一种超级电容单体电压均衡控制方法及其装置与流程

1.本发明涉及新能源电池管理技术领域，尤其涉及一种超级电容单体电压均衡控制方法及其装置。


背景技术：

2.当前，超级电容作为一种新型的储能器件，越来越多的应用到新能源储能领域。超级电容具有功率密度高、循环使用寿命长、内阻低、温度性能好等优点，并且无环境污染，具有安全可靠、适用范围广、绿色环保、易维护等特点，是改善和解决电能动力应用的突破性元器件。
3.超级电容器实际应用中通常需要将若干单体电容器串联使用。串联时由于各个单体电容器参数(如电容量、esr、漏电流等)存在一定差异，大电流放电过程中易造成各个单体电容两端的电压不均衡，导致部分电容过充过放，影响了电容器的寿命和整个电路的可靠性。尽管超级电容器的这些参数的差异在应用初期对电压均分影响较小，但是在使用的中后期，随着参数的离散型越大，对超级电容器的电压均分的影响会越来越大，最终导致超级电容器的寿命急剧缩短。
4.为了降低系统中超级电容单体电压之间的差异，在超级电容串并联规模较大的工程应用中，通常有一套管理系统用以监测各个超级电容单体的电压，并对超级电容单体电压进行均衡控制。
5.然而，现有的超级电容管理系统中的单体电压均衡控制策略比较简单，效率比较低，控制效率不佳，难以满足用户需求。
6.为此，本技术人经过有益的探索和研究，找到了解决上述问题的方法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题之一在于：针对现有技术的不足而提供一种提高系统运行效率的超级电容单体电压均衡控制方法。
8.本发明所要解决的技术问题之二在于：提供一种实现上述超级电容单体电压均衡控制方法的装置。
9.作为本发明第一方面的一种超级电容单体电压均衡控制方法，包括以下步骤：
10.步骤s10，通过主控制器读取均衡单体个数n设定值，并对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理；
11.步骤s20，通过主控制器根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列；
12.步骤s30，通过主控制器读取单体电压数据序列的第n个电压值，并赋值到均衡电压值；
13.步骤s40，通过主控制器向子控制器周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文；
14.步骤s50，通过子控制器接收均衡命令报文，并对均衡命令报文进行解析处理，解析出均衡电压值；
15.步骤s60，通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。
16.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s10中，所述对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理，具体为当均衡单体个数n设定值大于等于1且小于等于系统所连接超级电容单体总个数时，则判定为合法值，否则为非法值。
17.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s60中，所述通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，具体内容为：当超级电容单体的电压测量值大于均衡电压值时，控制单体均衡放电电路打开进行放电；当超级电容单体的电压测量值小于或等于均衡电压值时，控制单体均衡放电电路关闭。
18.在本发明的一个优选实施例中，还包括以下步骤：
19.当主控制器与子控制器之间的通信出现异常情况时，通过子控制器自动关闭单体均衡放电电路。
20.在本发明的一个优选实施例中，还包括以下步骤：
21.当主控制器内的温度监测值超过设定阈值时，通过子控制器自动关闭单体均衡放电电路。
22.作为本发明第二方面的一种实现上述超级电容单体电压均衡控制方法的装置，包括一个主控制器以及若干个子控制器，所述主控制器通过通信总线分别与每一个子控制器连接，每一个子控制器分别与对应的超级电容模组连接；还包括：
23.读取校验模块，所述读取校验模块用于通过主控制器读取均衡单体个数n设定值，并对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理；
24.数据序列生成模块，所述数据序列生成模块用于通过主控制器根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列；
25.读取赋值模块，所述读取赋值模块用于通过主控制器读取单体电压数据序列的第n个电压值，并赋值到均衡电压值；
26.报文发送模块，所述报文发送模块用于通过主控制器向子控制器周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文；
27.报文解析模块，所述报文解析模块用于通过子控制器接收均衡命令报文，并对均衡命令报文进行解析处理，解析出均衡电压值；以及
