一種超級電容器級聯(lián)高壓裝置的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種超級電容器級聯(lián)高壓電源的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電火花震源是通過高壓電容器放電對地質(zhì)情況進(jìn)行勘探的裝置，其中高壓電容器 電壓設(shè)及的電壓范圍為1KV及W上，需要高壓電源對其進(jìn)行充電。最初采用的方法是將 220V或380V電網(wǎng)電壓經(jīng)工頻變壓器升壓、整流后形成高壓電源給高壓電容器充電，后來發(fā) 展為采用高頻開關(guān)變換技術(shù)，目的是減小工頻變壓器的體積。充電電源的初級能源一般是 電網(wǎng)電能、柴油發(fā)電機(jī)，但在山區(qū)，W上兩種初級能源均受到限制。隨著超級電容器技術(shù)的 發(fā)展，由超級電容器提供初始能源的方式成為可能，而且超級電容器可W分為小體積和重 量的模塊，通過人力背到車輛難W到達(dá)的地區(qū)，使電火花震源在山區(qū)的應(yīng)用成為可能。
[0003] 超級電容器組作為初始能源的充電系統(tǒng)有兩種方式，一是超級電容器組與高頻充 電電源組成充電系統(tǒng)，超級電容器組提供低壓大電流，經(jīng)高頻充電電源變換成高壓小電流 后給電容器充電；一種是由超級電容器組采用級聯(lián)拓?fù)浯?lián)起來，直接輸出高壓給電容器 充電。在超級電容器組采用級聯(lián)拓?fù)浯?lián)的充電系統(tǒng)中，每一級的超級電容器組也是由多 個超級電容器單體串聯(lián)而成，一般超級電容器單體電壓在2. 7V左右，在電容器電壓較高 時，需要幾千個超級電容器單體串聯(lián)輸出，對超級電容器單體的一致性要求較高。由于超級 電容器單體的差異性是必然存在的，較多單體串聯(lián)使用時系統(tǒng)故障率高，實用性差，影響使 用。
[0004] 中國專利201010185126. 2公開了一種級聯(lián)型逆變器的控制系統(tǒng)，重點是主控系 統(tǒng)的實現(xiàn)方式，未設(shè)及級聯(lián)電路控制時序的控制方法。中國專利201210259287. 0公開了一 種線性放大器高壓級聯(lián)裝置及方法，重點是級聯(lián)電路拓?fù)?，未設(shè)及具體的控制控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種超級電容器級聯(lián)高壓裝置的控制 方法。本發(fā)明可W使得超級電容器組級聯(lián)充電電源中所串聯(lián)的超級電容器單體大幅減小， 提高充電裝置的可靠性和實用性。本發(fā)明適用于目標(biāo)充電電壓在1KV及W上的高壓電容器 充電。
[0006] 本發(fā)明所基于的超級電容器級聯(lián)高壓裝置包括5個組成部分；超級電容器組級聯(lián) 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、限流電感、高壓電容器，W及負(fù)載控制開關(guān)。超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)高壓輸 出的高壓端串聯(lián)限流電感后，連接負(fù)載控制開關(guān)的電流輸入級，負(fù)載控制開關(guān)的電流輸出 級連接高壓電容器的高壓極，高壓電容器的低壓極連接超級電容器級聯(lián)系統(tǒng)低壓輸出端。 超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)由多個超級電容器組串聯(lián)而成，每個超級電容器組串聯(lián)一個控制開 關(guān)后再并聯(lián)一個二極管，組成超級電容器級聯(lián)系統(tǒng)中的一級，多級串聯(lián)后即形成超級電容 器組級聯(lián)系統(tǒng)。超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)在控制系統(tǒng)控制下實現(xiàn)輸出可控的高壓電源功能。
[0007] 高壓電容器和負(fù)載控制開關(guān)均為M個，M為大于等于1的正整數(shù)。M組高壓電容器 和M個負(fù)載控制開關(guān)中的M值相同，M的值由高壓電容器容量、與超級電容器級聯(lián)系統(tǒng)輸出 正極端串聯(lián)的限流電感的電感量、充電所需時間，W及超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)的最大充電 電流確定。超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)高壓輸出的高壓端串聯(lián)限流電感后，連接M個負(fù)載控制 開關(guān)的電流輸入級，M個負(fù)載控制開關(guān)的電流輸出級分別連接M個高壓電容器高壓極，M個 高壓電容器的低壓極分別連接超級電容器級聯(lián)系統(tǒng)低壓輸出端。
[0008] 對超級電容器級聯(lián)高壓裝置的控制方法如下：
