一种基于超级电容器级联的高压电容器充电装置

摘要

一种基于超级电容器级联的高压电容器充电装置，其超级电容器组级联系统(2)的高压端串联限流电感(3)后与自动投切电路(4)的1号输入端相连。超级电容器组级联系统(2)内各单元的两个引出端与开关控制器(1)的输入端相连。自动投切电路(4)的2号输入端连接开关电路电流源(6)的正极。自动投切电路(4)的输出端与高压电容器(5)的高压端相连；高压电容器(5)的低压端经电流测量线圈(8)接地。测量和取样电路(7)的电压输入正极端与自动投切电路(4)的输出端相连，测量和取样电路(7)的电流输入端与电流测量线圈(8)相连，测量和取样电路(7)的输出端和开关控制器(1)相连。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压电容器充电装置。

背景技术

电火花震源是通过高压电容器放电对地质情况进行勘探的装置，其中高压电容器电压涉 及的电压范围为1KV及以上，需要高压电源对其进行充电。最初采用的方法是将220V或 380V电网电压经工频变压器升压、整流后形成高压电源给高压电容器充电，后来发展为采 用高频开关变换技术，目的是减小工频变压器的体积。充电电源的初级能源一般是电网电能、 柴油发电机，但在山区，以上两种初级能源均受到限制。随着超级电容器技术的发展，由超 级电容器提供初始能源的方式成为可能，而且超级电容器可以分为小体积和重量的模块，通 过人力背到车辆难以到达的地区，使电火花震源在山区的应用成为可能。

超级电容器组作为初始能源的充电系统有两种方式，一是超级电容器组与高频充电电源 组成充电系统，超级电容器组提供低压大电流，经高频充电电源变换成高压小电流后给电容 器充电；一种是由超级电容器组采用级联拓扑串联起来，直接输出高压给电容器充电。在超 级电容器组采用级联拓扑串联的充电系统中，当高压电容器容量较大时，则需要加入很大电 感量的限流电感才能将充电电流限制在高压电容器允许的充电电流之内。较大的限流电感不 仅引起损耗增加，且在工程实现上难度较大，体积也很大。为了避免这种情况，简单的方法 是将大容量高压电容器分成多组，分别进行充电，但是这种方法须在每组高压电容器输出端 串联高压大电流开关，同样使得系统体积、成本增加，故障率增高。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的缺点，提出一种基于超级电容器级联的高压电容器充电装 置，本发明适用于目标充电电压在1KV及以上的大容量高压电容器充电。

本装置包括8个组成部分：开关控制器、超级电容器组级联系统、限流电感、自动投切 电路、高压电容器、开关电路电流源、测量和取样电路、电流测量线圈。超级电容器组级联 系统的高压端串联限流电感后与自动投切电路的1号输入端相连，超级电容器级联系统的低 压端接地；超级电容器组级联系统内各单元分别引出两端：超级电容器负极端和IGBT的触 发端，超级电容器负极端和IGBT的触发端与开关控制器相连；自动投切电路的2号输入端 与开关电路电流源的正极相连，开关电路电流源的负极接地，自动投切电路的输出端与高压 电容器的高压端相连；高压电容器的低压端经电流测量线圈接地；测量和取样电路的电压输 入正极端与自动投切电路的输出端相连，测量和取样电路的电压输入负极端接地，测量和取 样电路的电流输入端与电流测量线圈相连，测量和取样电路的输出端和开关控制器相连。

所述的超级电容器组级联系统由N个超级电容器组构成，每一超级电容器组内又分别由 超级电容器和高压电源开关IGBT串联后再并联一个续流二极管构成，N为大于等于1的正 整数。