28.均衡放电控制模块，所述均衡放电控制模块用于通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。
29.在本发明的一个优选实施例中，所述主控制器包括第一cpu单元以及分别与所述第一cpu单元连接的数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、pwm输出单元、子控制器连接单元、rs232通信单元、rs485通信单元、以太网通信单元、can通信单元、实时时钟单元和第一电源单元，所述主控制器通过所述子控制器连接单元分别与每一个子控制器连接，所述第一电源单元为所述主控制器中其他单元提供工作电压。
30.在本发明的一个优选实施例中，每一个子控制器包括第二cpu单元以及分别与所述第二cpu单元连接的主控制器连接单元、单体电压测量单元、单体均衡放电电路和第二电源单元，所述子控制器通过所述主控制器连接单元与所述主控制器的子控制器连接单元连接，所述单体电压测量电路用于对相应的超级电容模组内的每一个超级电容单体的电压和温度进行测量，所述单体均衡放电电路用于对相应的超级电容模组内的每一个超级电容单体进行均衡放电处理，所述第二电源单元为所述子控制器中其他单元提供工作电压。
31.在本发明的一个优选实施例中，所述单体均衡放电电路由若干与相应的超级电容模组中的若干超级电容单体呈一一对应关系的单体均衡放电电路单元构成，每一单体均衡放电电路单元包括第一、第二、第三电阻、发光二极管、稳压二极管以及电力场效应晶体管，所述第一电阻的一端与所述子控制器中的第二cpu单元的控制信号端连接，其另一端与所述稳压二极管的正极和所述电力场效应晶体管的栅极并接，所述稳压二极管的负极和所述电力场效应晶体管的源极与相应的超级电容单体的一端连接，所述电力场效应晶体管的漏极与所述第二电阻的一端、第三电阻的一端并接，所述第二电阻的另一端与所述发光二极管的正极连接，所述发光二极管的负极和第三电阻的另一端与相应的超级电容单体的另一端并接。
32.由于采用了如上技术方案，本发明的有益效果在于：本发明可快速、高效地对超级电容系统内的超级电容单体的电压进行均衡控制，有效地提升了系统运行效率。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明的超级电容单体电压均衡控制方法的流程图。
35.图2是本发明的超级电容单体电压均衡控制装置的结构示意图。
36.图3是本发明的主控制器的结构示意图。
37.图4是本发明的子控制器的结构示意图。
38.图5是本发明的单体均衡放电电路的结构示意图。
具体实施方式
39.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
40.参见图1，图中给出的是一种超级电容单体电压均衡控制方法，包括以下步骤：
41.步骤s10，通过主控制器读取均衡单体个数n设定值，并对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理；范围校验处理具体为当均衡单体个数n设定值大于等于1且小于等于系统所连接超级电容单体总个数时，则判定为合法值，则继续执行步骤s20；否则为非法值，则不向下执行；
42.步骤s20，通过主控制器根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列；
43.步骤s30，通过主控制器读取单体电压数据序列的第n个电压值，并赋值到均衡电压值；此时，均衡电压值则为整个系统中第n高的单体电压值；
44.步骤s40，通过主控制器向子控制器周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文；
45.步骤s50，通过子控制器接收均衡命令报文，并对均衡命令报文进行解析处理，解析出均衡电压值；
46.步骤s60，通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。
47.本发明可快速、高效地对超级电容系统内的超级电容单体的电压进行均衡控制，有效地提升了系统运行效率。
48.在步骤s60中，通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，具体内容为：当超级电容单体的电压测量值大于均衡电压值时，控制单体均衡放电电路打开进行放电；当超级电容单体的电压测量值小于或等于均衡电压值时，控制单体均衡放电电路关闭。
49.本发明的超级电容单体电压均衡控制方法具有通信异常保护机制，当主控制器与子控制器之间的通信出现异常情况时，通过子控制器自动关闭单体均衡放电电路，提高了控制安全性能。
50.本发明的超级电容单体电压均衡控制方法具有过温保护机制，当主控制器内的温度监测值超过设定阈值时，通过子控制器自动关闭单体均衡放电电路，提高了控制安全性能。
51.参见图2，图中给出的是一种超级电容单体电压均衡控制装置，包括一个主控制器100以及若干个子控制器200，主控制器100通过通信总线10分别与每一个子控制器200连接，每一个子控制器200分别与对应的超级电容模组300连接。该装置还包括读取校验模块400、数据序列生成模块500、读取赋值模块600、报文发送模块700、报文解析模块800以及均衡放电控制模块900。