[0009] 所述超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)輸出的總電壓為高壓電容器所需目標(biāo)電壓的一半，在 高壓電容器目標(biāo)充電電壓確定后，控制系統(tǒng)根據(jù)超級電容器組輸出電壓之和等于目標(biāo)充電 電壓一半的原則，選擇投入工作的超級電容器組的數(shù)量，然后控制系統(tǒng)控制M個負(fù)載控制 開關(guān)中的一個負(fù)載控制開關(guān)閉合，并控制超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)中各級超級電容器組控制 開關(guān)同時閉合，即控制超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)同時輸出電壓，對分組的M組高壓電容器中 的某一組充電。利用諧振原理使與該負(fù)載控制開關(guān)連接的該組高壓電容器的電壓在半個諧 振周期時達(dá)到超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的2倍。在半個諧振周期時刻，該負(fù)載控制 開關(guān)斷開，結(jié)束對與該負(fù)載控制開關(guān)連接的該組高壓電容器充電，然后控制系統(tǒng)控制另一 個負(fù)載控制開關(guān)閉合，并控制超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓，對與此負(fù)載控制開關(guān)連接 的該組高壓電容器充電 ，如此分時序分組對高壓電容器充電。該一控制方法可W有效 降低超級電容器組單體超級電容器的數(shù)量。
[0010] 超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)的分級可根據(jù)情況確定，分級越多，所需控制開關(guān)和二極 管越多，高壓電容器上電壓級差越小，分級越少，超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)越簡單，但高壓電 容器的電壓級差越大。為了滿足高壓電容器不同目標(biāo)電壓的充電要求，每級超級電容器組 的電壓可各不相同，通過超級電容器組的組合可輸出不同的等級的電壓。每組高壓電容器 的充電時間^ =WIT，超級電容器組最大輸出電流能力需大于等于，其中U為在不 同組合時投入工作的各級超級電容器組電壓之和，L為與超級電容器級聯(lián)系統(tǒng)高壓端串聯(lián) 的限流電感的電感量、C為高壓電容器的容量。根據(jù)式;高壓電容器容量增加時，所 需超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)的輸出電流變大，對超級電容器組輸出電流能力要求變高，此時， 為降低超級電容器組輸出電流的要求，可將高壓電容器分成M組，采用負(fù)載時序充電的控 制方式。充電啟動時，控制系統(tǒng)輸出M個負(fù)載控制開關(guān)中某一個的閉合信號，同時輸出超級 電容器組級聯(lián)系統(tǒng)中各級超級電容器組控制開關(guān)的閉合信號，使各級超級電容器組中控制 開關(guān)同時閉合，超級電容器組同時輸出電壓，對M組高壓電容器中的一組充電。當(dāng)充電電流 變?yōu)?時，控制系統(tǒng)輸出該負(fù)載控制開關(guān)的斷開信號，使該負(fù)載控制開關(guān)斷開，各級超級電 容器組中控制開關(guān)同時斷開，超級電容器組停止輸出電壓。等待該負(fù)載控制開關(guān)恢復(fù)到截 止?fàn)顟B(tài)后，控制系統(tǒng)輸出與下一組高壓電容器連接的負(fù)載控制開關(guān)的閉合信號，同時輸出 超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)中各級超級電容器組控制開關(guān)的閉合信號，使各級超級電容器組中 控制開關(guān)同時閉合，超級電容器組同時輸出電壓，對下一組高壓電容器充電。
[0011] 當(dāng)超級電容器的輸出電流大于超級電容器組的最大輸出電流能力時，采用負(fù)載時 序充電的控制方式。
[0012] 本發(fā)明的積極效果是：
[0013] 1.本發(fā)明控制方法能夠大幅度降低級聯(lián)超級電容器組中超級電容器單體的串聯(lián) 個數(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0014] 2.本發(fā)明超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)的控制開關(guān)和負(fù)載控制開關(guān)工作在軟開關(guān)狀態(tài)， 有效降低開關(guān)兩端電壓尖峰和電磁干擾。
[0015] 3.本發(fā)明對高壓電容器采用分組時序充電的方式，在所需超級電容器組級聯(lián)系統(tǒng) 輸出電流較大的大容量高壓電容器的充電場合，能夠有效降低限流電感的電感量和對超級 電容器組輸出的電流能力的要求。
[0016] 4.該方法采用超級電容器組級聯(lián)的構(gòu)成直流源，實現(xiàn)了超大容量、超長使用壽命、 超快直流源蓄能、適合低溫條件的特點。
[0017]本發(fā)明可用于大功率高壓電源的快速充放電領(lǐng)域，尤其是對負(fù)載電壓精度要求不 高的場合，特別適用于電火花震源充電。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明所基于的超級電容器級聯(lián)高壓裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖，圖中；1超級 電容器組級聯(lián)系統(tǒng)，2控制系統(tǒng)，3限流電感，4高壓電容器，5負(fù)載控制開關(guān)；
[0019] 圖2為【具體實施方式】的電路拓?fù)洌?br>[0020] 圖3為【具體實施方式】中控制系統(tǒng)輸出的控制時序。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明所基于的超級電容器級聯(lián)高壓裝置包括5個組成部分；超級電 容器組級聯(lián)系統(tǒng)1、控制系統(tǒng)2、限流電感3、M組高壓電容器4,W及M個負(fù)載控制開關(guān)5。超 級電容器組級聯(lián)系統(tǒng)1高壓輸出的高壓端串聯(lián)限流電感3后，連接M個負(fù)載控制開關(guān)5的 電流輸入級，M個負(fù)載控制開關(guān)5的電流輸出級分別連接M組高壓電容器4的高壓極，M組 高壓電容器4的低壓極分別