在对高压电容器充电过程中，超级电容器组级联系统的高压电源开关IBGT工作在软开 关状态，在一个谐振周期时间附近，测量和取样电路接收到高压电容器支路的电流信号为0 时，给超级电容器组级联系统内与已投入的超级电容器组相邻的高压电源开关IGBT发出触 发信号，启动所串联的超级电容器组，继续给高压电容器充电，使其电压得以再一次提升。 在每个高压电源开关IGBT的触发开通过程中，这一软开关特性既限制了IGBT管子本身的 功率损耗，也限制了IGBT管子在开通瞬间产生的过电压和内部晶胞受热不均，保证了IGBT 内部晶胞扩散均匀避免了装置频繁操作造成的使用寿命降低。

所述高压电容器充满至额定电压所需时间分为N+1段，即N段超级电容器组级联系统 充电时间和1段开关电路电流源充电微调整时间，N为大于等于1的正整数。N段超级电容 器组级联系统充电时间的N的取值和N个超级电容器组中的N的取值相同。可根据用户对 最大目标电压的需要确定N的取值，一般N组超级电容器电压相加最小等于电容器最高目 标充电电压的一半，最大等于电容器最高目标电压。假定用户对高压电容器最高充电电压的 要求为12kV时，系统全谐振状态充电时所需高压电源电压为6kV，如果除最低一级电压为 500V外，其余每级超级电容器组电压为1000V，则最少需要7级，即N等于7。如果系统 偏离谐振状态，按最大安全原则需要12kV的高压电源，如果除最低一级电压为500V外， 其余每级超级电容器组电压为1000V，最少需要12级，即N等于12。N取值越大，级联电 路对超级电容器组的保护优势越大，反之越少。故在此要求下，满足系统可靠性，最终N取 12。在N段超级电容器组级联系统充电时间内，超级电容器组级联系统在大范围，即1000V 及以外的电压范围内调整输出的充电电压。

上述过程分析如下：在整压充电时间段内，对应于N段，开关控制器对高压电容器进行 充电控制，开关控制器输出的N路驱动信号端分别连接N个高压电源开关IGBT的控制端， 测量与取样电路测量高压电容器两端的电压，电流测量线圈套在充电回路上测量充电电流， 并将电流信号送入测量与取样电路，在高压电容器两端测得的电压值和在高压电容器所在支 路测得的充电电流值作为保护和控制用。假如第一组超级电容器电压为U，其余超级电容器 组电压则均为2U，将选定的参与工作的超级电容器分组编号，开关控制器按照超级电容器 组的编号顺序逐一将各超级电容器组投入运行，当充电电压达到预设充电电压的下限的整数 时，进入微升压时间段。在电流源充电微升压时间内，超级电容器级联系统退出工作，开关 电路电流源投入工作，开关电路电流源在小范围，即1000V以内的电压范围内调整输出的充 电电压，使得电压能够连续调整，达到无极差，确保高压电容器充电到预设电压值。

由于超级电容器标称容量相同，限流电感值相同，故在本装置的电路结构中，当每级超 级电容器组投入时，所述的N段超级电容器组级联系统充电时间内，每个时序充电电流相同， 每级超级电容器组投入时，超级电容器级联系统输出的电压与负载电压之间的差值均相等。

在每个所述的N段超级电容器组级联系统充电时间内，电路结构均可简化为超级电容器 组、限流电感L、高压电容器C三者串联，故充电回路工作在谐振状态下。

在所述的N段超级电容器级联充电时间内，开关控制器实时接收测量和取样电路的测量 信号，当在一个谐振周期附近采集到高压电容器支路的电流变为0时，投入下一级超级电 容器组，即超级电容器组级联系统各级超级电容器组采用分时投入运行的方式。

