CN106783194A - 一种超级电容器主被动混合均衡系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超级电容器主被动混合均衡系统，其中的储能电源包括第一预设数量的模组，每个所述模组内包括串联的第二预设数量的超级电容器，相邻的两个超级电容器的共用端和各自的非共用端共同连接至第一电压均衡模块，第一电压均衡模块用于比较与其连接的两个超级电容器的电压并将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，每个模组均连接有第二电压均衡模块，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行降压。上述系统能够有效的结合主动均衡技术与被动均衡技术，取长补短，提高超级电容器均衡系统的可靠性和安全性，而且能提高超级电容器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通设备技术领域，特别是涉及一种超级电容器主被动混合均衡系统。
背景技术
超级电容器是一种新型的储能器件，利用多孔材料的高比表面积特性和电解液离子极化形成的双电层来存储电能，具有大容量、大功率、寿命长、绿色节能等优点。目前，超级电容器产品已应用于轨道交通、混合动力汽车、风力发电、太阳能发电、军工、智能电网、工业UPS等领域。由于超级电容器单体额定电压一般小于3V，因而通常由多支超级电容器通过串、并联的方式构成储能装置，来满足储存能量和电压等级的需求。但是，超级电容器内部参数不一致，导致单体间电压不一致，进而影响超级电容器的使用，因此，超级电容器电压均衡技术对于超级电容器的应用是十分必要和关键的。
目前，工程上应用较多的是以开关电阻法为代表的被动均衡技术或者是以DC/DC变换器法为代表的主控均衡技术，上述两种均衡技术单一运用均存在一定问题：被动均衡技术发热量大，能量利用率低、存在安全隐患，同时因为热量大导致环境温度升高，进而影响超级电容使用寿命；主动均衡技术实现复杂，对均衡系统的可靠性要求高，同时成本高。在超级电容器大规模串并联应用场合，例如城市轨道交通领域，上述问题会更加突出。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种超级电容器主被动混合均衡系统，能够有效的结合主动均衡技术与被动均衡技术，取长补短，提高超级电容器均衡系统的可靠性和安全性，而且能提高超级电容器的使用寿命。
本发明提供的一种超级电容器主被动混合均衡系统，其中的储能电源包括第一预设数量的模组，每个所述模组内包括串联的第二预设数量的超级电容器，相邻的两个超级电容器的共用端和各自的非共用端共同连接至第一电压均衡模块，所述第一电压均衡模块用于比较与其连接的两个超级电容器的电压并将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，每个所述模组均连接有第二电压均衡模块，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行降压。
优选的，在上述超级电容器主被动混合均衡系统中，
所述第一电压均衡模块包括第一端与所述相邻的两个超级电容器的共用端连接的电感、第一端分别与两个超级电容器的非共用端连接的第一开关和第二开关，所述第一开关的第二端和所述第二开关的第二端共同连接至所述电感的第二端，当两个超级电容器的电压差大于第一预设阈值时，分别导通所述第一开关和所述第二开关，将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，直到两个超级电容器的电压差小于第二预设阈值。
优选的，在上述超级电容器主被动混合均衡系统中，
所述第二电压均衡模块中包括功率电阻，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行放电并以热量形式消耗掉多余的能量，直至与其连接的模组的电压与其他模组的电压差小于第三预设阈值。
优选的，在上述超级电容器主被动混合均衡系统中，
所述第一开关和所述第二开关均为具有N沟道的MOS管。
优选的，在上述超级电容器主被动混合均衡系统中，
所述功率电阻用于以不大于2A的电流进行放电，以热量形式消耗掉多余的能量。
优选的，在上述超级电容器主被动混合均衡系统中，
所述第一预设阈值为80毫伏。
优选的，在上述超级电容器主被动混合均衡系统中，
所述第二预设阈值为50毫伏。
通过上述描述可知，本发明提供的上述超级电容器主被动混合均衡系统，由于相邻的两个超级电容器的共用端和各自的非共用端共同连接至第一电压均衡模块，所述第一电压均衡模块用于比较与其连接的两个超级电容器的电压并将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，每个所述模组均连接有第二电压均衡模块，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行降压，因此能够有效的结合主动均衡技术与被动均衡技术，取长补短，提高超级电容器均衡系统的可靠性和安全性，而且能提高超级电容器的使用寿命。
附图说明
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种超级电容器主被动混合均衡系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的第二种超级电容器主被动混合均衡系统中的第一电压均衡模块的示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种超级电容器主被动混合均衡系统，能够有效的结合主动均衡技术与被动均衡技术，取长补短，提高超级电容器均衡系统的可靠性和安全性，而且能提高超级电容器的使用寿命。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供的第一种超级电容器主被动混合均衡系统如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种超级电容器主被动混合均衡系统的示意图，其中的储能电源包括第一预设数量的模组1，每个所述模组1内包括串联的第二预设数量的超级电容器2，相邻的两个超级电容器2的共用端和各自的非共用端共同连接至第一电压均衡模块3，所述第一电压均衡模块3用于比较与其连接的两个超级电容器2的电压并将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，每个所述模组1均连接有第二电压均衡模块4，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行降压。