52.读取校验模块400用于通过主控制器100读取均衡单体个数n设定值，并对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理。数据序列生成模块500用于通过主控制器100根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列。读取赋值模块600用于通过主控制器100读取单体电压数据序列的第n个电压值，并赋值到均衡电压值。报文发送模块700用于通过主控制器100向子控制器200周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文。报文解析模块800用于通过子控制器200接收均衡命令报文，并对均衡命令报文进行解析处理，解析出均衡电压值。均衡放电控制模块900用于通过子控制器200根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。
53.参见图3，主控制器100包括cpu单元101以及分别与cpu单元101连接的数字量输入单元102、数字量输出单元103、模拟量输入单元104、模拟量输出单元105、pwm输出单元106、子控制器连接单元107、rs232通信单元108、rs485通信单元109、以太网通信单元110、can通信单元111、实时时钟单元112和电源单元113。主控制器100通过子控制器连接单元107分别与每一个子控制器200连接，实现主控制器100和子控制器200的数据交互和均衡指令的传输，同时主控制器100可通过其通信接口对子控制器的执行参数及模式进行配置。电源单元
113为主控制器100中其他单元提供工作电压。
54.参见图4，每一个子控制器200包括cpu单元210以及分别与cpu单元210连接的主控制器连接单元220、单体电压测量单元230、单体均衡放电电路240和电源单元250。子控制器200通过主控制器连接单元220与主控制器100的子控制器连接单元107连接，单体电压测量电路230用于对相应的超级电容模组300内的每一个超级电容单体的电压和温度进行测量，单体均衡放电电路240用于对相应的超级电容模组内的每一个超级电容单体进行均衡放电处理，电源单元250为子控制器200中其他单元提供工作电压。
55.参见图5，单体均衡放电电路250由若干与相应的超级电容模组中的若干超级电容单体呈一一对应关系的单体均衡放电电路单元251构成。每一单体均衡放电电路单元251包括电阻r1、r2、r3、发光二极管d1、稳压二极管d2以及电力场效应晶体管q。电阻r1的一端与子控制器200中的cpu单元210的控制信号端连接，用于接收均衡控制信号，其另一端与稳压二极管d2的正极和电力场效应晶体管q的栅极并接，稳压二极管d2的负极和电力场效应晶体管q的源极与相应的超级电容单体cell的一端连接，电力场效应晶体管q的漏极与电阻r2的一端、电阻r3的一端并接，电阻r2的另一端与发光二极管d1的正极连接，发光二极管d1的负极和电阻r3的另一端与相应的超级电容单体cell的另一端并接。在本实施例中，电力场效应晶体管q优选地采用绝缘栅增强型p-mqs。
56.当与电阻r1所连接的均衡控制信号(n)为逻辑低电平时，电力场效应晶体管q导通，其所对应的超级电容单体cell(n)通过电阻r3进行放电，同时，发光二极管d1被点亮；当与电阻r1所连接的均衡控制信号(n)为逻辑高电平时，电力场效应晶体管q截止关闭，其所对应的超级电容单体cell(n)不再通过电阻r3进行放电，同时，发光二极管d1熄灭。
57.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种超级电容单体电压均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s10，通过主控制器读取均衡单体个数n设定值，并对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理；步骤s20，通过主控制器根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列；步骤s30，通过主控制器读取单体电压数据序列的第n个电压值，并赋值到均衡电压值；步骤s40，通过主控制器向子控制器周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文；步骤s50，通过子控制器接收均衡命令报文，并对均衡命令报文进行解析处理，解析出均衡电压值；步骤s60，通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。2.如权利要求1所述的超级电容单体电压均衡控制方法，其特征在于，在步骤s10中，所述对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理，具体为当均衡单体个数n设定值大于等于1且小于等于系统所连接超级电容单体总个数时，则判定为合法值，否则为非法值。3.