上述控制过程如下：当开关控制器接收到用户的充电启动指令后，首先给第1组超级电 容器组的高压电源开关IGBT发出触发脉冲，将第1组超级电容器组投入运行，相当于输出 电压为U的电源在谐振状态下对高压电容器进行充电。在半个谐振周期内，限流电感两端电 压由+U逐渐降低至0，再由0反向逐渐升至-U；充电电流由0开始逐渐升至最大，再由最 大逐渐降至0；高压电容器两端电压先在1/4个谐振周期由0开始逐渐升高至U，再在接着 的1/4个谐振周期继续升高到2U。此时，测量和取样电路检测到高压电容器两端的电压达到 U，未达到目标充电电压值下限的整数；电流测量线圈实时测量电流信号，送入测量和取样 电路，测量和取样电路接收到高压电容器支路的电流变为0时，开关控制器获取这些信息后， 给第2组超级电容器组的高压电源开关IGBT发出触发脉冲，将第2组超级电容器组投入运 行。由于第2组超级电容器组的电压为2U，此时超级电容器组级联系统输出总电压为3U， 与高压电容器的电压之差仍为U，仍然相当于输出电压为U的电源在谐振状态对高压电容器 充电，充电电流的最大值不变。经过半个谐振周期后，高压电容器的电压为4U。此时投入 第3组超级电容器组，超级电容器组级联系统输出总电压为5U，与高压电容器的电压差仍 然为U，依次重复，高压电容器达到整压充电段电压后，超级电容器组级联系统退出工作， 前N段超级电容器组级联系统充电时间结束。自动投切电路随即将开关电路电流源投入工 作，进入微升压阶段，为电容器充电最终达到目标电压值。

本发明的积极效果是：

1.该装置控制过程清晰，所需系统元器件少，故障率低。

2.该装置运行时，系统工作在软开关状态，有效降低了开关两端电压尖峰和电磁干扰， 电磁兼容性好。

3.该装置运行时，超级电容器组级联系统采用分时投入的方式依次顺序投入，有效地 降低了超级电容器组级联高压电源与高压电容器负载间的电压差，进而降低了充电电流，减 小了超级电容器组输出电流的压力，较好地对接了目前超级电容器组技术的发展水平。

4.该装置运行时，对于大容量高压电容器负载不用分组进行充电，这样省掉电容器分 组中隔离控制开关的体积和费用，使得本充电装置性价比更高。

5.本装置克服了非互补电容器组级联充电只能进行电压有级调整的缺点，通过增加开 关电路电流源等电路，补充了微升压的功能，达到了无级快速充电的效果，确保了充电电压 的精度，同时适合可变负载电压，满足不同客户的需求。

6.该装置采用超级电容器组级联的构成直流源，实现了超大容量、超长使用寿命、超 快直流源蓄能、适合低温条件的特点。

本装置特别适用于大功率高压电容器的快速充电领域，如电火花震源的充电。

附图说明

图1为本发明结构示意图。图中：1开关控制器，2超级电容器组级联系统，3限流电感， 4自动投切电路，5高压电容器负载，6开关电路电流源，7测量和取样电路，8电流测量线 圈；

图2为本发明具体实施的结构示意图；

图3为本发明的时序控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细说明本发明。

如图1所示，本发明高压电容器充电装置由8个部分组成：控制系统1，超级电容器组 级联系统2，限流电感3，自动投切电路4，高压电容器5，开关电路电流源6，测量和取样 电路7，电流测量线圈8。

超级电容器组级联系统2的高压端串联限流电感3后与自动投切电路4的1号输入端相 连，超级电容器级联系统2的低压端接地；超级电容器组级联系统2内各单元分别引出两端： 超级电容器负极端和IGBT的触发端，它们分别与开关控制器1对应的输入端相连；自动投 切电路4的2号输入端与开关电路电流源6的正极相连，开关电路电流源6的负极接地，自 动投切电路4的输出端与高压电容器5的高压端相连；高压电容器5的低压端经电流测量线 圈8接地；测量和取样电路7的电压输入正极端与自动投切电路4的输出端相连，测量和取 样电路7的电压输入负极端接地，测量和取样电路7的电流输入端与电流测量线圈8相连， 测量和取样电路7的输出端和开关控制器1相连。

