采集模块包括：低通滤波电路、电流传感器、通信芯片和双端口存储单元，所有模块量采集模块之间通过所述通信芯片相互连接；所述充电模块的输出端经低通滤波电路与电流传感器连接；所述通信芯片与电流传感器连接，且通过双端口存储单元与协同控制模块连接。有益效果本专利技术的充电系统，通过在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，每个所述充电模块均包括开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，所述充电模块包括开关管；步骤2，依次将每个充电模块作为本地充电模块，其余充电模块作为毗邻充电模块，获取每个充电模块的当前数据；B1，获取本地充电模块的输出电流值，从各毗邻充电控制模块获取各毗邻充电模块的输出电流值；B2，获取本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值；步骤3，各充电控制模块更新PWM信号；C1，根据本地充电模块的输出电流、各毗邻充电模块的输出电流以及参考电流，计算本地充电模块的电流误差信号δk，并根据PID控制算法将电流误差信号转化为更新的PWM信号的占空比；C2，根据本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值，计算本地充电模块的相位差差值，从而根据PI控制算法将相位误差信号转化为更新的PWM信号的相位值；C3，根据本地充电模块的更新的PWM信号的占空比和相位值，生成更新的PWM信号；步骤4，各充电控制模块更新的PWM信号作用于对应的充电模块的开关管的状态，所有更新的PWM信号的占空比使所有充电模块的输出电流幅值相同，所有更新的PWM信号的相位使所有充电模块的输出电流的相位呈等差分布。...

【技术特征摘要】
1.一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，所述充电模块包括开关管；步骤2，依次将每个充电模块作为本地充电模块，其余充电模块作为毗邻充电模块，获取每个充电模块的当前数据；B1，获取本地充电模块的输出电流值，从各毗邻充电控制模块获取各毗邻充电模块的输出电流值；B2，获取本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值；步骤3，各充电控制模块更新PWM信号；C1，根据本地充电模块的输出电流、各毗邻充电模块的输出电流以及参考电流，计算本地充电模块的电流误差信号δk，并根据PID控制算法将电流误差信号转化为更新的PWM信号的占空比；C2，根据本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值，计算本地充电模块的相位差差值，从而根据PI控制算法将相位误差信号转化为更新的PWM信号的相位值；C3，根据本地充电模块的更新的PWM信号的占空比和相位值，生成更新的PWM信号；步骤4，各充电控制模块更新的PWM信号作用于对应的充电模块的开关管的状态，所有更新的PWM信号的占空比使所有充电模块的输出电流幅值相同，所有更新的PWM信号的相位使所有充电模块的输出电流的相位呈等差分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电流误差信号δk由电流跟踪器按以下公式计算得到：更新的PWM信号占空比dk由占空比补偿器按以下公式计算得到：其中，gk为本地电流跟踪器的跟随增益，akm是各毗邻充电流跟踪器的跟踪增益，Kp1为本地占空比补偿器的增益，Ti1和Td1分别为本地占空比补偿器的积分参数和微分参数，δ′k为电流误差信号δk经Laplace变换后的信号，L-1()表示Laplace反变换。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相位差差值的计算方法为：利用鉴相器模块根据本地充电模块k的PWM信号相位前一个充电模块k-1的PWM信号相位下一个充电模块k+1的P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓勇，焦允，李恒，黄志武，周艳辉，杨迎泽，刘伟荣，彭军，蒋富，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43