一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈的充放电控制方法及系统，在充放电过程中周期性采集每个超级电容单体的温度；每个超级电容单体通过可控开关相互串并联连接；步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的温度实时进行温度抑制处理，温度抑制过程为：计算当前采集到的每个超级电容单体的温度和平均温度的差值。根据差值信息得到每个超级电容单体的重构控制信号；根据每个超级电容单体的重构控制信号控制每个超级电容单体的可控开关的开闭。本发明专利技术通过控制超级电容单体在充放电过程中的接入和切出来实现温度抑制，延长整个超级电容堆栈的使用寿命，使得超级电容堆栈的所有个体的使用寿命达到一致。

A Temperature Suppression Based Charge and Discharge Control Method and System for Reconfigurable Supercapacitor Stack

【技术实现步骤摘要】
一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统
本专利技术属于超级电容
，具体涉及一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统。
技术介绍
在由大量超级电容单体串并联构成的超级电容堆栈能源系统中，不同的超级电容单体状态不一样(比如端电压和内阻)，老化程度也不一样。在充放电过程中，这些参数的差异往往会影响系统充放电时的性能。比如老化严重的超级电容单体会在充放电的时候产生较大的热能，有可能会损坏超级电容单体使得整个超级电容堆栈无法正常工作，其次老化严重的超级电容单体放电时候的容量(端电压)相对也会降低得很快，这些问题就会造成堆栈中得单体不平衡。随着时间推移，这种不平衡将会更加严重，会加速老化严重得单体得老化速度。对于由多个超级电容单体串联形成的超级电容组，其整体的寿命取决于老化最严重的单体，所以不平衡问题将会大大限制超级电容堆栈的使用寿命。因此，有必要设计一种能够上述不平衡问题的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有技术的不足，提供一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统，本专利技术能够实现超级电容堆栈中超级电容单体寿命的真正均衡，提高系统的使用性能并延长整个超级电容堆栈的使用寿命。本专利技术所提供的技术方案为：一方面，本专利技术提供一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，包括如下步骤：步骤1：在超级电容堆栈充放电过程中，每隔一定时间采集一次各个超级电容单体的温度；其中，每个超级电容单体配置有两个可控开关，超级电容单体与其中一个可控开关串联后再与另一个可控开关并联；两个可控开关用于实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈；每个超级电容单体分别与其两个可控开关构成一个超级电容模块；各个超级电容模块相互串并联构成超级电容堆栈；其中超级电容单体间的串联以满足负载电压需求，并联以提供输出大电流；步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的温度，实时进行超级电容堆栈的重构和温度抑制(超级电容的接入和切出)，即根据当前采集到的温度控制各个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间，使当前温度高的超级电容单体串联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间短，并联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间长。本步骤实际上是根据当前采集到的温度控制各个超级电容单体在下一个控制周期内接入和切出超级电容堆栈的时间，即进行超级电容堆栈的重构。进一步地，所述步骤1中，周期性地采集各个超级电容单体的温度，具体方法为：首先采集每个超级电容单体初始温度，再以初始温度采集时间为起始时刻，每隔一个周期采集一下每个超级电容单体的温度。进一步地，在超级电容堆栈充放电过程中，使用电压和电流传感器实时测量超级电容堆栈的端电压和输出电流大小，并以此判定充电是否完成，或者是否停止放电或边放边充；具体来说，在超级电容堆栈充电过程中，若超级电容堆栈端电压达到其额定电压即判定充电完成；在超级电容堆栈放电过程中，若超级电容堆栈输出电流或端电压小于预设值(即输出电流或端电压的最小正常值)则选择以下方式之一进行处理：1)停止使用超级电容堆栈对负载放电，转为向超级电容堆栈充电，充电完成后继续使用超级电容堆栈对负载放电；2)在使用超级电容堆栈对负载放电的同时，采用外部电源向超级电容堆栈充电；持续上述过程直至完成对负载的供能。进一步地，所述步骤2具体过程如下：a：计算当前采集到的所有超级电容单体的温度的平均值，即平均温度；b：计算当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值，该差值反映当前温度采集时刻超级电容的老化程度，温度越高说明超级电容老化越严重；c：基于当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值，分别产生每个超级电容单体对应的重构控制信号(即每个超级电容单体的两个可控开关的导通和关断控制信息)；d：根据每个超级电容单体的重构控制信号控制每个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间，通过控制超级电容单体的两个可控开关的通断，实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈的控制，以便控制超级电容单体与超级电容堆栈之间的电流转移来实现超级电容单体的温度抑制。每个超级电容单体配置两个可控开关，一个与其串联，使得超级电容能够自由地接入和切出；另外一个开关与超级电容并联，配合串联开关实现超级电容的接入和在不影响其他单体工作的情况下切除该超级电容。本专利技术通过温度控制策略可控开关，可以有效且低成本的实现电荷转移；从而实现温度抑制。基于该原理本方法在重复的充放电过程中周期性检测单体温度，在多次重复性的使用时，通过在单体的寿命进行一致性协同，不会出现热逃逸或过充等不良现象，超级电容单体间的寿命均衡效果好，能最终实现超级电容单体寿命的一致性，延长整个超级电容堆栈的寿命。进一步地，所述步骤b中，当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值的计算公式如下：式中，δmn(t)为当前，即第t次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值，Tmn(t)为当前采集到的超级电容单体mn的温度，为当前采集到的所有超级电容单体的平均温度。进一步地，所述步骤c中，采用PID控制得到每个超级电容单体对应的重构控制信号，计算公式如下：式中，Δ(t)mn为超级电容单体mn串联的可控开关在一个控制周期内的导通时间占比，kp、τi和τd分别为比例参数、积分参数和微分参数，为δmn的微分，δmn(t-1)表示上一次，即第t-1次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值。超级电容的温度反应了超级电容的使用寿命，然而充电电流对温度有决定性作用，可以通过可控开关的占空比实现充电电流的控制。进一步地，将重构控制信号(Δ(t)mn)转换为PWM信号输出；对于控制同一个超级电容单体的两个可控开关的PWM信号，它们的电平相反，即占空比互补，以保证每次只有一个开关导通，需要接入时串联的开关导通，并联的开关断开；需要切出时，串联的开关断开，并联的开关导通。PWM信号的周期(控制周期)与采集温度的周期是相等的，即从控制环路来说，从采集到给出重构控制信号是在同一个周期内完成的。另一方面，本专利技术提供的一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈的充放电控制系统，包括：重构控制模块、信号驱动模块、传感采集模块以及供电电源模块；其中，重构控制模块、信号驱动模块和超级电容堆栈依次连接；重构控制模块和超级电容堆栈均与传感采集模块连接；该控制系统工作原理为：在超级电容堆栈充放电过程中，传感采集模块每隔一定时间采集一次各个超级电容单体的温度；其中，每个超级电容单体配置有两个可控开关，超级电容单体与其中一个可控开关串联后再与另一个可控开关并联；两个可控开关用于实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈；每个超级电容单体分别与其两个可控开关构成一个超级电容模块；各个超级电容模块相互串并联构成超级电容堆栈；重构控制模块根据传感采集模块每次采集到的每个超级电容单体的温度，产生各个超级电容单体的重构控制信号，用于进行超级电容堆栈的重构和温度抑制，即根据当前采集到的温度产生各个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间控制信号，使当前温度高的超级电容单体串联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间短，并联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间长；所述信号驱动模块，对重构控制模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在超级电容堆栈充放电过程中，每隔一定时间采集一次各个超级电容单体的温度；其中，每个超级电容单体配置有两个可控开关，超级电容单体与其中一个可控开关串联后再与另一个可控开关并联；两个可控开关用于实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈；每个超级电容单体分别与其两个可控开关构成一个超级电容模块；各个超级电容模块相互串并联构成超级电容堆栈；其中超级电容单体间的串联以满足负载电压需求，并联以提供输出大电流；步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的温度，进行超级电容堆栈的重构和温度抑制，即根据当前采集到的温度控制各个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间，使当前温度高的超级电容单体串联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间短，并联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间长。