以储能式现代有轨电车储能电源为例，储能电源共由2并344串(共688个)超级电容器构成，每2并8串构成一个模组，共43个模组，当然此处并不局限于这种例子，还可以根据实际情况对这些数量进行调整。利用第一电压均衡模块实现模组内均衡，利用第二电压均衡模块实现模组间均衡，正是由于二者相结合，才会使得膜组内的主动均衡成本较低，容易实现，模组间均衡也不会产生大电流，以避免产生大量的热量，从而将被动均衡技术存在的问题降至最低。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种超级电容器主被动混合均衡系统，由于相邻的两个超级电容器的共用端和各自的非共用端共同连接至第一电压均衡模块，所述第一电压均衡模块用于比较与其连接的两个超级电容器的电压并将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，每个所述模组均连接有第二电压均衡模块，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行降压，因此能够有效的结合主动均衡技术与被动均衡技术，取长补短，提高超级电容器均衡系统的可靠性和安全性，而且能提高超级电容器的使用寿命。
本申请实施例提供的第二种超级电容器主被动混合均衡系统，是在上述第一种超级电容器主被动混合均衡系统的基础上，还包括如下技术特征：
所述第一电压均衡模块包括第一端与所述相邻的两个超级电容器的共用端连接的电感、第一端分别与两个超级电容器的非共用端连接的第一开关和第二开关，所述第一开关的第二端和所述第二开关的第二端共同连接至所述电感的第二端，当两个超级电容器的电压差大于第一预设阈值时，分别导通所述第一开关和所述第二开关，将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，直到两个超级电容器的电压差小于第二预设阈值。
具体的，参考图2，图2为本申请实施例提供的第二种超级电容器主被动混合均衡系统中的第一电压均衡模块的示意图。假定电容C1电压大于电容C2电压，且压差大于第一预设阈值(开启值，可以根据应用要求设定)时，Q1导通，C1部分能量转移至电感L，之后Q1断开，Q2导通，电感L能量转移至C2中，如此反复，直至电容压差小于第二预设阈值(关闭值，可以根据应用要求设定)，反之亦然，由7个第一电压均衡模块实现模组内8个超级电容器间的电压均衡，该第一电压均衡模块可以是DC/DC模块，控制算法简单可靠。
本申请实施例提供的第三种超级电容器主被动混合均衡系统，是在上述第一种超级电容器主被动混合均衡系统的基础上，还包括如下技术特征：
所述第二电压均衡模块中包括功率电阻，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行放电并以热量形式消耗掉多余的能量，直至与其连接的模组的电压与其他模组的电压差小于第三预设阈值。
具体的，当某个模组电压较大时就闭合与其对应开关进行放电，以实现模组间电压均衡，实现简单，均衡效果好。
本申请实施例提供的第四种超级电容器主被动混合均衡系统，是在上述第二种超级电容器主被动混合均衡系统的基础上，还包括如下技术特征：
所述第一开关和所述第二开关均为具有N沟道的MOS管。
本申请实施例提供的第五种超级电容器主被动混合均衡系统，是在上述第三种超级电容器主被动混合均衡系统的基础上，还包括如下技术特征：
所述功率电阻用于以不大于2A的电流进行放电，以热量形式消耗掉多余的能量。
在这种情况下，就能够在释放较少的热量的基础上实现模组间均衡，提高安全性。
本申请实施例提供的第六种超级电容器主被动混合均衡系统，是在上述第二种超级电容器主被动混合均衡系统的基础上，还包括如下技术特征：
所述第一预设阈值为80毫伏。
也就是说，当相邻的两个超级电容器的电压差异超过80mV时，则开启均衡，该值可以根据具体应用场合进行适应性调节，此处并不限制。
本申请实施例提供的第七种超级电容器主被动混合均衡系统，是在上述第二种超级电容器主被动混合均衡系统的基础上，还包括如下技术特征：
所述第二预设阈值为50毫伏。
也就是说，当相邻的两个超级电容器的电压差异小于50mV时，关闭均衡，该值可以根据具体应用场合进行适应性调节，此处并不限制。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种超级电容器主被动混合均衡系统，其中的储能电源包括第一预设数量的模组，每个所述模组内包括串联的第二预设数量的超级电容器，其特征在于，相邻的两个超级电容器的共用端和各自的非共用端共同连接至第一电压均衡模块，所述第一电压均衡模块用于比较与其连接的两个超级电容器的电压并将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，每个所述模组均连接有第二电压均衡模块，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行降压。
2.根据权利要求1所述的超级电容器主被动混合均衡系统，其特征在于，
所述第一电压均衡模块包括第一端与所述相邻的两个超级电容器的共用端连接的电感、第一端分别与两个超级电容器的非共用端连接的第一开关和第二开关，所述第一开关的第二端和所述第二开关的第二端共同连接至所述电感的第二端，当两个超级电容器的电压差大于第一预设阈值时，分别导通所述第一开关和所述第二开关，将电量从电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，直到两个超级电容器的电压差小于第二预设阈值。
3.根据权利要求1所述的超级电容器主被动混合均衡系统，其特征在于，
所述第二电压均衡模块中包括功率电阻，用于当与其连接的模组的电压高于其他模组时进行放电并以热量形式消耗掉多余的能量，直至与其连接的模组的电压与其他模组的电压差小于第三预设阈值。
4.根据权利要求2所述的超级电容器主被动混合均衡系统，其特征在于，
所述第一开关和所述第二开关均为具有N沟道的MOS管。
5.根据权利要求3所述的超级电容器主被动混合均衡系统，其特征在于，
所述功率电阻用于以不大于2A的电流进行放电，以热量形式消耗掉多余的能量。
6.根据权利要求2所述的超级电容器主被动混合均衡系统，其特征在于，
所述第一预设阈值为80毫伏。
7.根据权利要求2所述的超级电容器主被动混合均衡系统，其特征在于，
所述第二预设阈值为50毫伏。
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