本发明装置运行时，首先开关控制器1接收用户控制信号，依次产生超级电容器组级联 系统2各超级电容器组内部的高压电源开关IGBT所需的触发信号，逐个投入超级电容器组。 充电电流经所投入的各超级电容器组，流过限流电感3、自动投切电路4，向高压电容器5 充电。测量和取样电路7实时检测高压电容器5两端的电压值，当检测到的电压值达到预设 电压向下取整数值时，自动投切电路4将超级电容器组级联系统2退出运行，同时将开关电 路电流源6投入运行，即电流换路为开关电路电流源6支路。电流经此支路和自动投切电路 4向高压电容器5进行微升压充电，直到测量和取样电路7检测到高压电容器5两端的电压 值达到用户预设电压值，充电完毕。此外，当整压充电阶段出现电流超限、负载异常等情况， 测量和取样电路7将故障信号传递给开关控制器1，由开关控制器1关断当前超级电容器组 的高压电源开关IGBT，并停止发出下一时刻以后的触发信号。当微升压阶段出现电流超限、 负载异常等情况，自动投切电路4工作将开关电路电流源6退出工作。

图2为本发明具体实施的结构示意图，图中以负载电容1mF、充电电压最高值为10.3kV 的充电需求为例。在该控制方式下充电装置的电路如图2所示：超级电容器组级联系统选定 为10级，即N＝10，此处的N和前述记载的N具有相同的概念，其中第一级超级电容器组 电压500V，其余19级电压为1KV，超级电容器组最大输出电流均为200A，超级电容器级 联系统中控制开关采用1200V、400A IGBT开关，二极管选用1200V、400A普通二极管。 限流电感按下列公式选取：

