本发明属于超级电容充电方法，具体地说涉及一种超级电容电源的优化充电均压方法。
背景技术：
1、新能源的快速发展，人们对储能装置的关注度越来越高，超级电容因其突出的优势和特殊场景下的不可替代性，逐渐受到人们的广泛关注，与传统储能元件相比，它具有更低的串联等效电阻、更长的使用寿命、更宽的温度工作范围、更宽的电压变化范围、更快的补能速度、更高的功率密度、更绿色环保等优势。它们已经在各类大功率场景中被广泛使用，实际应用中由于超级电容单体额定电压和容量较低，为提高超级电容电源电压和超级电容电源容量需要多个超级电容串并联组合使用，超级电容会随着的充放电次数增加、热效应等产生老化现象到导致内阻增大、容量减小，超级电容体质不同老化状态有差别会导致超级电容电源整体充电效率降低、充电能耗增加、各超级电容端电压上升速度不同出现电压不均衡和过充等现象、加剧超级电容老化状态差异。
2、超级电容电源的充电过程通常分为恒流充电、恒压充电两个阶段。因制造差异、老化速度不同等，在充电过程中各超级电容单体端电压变化而不均衡，致使某些超级电容单体因过充或过放而损坏，将影响超级电容电源的使用寿命。目前在充电过程中通常采用并联电阻耗能、并联电容能量转移等方法进行充电均压，并联电阻耗能方法在端电压高的超级电容单体并入电阻将能量消耗掉进行均压，消耗的能量以热量散发使环境温度升高进而导致系统可靠性降低；并联电容能量转移方法将端电压高的超级电容单体的电量转移至端电压低的超级电容单体中进行均压，但随着超级电容电源串联超级电容数量增多，并联能量转移的电容也增多，造成电路拓扑结构复杂难以实现大功率超级电容电源的均压。因此，本发明提出一种超级电容电源的优化充电均压方法，基于构建的超级电容电源充电均压监控电路，在充电过程中实时获取超级电容电源充电状态参数；并建立超级电容单体rc等效电路模型，运用第 n次超级电容电源充电状态参数数据，采用自适应遗忘因子的递推最小二乘法辨识出各超级电容单体等效容量、等效内阻；运用超级电容单体等效电路参数辨识结果，建立超级电容电源充电均压控制参数优化模型，使充电阶段超级电容电源等效电阻损耗最小、恒压充电阶段充电效率最高进行优化，获得各充电均压支路恒流充电电流向量、每个超级电容单体均压开关动作时间矩阵，然后在第 n+1次充电过程中根据获得的最优充电均压控制参数，调整各支路恒流模式充电电流大小、控制双通道（常开/常闭）开关使得超级电容单体从主充电回路中断开和串入，通过使充电电流绕过电压异常单体进行电压均衡，具有均压控制电路简单、充电效率高、充电损耗低、有效防止超级电容单体电压差过大，实现超级电容电源安全可靠充电。
技术实现思路
1、针对目前超级电容充电均压对单体老化状态不同的影响考虑存在不足，本发明公开一种超级电容电源的优化充电均压方法。
2、本发明采取如下技术方案：一种超级电容电源的优化充电均压方法包含以下四个步骤：
3、步骤一：超级电容电源充电状态参数获取
4、超级电容电源由多个超级电容模组串并联组成，每一个超级电容模组由 m× n个超级电容单体串并联组成，包括 m个超级电容组，每一个超级电容组形成一个并联支路，包含 n个超级电容单体；构建超级电容电源充电均压监控电路，包括多个超级电容模组充电均压监控模块、can总线、算法平台上位机，每个超级电容模组配备一个超级电容模组充电均压监控模块，超级电容模组充电均压监控模块与算法平台上位机之间通过can总线连接，实现超级电容电源模块与算法平台上位机之间数据传输，算法平台上位机完成数据处理与分析；每个超级电容电源充电均压监控模块，包含 m条并联的充电均压支路，每条充电均压支路包括充电控制电路、均压控制电路、电流电压采集电路；电流电压采集电路实时采集超级电容电源充电状态参数，包括充电均压支路的充电电流、超级电容单体端电压，采样周期为 t c，充电均压支路的充电电流参数向量和单体端电压参数矩阵分别表达为
5、 (1)
6、式中， n为充电次数； k为完成一次充电总时间 t内的采样次数， k=1,2,…, t/ t c；为第 n次充电时第 i条充电均压支路的第 k次采样电流，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体第 k次采样端电压， i=1,2,…, m; j=1,2,…, n。
7、步骤二：超级电容单体等效电路参数辨识
8、超级电容的容量、内阻大小能直观体现超级电容老化状态，容量表征超级电容储能性能、内阻表征充电损耗，建立超级电容单体rc等效电路模型，运用获得的第 n次充电过程中的超级电容电源充电状态参数数据对超级电容单体等效容量、等效内阻进行辨识，具体过程如下：
9、在第 n次充电过程中 t时刻的超级电容单体等效电路回路方程可表示为
10、 (2)
11、式中，、分别为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体的等效容量、等效电阻，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体的端电压；
12、由式(2)，建立以电流为输入、端电压为输出的超级电容单体等效电路参数辨识模型，对其进行拉氏变换，再进行差分变换，得到差分方程为
13、(3)
14、令：
15、(4)
16、(5)
17、则有
