[发明专利]一种串联锂离子电容器系统的主动均衡装置及方法

说明书

本发明涉及一种串联锂离子电容器系统的主动均衡装置及方法，该装置包括二级模块均衡电路以及与二级模块均衡电路连接用以调节均衡电流的模糊控制器，每个二级模块均衡电路内包括多个相互独立的一级电容单体均衡电路，与现有技术相比，本发明具有独立二级均衡、提高均衡精度等优点。

技术领域

本发明涉及电力电子控制领域，尤其是涉及一种串联锂离子电容器系统的主动均衡装置及方法。

背景技术

锂离子电容器是一种典型的非对称电容器，与传统电容器相比，锂离子电容器在能量密度、功率密度等各方面已经得到很大提升，具有非常广阔的发展前景，可以应用于汽车、备用电源、轨道、可再生能源发电与储存、自动导引运输车(AGV)、不间断电源等多领域。在实际应用中，单个锂离子电容器的电压和容量并不能满足系统的工作需要，因此需要以一定的串并联形式使用。由于实际工艺条件的限制，锂离子电容器的不一致性难以避免。在电容器单体的制作过程中，由于制作工艺等方面的原因，造成了即使是同一批次的电容器单体都会出现明显的容量、内阻等方面的差异。同时在电容器的使用过程中，电容单体自放电率的不同、使用环境的差异等，也都会导致电容单体的容量等出现不平衡。为了充分利用电容器能量，延长电容器使用寿命，在使用过程中必须对电容器组进行均衡管理，使各单体电容器基本上同时放空、同时充满，达到各单体电容的剩余能量趋于一致。

现有的均衡技术主要分为能量耗散型(被动均衡)和非能量耗散型(主动均衡)。能量耗散型是通过并联电阻来实现的，此方法结构简单对控制系统要求低，但是能量浪费严重，且耗能电阻发热会对电容器组造成不利影响，均衡电流大小也会受到限制。非能量耗散型方法中主要包括开关电容型，变压器型，变换器型。电容型开关阵列复杂，均衡速度慢，变压器型的成本高、体积大、效率低、系统变更困难。传统的变换器型以Buck、Boost、Buck-Boost或者Cuk变换器等成熟的变换器电路为基础构建均衡电路，能量只能在相邻电池单体间传递，若待均衡单体位置不相邻，则会加长均衡时间，降低均衡效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种串联锂离子电容器系统的主动均衡装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种串联锂离子电容器系统的主动均衡装置，该装置包括二级模块均衡电路以及与二级模块均衡电路连接用以调节均衡电流的模糊控制器，每个二级模块均衡电路内包括多个相互独立的一级电容单体均衡电路。

在每个一级电容单体均衡电路中包括多个串联的电容单体，每两个相邻的电容单体间通过一级Buck-Boost均衡电路结构实现电容单体间的均衡，即单体均衡。

对于每两个相邻的电容单体，所述的一级Buck-Boost均衡电路由第一MOS管、第二MOS管、第一单体二极管、第二单体二极管、电感和电阻构成，所述的第一MOS管、电感、电阻、第一单体二极管与第一电容单体构成第一回路，第二MOS管、电感、电阻、第二单体二极管和第二电容单体构成第二回路，第一回路和第二回路共用电感。

将每个一级电容单体均衡电路视作一个电容单体，二级模块均衡电路通过二级Buck-Boost均衡电路结构实现一级电容单体均衡电路间的均衡，即模块间的均衡。

所述的模糊控制器包括依次连接的输入输出变量确定模块、精准量的模糊化模块、模糊规则集建立模块和输出量反模糊化模块。

一种串联锂离子电容器系统的主动均衡方法，包括以下步骤：

1)连接整个电容器串联系统并上电；

2)通过电流、电压传感器获得每个电容单体的电压以及电流参数，并通过安时积分法估计出电容单体的起始剩余电量SOC，具体计算公式为：