一种超级电容器模块开关电阻式电压均衡方法
【专利摘要】本发明涉及一种超级电容器模块开关电阻式电压均衡方法，超级电容器模块由N只超级电容器串联组成，在电容器模块以恒定电流I进行充电的过程中，第i个超级电容器的电压上升的最快，当电压检测单元Mi检测出超级电容器Ei的电压Ui超过参考电压UR时，电压比较器CPi翻转输出高电平，驱动开关Si导通，从而使超级电容器Ei经过电阻Ri、开关Si形成放电回路，此时Ri上的放电电流大小Ipi＝Ui/R，超级电容器Ei上的充电电流减小为I-Ipi。在1000w的光伏发电用超级电容器储能系统中，采用该方法设计超级电容器电压均衡模块具有较高的实用价值。
【专利说明】一种超级电容器模块开关电阻式电压均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电容器的充放电技术，具体是一种超级电容器模块开关电阻式电压均 衡方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在独立光伏系统中，一般以铅酸蓄电池作为系统储能器件，但蓄电池自身 并不完善，存在一些缺点，如环境污染、循环寿命短、充电状态判断困难、对环境温度要求 高、维护量较大及不适用于脉动负载等，制约了独立光伏系统的大规模发展。
[0003] 超级电容器是利用双电层原理直接储存电能的新型储能元件，其容量可达数万 法拉，能量密度显著高于传统的静电电容器，而功率密度却保持静电电容器的优点。此 夕卜，超级电容器还具有循环寿命长、工作温度范围宽、环境友好等优点。采用超级电容器作 为独立光伏系统的储能装置，不仅能够较好地解决蓄电池的一些问题，而且可以进一步改 善光伏输出的电能质量，提高系统的电压和频率的稳定性。但是超级电容器也有不足的地 方，单体电压低，容量参数分散，这使得在采用多个超级电容器串并联组合构成超级电容 器储能模块时，必须使用超级电容器模块电压均衡电路才能保护模块的安全和正常工作。
[0004] 开关电阻法是目前应用较多的一种超级电容器电压均衡方法，具有电路简单、成 本低、可靠性高的特点。但是目前在开关电阻式电压均衡装置的设计中，一般都忽略了电 压均衡装置在充电过程中的损耗问题，电阻功率大会发热严重，增大装置体积，降低储能 系统的效率；而电阻功率太小，电压均衡能力差，又不能保障储能系统的可靠正常工作。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术的不足，本发明提供了一种超级电容器模块开关电阻式电压均衡 方法，它能使电压均衡模块在保障超级电容器模块可靠工作的同时，将电压均衡的损耗 降到最低。在1000W的光伏发电用超级电容器储能系统中，采用该方法设计了超级电容器 电压均衡模块具有较高的实用价值。
[0006] 本发明一种超级电容器模块开关电阻式电压均衡方法，超级电容器模块由N只超 级电容器串联组成，每个超级电容器（E)侧都有一个对应的电压检测单元（M)、电压比较器 (CP)、开关（S)、电阻（R)，在电容器模块以恒定电流I进行充电的过程中，第i个超级电 容器的电压上升的最快，当电压检测单元仏检测出超级电容器Ei的电压仏超过参考电压 仏时，电压比较器0? 1翻转输出高电平，驱动开关Si导通，从而使超级电容器Ei经过电 阻氏、开关Si形成放电回路，此时氏上的放电电流大小I pi = A/R，超级电容器Ei上的充 电电流减小为I_Ipi，所以超级电容器Ei的电压上升速度变慢，而其他串联的超级电容器 会继续以电流I充电，随后将有其他的超级电容器电压陆续超过仏，当超级电容器组的两 端总电压U Md达到最高充电电压U。时，充电过程结束。
[0007] 用超级电容器Ei的充电时间表达式来表示超级电容模块充电时间T，并按照不同 的阶段分为和T 2两部分，表示Ei的电压从零充到UK需要的时间，T2表示电压从UK充 到队时需要的时间，则vt2、t的表达式为
【权利要求】
1. 一种超级电容器模块开关电阻式电压均衡方法，其特征在于：超级电容器模块由N 只超级电容器串联组成，每个超级电容器（E)侧都有一个对应的电压检测单元（M)、电压比 较器（CP)、开关（S)、电阻（R)，在电容器模块以恒定电流I进行充电的过程中，第i个超 级电容器的电压上升的最快，当电压检测单元％检测出超级电容器Ei的电压仏超过参考 电压仏时，电压比较器0?1翻转输出高电平，驱动开关Si导通，从而使超级电容器 过电阻氏、开关Si形成放电回路，此时氏上的放电电流大小Ipi =A/R，超级电容器Ei上 的充电电流减小为I_Ipi，所以超级电容器Ei的电压上升速度变慢，而其他串联的超级电 容器会继续以电流I充电，随后将有其他的超级电容器电压陆续超过％，当超级电容器组 的两端总电压UMd达到最高充电电压U。时，充电过程结束。
2. 根据权利要求1所述的超级电容器模块开关电阻式电压均衡方法，其特征在于：用 超级电容器Ei的充电时间表达式来表示超级电容模块充电时间T，并按照不同的阶段分为 和T2两部分，表示Ei的电压从零充到UK需要的时间，T2表示电压从UK充到队时需要 的时间，则I\、T2、T的表达式为
在充电过程中，B组超级电容电压均衡模块充电损耗为零，充电电流始终为I;A组超级 电容器Ei在充电后期，充电电流减小为1= (I-a)I，损耗的功率为电压大 于参考电压UK的时间为
当串联的只数足够多时，可以认为A组中电容器EM的电压UM和参考电压UK近似相等， 即EM =UM，于是将UM、T代入公式
可得超级电容器EM的容量
根据N只超级电容器的容量均匀分布在[QCJ内，则可以推出A组超级电容器的数量
将式⑶代入式⑷得到超级电容器A组和B组的电容数量表达式为
根据式（1)、式（2)可得A组和B组超级电容器在充电结束时的工作电压分别如式（6) 和式（7)所示
超级电容器组的两端总电压等于A组和B组超级电容器电压的总和
由于超级电容器的容量Q为数千法拉，在此范围内1/Q可以近似为线性函数，因而线 性化后，
等于
代入式（8)可得模块端电压的表达式为
均衡电路的充电损耗Q等于A组超级电容器消耗在电阻R上的能量
将超级电容器电压均衡模块的充电顺好能量Q作为目标函数，取参考电压UK、电阻分流 比例a作为设计变量则 X= [UE,a]T = [xj,x2]t 将其代入式（11)则目标函数为
【文档编号】H02J7/00GK104410115SQ201410655482
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】熊庆华, 史永凯 申请人:柳州市金旭节能科技有限公司