上述两个公式中，C为高压电容器的电容值，△U为相邻两级的充电电压差，L为限流 电感的电感值，I为最大充电电流设计值，I_max为超级电容器组最大输出电流。

考虑到磁饱和、限制di/dt等因素，可选用6.5mH、200A、匝间耐压15kV硅钢片铁芯电 感。

在上述参数下，本发明的充电装置的充电回路谐振周期T计算如下：

则每级超级电容器组投入后的充电时间应为半个周期8ms。

最大充电电流设计值如下：

上述两个公式中，T为本发明的充电装置的充电回路谐振周期，L为限流电感的电感值， C为高压电容器的电容值，I为最大充电电流设计值，△U相邻两级的充电电压差。

即该要求下的最大充电电流为196.1A。

图3为本装置的时序控制示意图，开关控制器输出10路延时触发信号，用于控制超级 电容器级联系统中高压电源开关IGBT K1～K10的开通与闭合。图中0电平代表开关断开， 高电平代表开关导通。充电时，首先控制图2中第一高压电源开关IGBTK1闭合，超级电容 器组1输出电压，在限流电感和高压电容器确定的谐振参数下，充电电流为正弦波，周期为 16ms，在充电电流过零时刻，即8ms时，高压电容器上电压达到1KV，此时开关控制器触 发第一高压电源开关IGBT K2导通，依次类推，当在80ms时刻高压电容器上电压达到10kV 时，自动投切电路将超级电容器组级联系统退出运行，同时将开关电路电流源投入运行，当 输出电压达到10.3KV时，充电完毕。前述记载，高压电容器充满至额定电压所需的时间分 为N+1段。在此例中N＝10，对应于10+1段，即10段超级电容器组级联系统充电时间和1 段电流源充电微调整时间。当开关控制器接收到用户的充电启动指令(记为0时刻)后，首 先它给第1组超级电容器组的高压电源开关IGBT发触发脉冲，即将第1组超级电容器组投 入运行，相当于输出电压为500V的电源在谐振状态对高压电容器负载进行充电。在半个谐 振周期内，限流电感两端电压由+500V逐渐降低至0，再由0反向逐渐升至-500V；充电电 流由0开始逐渐升至最大，再由最大逐渐降至0；高压电容器两端电压先在1/4个谐振周期 由0开始逐渐升高至+500V，再在接着的1/4个谐振周期继续升高到1kV。此时(记为8ms 时刻)，测量和取样电路检测到高压电容器两端的电压达到1kV，未达到目标充电电压值下 限的整数，电流线圈检测到高压电容器支路的电流变为0，开关控制器获取这些信息后，给 第2组超级电容器组的高压电源开关IGBT发触发脉冲，即将第2组超级电容器组投入运行， 由于第2组超级电容器组的电压为1kV，此时超级电容器组级联系统输出总电压为1.5kV， 与高压电容器负载的电压之差仍为500V，仍然相当于输出电压为500V的电源在谐振状态对 高压电容器负载进行充电，充电电流的最大值不变。经过半个谐振周期后(记为16ms时刻)， 高压电容器的电压为2kV。此时测量和取样电路检测到高压电容器两端的电压达到2kV，未 达到目标充电电压值下限的整数，电流线圈检测到高压电容器支路的电流变为0，开关控制 器获取这些信息后，给第3组超级电容器组的高压电源开关IGBT发触发脉冲，即将第3组 超级电容器组投入运行，由于第3组超级电容器组的电压为1kV，此时超级电容器组级联系 统输出总电压为2.5kV，与高压电容器负载的电压之差仍为500V，仍然相当于输出电压为 500V的电源在谐振状态对高压电容器负载进行充电，充电电流的最大值不变。经过半个谐 振周期后(记为24ms时刻)，高压电容器的电压为3kV。此时测量和取样电路检测到高压电 容器两端的电压达到3kV，未达到目标充电电压值下限的整数。由电流测量线圈实时测量电 流信号，送入测量和取样电路，测量和取样电路接收到高压电容器支路的电流变为0时，开 关控制器获取这些信息后，给第4组超级电容器组内的IGBT发触发脉冲，即将第4组超级 电容器组投入运行，由于第4组超级电容器组的电压为1kV，此时超级电容器组级联系统输 出总电压为3.5kV，与高压电容器的电压之差仍为500V，仍然相当于输出电压为500V的电 源在谐振状态对高压电容器充电，充电电流的最大值不变。经过半个谐振周期后(记为32ms 时刻)，高压电容器的电压为4kV。依次重复，在40ms时刻，高压电容器负载上电压为5kV。 在48ms时刻，高压电容器的电压为6kV。在56ms时刻，高压电容器的电压为7kV。在64ms 时刻，高压电容器的电压为8kV。在72ms时刻，高压电容器的电压为9kV。在80ms时刻， 高压电容器的电压为10kV。此时测量和取样电路检测到高压电容器两端的电压达到10kV， 即达到目标充电电压值下限的整数。电流测量线圈实时测量电流信号，送入测量和取样电路， 测量和取样电路接收到高压电容器支路的电流变为0时，开关控制器获取这些信息后将超级 电容器组级联系统退出运行，前10段超级电容器组级联系统充电时间结束。自动投切电路 随即将开关电路电流源投入运行，电流源充电微调整时间段开始。当测量和取样电路检测到 高压电容器达到10.3KV时，充电最终完成。

上述具体实施中，本装置采用级联超级电容器组时序控制方式实现了大容量高压电容器 充电，解决了超级电容器组输出电流的限制问题，减小了限流电感值，从而降低了限流电感 体积和损耗，同时避免了因高压电容器容量过大引起的负载分组问题，在所需充电电流较大， 对超级电容器组输出电流能力要求较高的大容量高压电容器充电场合具有可实施性和实用 性。采用电流源微升压方式，确保了充电电压的精度，满足了客户对获得连续电压的需求。

本装置主要用于功率高压电源的高精度快速充放电领域，基于目前超级电容器组、 IGBT、可控电流源及二极管器件的性能，完全能够满足上述需求。本发明的充电装置能有 效解决大容量高功率高压电容器高精度充电时的诸多问题。