[發明專利]超級電容大電流放電的控制系統及控制方法

在審

• 申請號: 202010046425.1
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111245083A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 李凡
• 申請（專利權）人: 天津捷強動力裝備股份有限公司
• 主分類號: H02J7/34
• 分類號: H02J7/34;H02J9/06
• 代理公司: 天津展譽專利代理有限公司 12221
• 代理人: 劉永會

本發明涉及負載控制技術領域，尤其涉及超級電容大電流放電的控制系統，其包括:蓄電池模組、超級電容模組、用電設備及備用投切反饋源，蓄電池模組為超級電容模組提供電能，超級電容模組儲存電能并為用電設備提供大電流放電，蓄電池模組與超級電容模組連接的電路上安裝有輸入電流傳感器，蓄電池模組與用電設備連接的電路上安裝有反饋電流傳感器，備用投切反饋源包括CPU及可變電阻，輸入電流傳感器及反饋電流傳感器分別與CPU的輸入端連接，可變電阻與CPU的控制端連接。本發明提供的系統及方法可以使得難以控制的大電流放電輸出得到有效控制且安全性極大提高。

技術領域

本發明涉及負載控制技術領域，尤其涉及超級電容大電流放電的控制系統及控制方法。

背景技術

超級電容是目前工業領域內較為新型的一種儲能放電容器。其優點為：

⒈充電速度快：充電10s即可達到其額定容量的95％以上；

⒉循環使用壽命長：深度充放電循環使用次數可達1～50萬次，沒有“記憶效應”，也不存在過度放電的問題；

⒊大電流放電能力強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環效率≥90％它具有循環壽命長、充放電速率快、環保、功率密度高、大電流放電能力強、安全性高等優點。

超級電容在工業中往往用于大電流短時充放電，普通超級電容充電電流10S內即能達到額定容量的95％，與此同時，低阻抗帶來高功率輸出達到1000-2000W/KG，其特有的放電輸出特性使得其是現有科技材料中唯一能夠提供大電流的放電儲能裝置，但與此同時，其能量密度低、自放電率過高、放電過程不可控等缺點限制了其廣泛的工業應用。

鉛酸電池、鋰電池等材料是較為傳統的儲能電池，其能量密度較高，傳統鋰電池能量密度能達到20～100Wh/kg，適當的體積重量就能帶來較大的能量輸出。然而受限于現有科技材料的限制，其功率密度較低、短時大功率輸出效果較差，使得其大電流充放電效果不夠理想。

現有科技手段往往使用蓄電池與超級電容并聯使用作為電源的能量源，其充放電策略如圖3所示。

圖中將超級電容模組與蓄電池從內部結構上將其并聯為用電設備提供電能輸出，用以解決超級電容在放電過程中存在電壓隨著放電而逐漸下降的問題，將超級電容模組并聯蓄電池模組作為后備電源使用，其ESR 小，功率特性好，功率密度遠大于電池，作為主電源的功率補償，保證短時間、大電流的電能輸出，使得整個模組的過充或者過放都不會對電性能產生影響。使用超級電容作為放電超級電容和電池的結合體能夠集兩者的優點于一身，從內部結構上將超級電容和蓄電池中不同的電極組成，實現兩種儲能方式的性能互補，具有低成本、高能量密度、高能量存儲、循環使用壽命長、環境適應能力強等優點。但是現有技術中超級電容的放電快慢根據外部設備負載進行放電，負載功率大，工作電流大放電就快，

其控制過程主要按照如下公式：

T＝[C×(U_work-U_min)]

I_充×T_充＝C×dU_work

C×dU_work-I×C×(R_線+R_ESR)＝I×T

其中，I為負載電流，U_work為超級電容正常工作電壓，U_min為截止工作電壓，R_線為外部線路總的內阻，根據線路材料的屬性、粗細等決定， R_ESR為等效串聯電阻；T為持續放電時間為；C為電容器額定容量；I_充為充電電流；T_充為充電時間。