如权利要求1所述的超级电容单体电压均衡控制方法，其特征在于，在步骤s60中，所述通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，具体内容为：当超级电容单体的电压测量值大于均衡电压值时，控制单体均衡放电电路打开进行放电；当超级电容单体的电压测量值小于或等于均衡电压值时，控制单体均衡放电电路关闭。4.如权利要求1所述的超级电容单体电压均衡控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：当主控制器与子控制器之间的通信出现异常情况时，通过子控制器自动关闭单体均衡放电电路。5.如权利要求1所述的超级电容单体电压均衡控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：当主控制器内的温度监测值超过设定阈值时，通过子控制器自动关闭单体均衡放电电路。6.一种超级电容单体电压均衡控制装置，包括一个主控制器以及若干个子控制器，所述主控制器通过通信总线分别与每一个子控制器连接，每一个子控制器分别与对应的超级电容模组连接；其特征在于，还包括：读取校验模块，所述读取校验模块用于通过主控制器读取均衡单体个数n设定值，并对均衡单体个数n设定值进行范围校验处理；数据序列生成模块，所述数据序列生成模块用于通过主控制器根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列；读取赋值模块，所述读取赋值模块用于通过主控制器读取单体电压数据序列的第n个电压值，并赋值到均衡电压值；报文发送模块，所述报文发送模块用于通过主控制器向子控制器周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文；
报文解析模块，所述报文解析模块用于通过子控制器接收均衡命令报文，并对均衡命令报文进行解析处理，解析出均衡电压值；以及均衡放电控制模块，所述均衡放电控制模块用于通过子控制器根据均衡电压值和当前其所连接的超级电容单体的电压测量值对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。7.如权利要求6所述的超级电容单体电压均衡控制装置，其特征在于，所述主控制器包括第一cpu单元以及分别与所述第一cpu单元连接的数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、pwm输出单元、子控制器连接单元、rs232通信单元、rs485通信单元、以太网通信单元、can通信单元、实时时钟单元和第一电源单元，所述主控制器通过所述子控制器连接单元分别与每一个子控制器连接，所述第一电源单元为所述主控制器中其他单元提供工作电压。8.如权利要求7所述的超级电容单体电压均衡控制装置，其特征在于，每一个子控制器包括第二cpu单元以及分别与所述第二cpu单元连接的主控制器连接单元、单体电压测量单元、单体均衡放电电路和第二电源单元，所述子控制器通过所述主控制器连接单元与所述主控制器的子控制器连接单元连接，所述单体电压测量电路用于对相应的超级电容模组内的每一个超级电容单体的电压和温度进行测量，所述单体均衡放电电路用于对相应的超级电容模组内的每一个超级电容单体进行均衡放电处理，所述第二电源单元为所述子控制器中其他单元提供工作电压。9.如权利要求8所述的超级电容单体电压均衡控制装置，其特征在于，所述单体均衡放电电路由若干与相应的超级电容模组中的若干超级电容单体呈一一对应关系的单体均衡放电电路单元构成，每一单体均衡放电电路单元包括第一、第二、第三电阻、发光二极管、稳压二极管以及电力场效应晶体管，所述第一电阻的一端与所述子控制器中的第二cpu单元的控制信号端连接，其另一端与所述稳压二极管的正极和所述电力场效应晶体管的栅极并接，所述稳压二极管的负极和所述电力场效应晶体管的源极与相应的超级电容单体的一端连接，所述电力场效应晶体管的漏极与所述第二电阻的一端、第三电阻的一端并接，所述第二电阻的另一端与所述发光二极管的正极连接，所述发光二极管的负极和第三电阻的另一端与相应的超级电容单体的另一端并接。

技术总结
本发明公开的一种超级电容单体电压均衡控制方法，包括以下步骤：1.通过主控制器读取均衡单体个数N设定值，并进行范围校验处理；2.通过主控制器根据范围校验结果对整个系统所有的超级电容单体的电压测量值按照从高至低的顺序进行排序，形成单体电压数据序列；3.通过主控制器读取单体电压数据序列的第N个电压值，并赋值到均衡电压值；4.通过主控制器向子控制器周期性下发包含均衡电压值的均衡命令报文；5.通过子控制器对均衡命令报文解析出均衡电压值；6.通过子控制器对单体均衡放电电路进行控制，实现电压均衡控制功能。还公开了一种实现上述超级电容单体电压均衡控制方法的装置。本发明有效地提升了系统运行效率。本发明有效地提升了系统运行效率。本发明有效地提升了系统运行效率。


技术研发人员：侯金华 王东东 雷新宇
受保护的技术使用者：上海镐喆电子科技有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/10/7