[发明专利]一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置

说明书

本发明公开了一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置，其中的超级电容拓扑结构包括包括m个依次串接的串联支路，每个串联支路包括n个相互并接的并联支路和并接于并联支路上的并联开关，每个并联支路由1个超级电容模块和1个串联开关串接构成。在使用该拓扑结构所构成的储能系统为外部装置充放电之前，根据外部装置的额定电压和额定电流计算所需的并联支路数量和串联支路数量，再通过串联开关和并联开关实现拓扑结构重构，为外部装置输入/输出最匹配的功率从而提高能量利用效率。

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置。

背景技术

超级电容，又称为双电层电容器，是一种绿色无污染的新型储能元件，和锂电池相比，它具有充放电效率高、循环寿命长、功率密度大、宽温度工作范围等优点。从能量密度角度来看，它们常作为锂电池和燃料电池等主要储能元件的补充，以满足负载变化需求。就其使用寿命而言，它们也很有吸引力，可以替代传统的锂离子二次电池。由于超级电容单体电压较低，充满电的状态下电压不超过3.0V，因此需要将多个超级电容串联起来以满足更高的电压要求。同时，为了提高功率密度，常常将多个超级电容并联起来作为一个超级电容模组。

由于制造过程中的限制(例如电容，内阻，自放电速率和环境条件)导致每个超级电容单体特性不同，因此，超级电容在串联时会常常出现单体间电压不均衡现象。电压高的超级电容比电压低的超级电容老化速度更快，如果电压不均衡不加以控制的话，超级电容必然会出现过充与过放现象，因此，研究如何减小超级电容单体间电压不平衡，以延长它的循环寿命和最大限度地提高能量利用率显得尤为重要。

超级电容电压均衡电路主要分为能量消耗型(被动式)和能量转移型(主动式)两大类。能量消耗型电压均衡电路一般在超级电容单体上并联电阻等耗能型元件来消耗掉多余的能量，这类电路通过热量散失的方式实现电压均衡目的，这种方法优点是电路结构简单、成本低，缺点是能量利用率低；能量转移型电压均衡电路则是将电压较高的超级电容单体中的能量通过电容或者电感等储能型元件转移到电压较低的超级电容单体中，相比能量消耗型均衡电路，这类电路发热小、能量利用率高，更符合现在绿色、低碳、环保理念，其缺点是电路结构复杂、设计成本较高。

然而，主动式均衡电路与被动式均衡电路都是采用固定的拓扑，当最弱的单体达到其EoL(end-of-life)时，整个超级电容模组都会失效，这大大降低了超级电容储能系统的寿命，因此需要一种灵活的拓扑来克服这种缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置，可根据外部环境的需要来设计串联支路数量和并联支路数量，从而实现提高能量利用效率的目的。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种超级电容拓扑结构，包括m个依次串接的串联支路，每个串联支路包括n个相互并接的并联支路和并接于并联支路上的并联开关，每个并联支路由1个超级电容模块和1个串联开关串接构成。

在更优的技术方案中，所述超级电容模块为超级电容单体或由超级电容单体按任意拓扑结构构成的超级电容模组。

在更优的技术方案中，在每个串联支路中，当并联开关导通时，所有n个串联开关均断开。

在更优的技术方案中，所述串联开关和并联开关均采用功率MOSFET。

本发明还提供一种用于上述技术方案中所述超级电容拓扑结构的充放电控制装置，包括：AC-DC转换器、采样电路、控制电路和驱动电路；

所述AC-DC转换器用于从外界接入220V交流电源并转换为低压直流电源，并使用低压直流电源为采样电路、控制电路以及驱动电路供电；

所述采样电路用于采集超级电容拓扑结构中每个超级电容模块的电压模拟信号并进行滤波处理，再将经滤波处理后的电压模拟信号发送给控制电路；