【技术特征摘要】
1.一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在超级电容堆栈充放电过程中，每隔一定时间采集一次各个超级电容单体的温度；其中，每个超级电容单体配置有两个可控开关，超级电容单体与其中一个可控开关串联后再与另一个可控开关并联；两个可控开关用于实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈；每个超级电容单体分别与其两个可控开关构成一个超级电容模块；各个超级电容模块相互串并联构成超级电容堆栈；其中超级电容单体间的串联以满足负载电压需求，并联以提供输出大电流；步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的温度，进行超级电容堆栈的重构和温度抑制，即根据当前采集到的温度控制各个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间，使当前温度高的超级电容单体串联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间短，并联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间长。2.根据权利要求1所述的基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，其特征在于，所述步骤1中，周期性地采集各个超级电容单体的温度，具体方法为：首先采集每个超级电容单体初始温度，再以初始温度采集时间为起始时刻，每隔一个周期采集一下每个超级电容单体的温度。3.根据权利要求1所述的基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，其特征在于，在超级电容堆栈充放电过程中，使用电压和电流传感器实时测量超级电容堆栈的端电压和输出电流大小，并以此判定充电是否完成，或者是否停止放电或边放边充；具体来说，在超级电容堆栈充电过程中，若超级电容堆栈端电压达到其额定电压即判定充电完成；在超级电容堆栈放电过程中，若超级电容堆栈输出电流或端电压小于预设值则选择以下方式之一进行处理：1)停止使用超级电容堆栈对负载放电，转为向超级电容堆栈充电，充电完成后继续使用超级电容堆栈对负载放电；2)在使用超级电容堆栈对负载放电的同时，采用外部电源向超级电容堆栈充电；持续上述过程直至完成对负载的供能。4.根据权利要求1所述的基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，其特征在于，所述步骤2具体过程如下：a：计算当前采集到的所有超级电容单体的温度的平均值，即平均温度；b：计算当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值；c：基于当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值，分别产生每个超级电容单体对应的重构控制信号；d：根据每个超级电容单体的重构控制信号控制每个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间。5.根据权利要求4所述的基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，其特征在于，所述步骤b中，当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值的计算公式如下：式中，δmn(t)为当前，即第t次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值，Tmn(t)为当前采集到的超级电容单体mn的温度，为当前采集到的所有超级电容单体的...

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