18、(6)
19、(7)
20、(8)
21、式(3)-式(6)中，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容第 k次采样辨识的等效内阻，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容第 k次采样辨识的等效电容，为第 n次充电时第 i条充电均压支路第 k次采样的输入状态向量，为第 n次充电时第 i条充电均压支路第 j个超级电容单体第 k次采样待辨识向量；
22、采用自适应遗忘因子的递推最小二乘法进行参数辨识，递推公式为
23、(9)
24、式中，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容第 k个更新校正增益向量，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容第 k个误差协方差矩阵，为第 n次充电时第 i条充电均压支路中第 j个超级电容第 k个遗忘因子， e为单位矩阵；
25、将第 n次充电时获得超级电容电源充电的状态参数数据以及递推初值、代入式(9)进行递推计算，得到待辨识估计向量，再联立式(6)、式(7)，可得
26、 (10)
27、将式(10)的结果作为第 n次充电完成后的第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体的等效电阻、等效电容。
28、步骤三：超级电容电源充电均压控制参数优化
29、运用超级电容单体等效电路参数辨识结果（等效电阻、等效电容），建立超级电容电源充电均压控制参数优化模型，对第 n+1次充电均压控制参数进行优化，控制参数包括充电均压支路恒流充电电流向量以及每个超级电容单体均压开关动作时间矩阵，其中为第 i条充电均压支路第 n+1次充电电流， tb ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体均压开关动作时间，具体如下
30、1. 目标函数
31、以充电阶段超级电容电源等效电阻损耗和恒压充电阶段充电效率组成目标函数，充电阶段超级电容电源等效电阻损耗 j1为
32、 (11)
33、式中， t1为恒流充电时间，、分别为第 i条充电均压支路中第一个完成恒压充电超级电容的时间、恒压充电电流； tb ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体均压控制时间，，其中为恒流阶段第 i条充电均压支路所有超级电容单体中需要充入最大的电荷量，， qs ij、 η ij分别为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体需要充入电荷量、充电深度；
34、恒压充电阶段充电效率 j2为
35、 (12)
36、由式(11)、式(12)构建目标函数为
37、 (13)
38、2. 约束条件
39、（1）超级电容电源充电总时间不超过 tset，其表达式为
40、 (14)
41、式中， tset为设置的优化最大充电时间， t1为超级电容电源恒流充电时间， t2为超级电容电源恒压充电时间；
42、 t1为超级电容电源恒流充电时间，表达式为
43、 (15)
44、式中， t1 ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体恒流充电时间，；
45、超级电容电源在恒压充电阶段，超级电容单体的充电电流不断较少，直至满足以下任一条件将充电停止：恒压充电电流减小到0.05a，或恒压实际充入电荷量达到恒压需充入电荷量的95%以上，即
46、 (16)
47、式中， i( t) ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体恒压充电电流； qs ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体应充入总电荷量，，其中 ue为超级电容单体额定电压， u(0)为超级电容单体初始电压； q ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体恒压充电过程实际充入电荷量，，其中 t ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体恒压充电时间；
48、根据上述条件，在恒压充电中记录 t ij，并获得每条充电均压支路第一个完成恒压充电超级电容的时间，选取所有充电均压支路的第一个完成恒压充电超级电容的最大时间作为超级电容电源恒压充电时间 t2，其表达式为
49、 (17)
50、（2）每条充电均压支路充电电流满足
51、 (18)
52、式中， iset为设置的优化最大充电流值；
53、（3）每个超级电容单体端电压满足
54、 (19)
55、式中， u ij为第 i条充电均压支路中第 j个超级电容单体端电压；
56、以式(13)最小为目标、式(14)、式(18)、式(19)为约束条件建立优化模型，优化得到第 n+1次充电均压控制参数；
57、3. 性能评价
58、以充电损耗、充电效率、充电总时间、充电均压支路中超级电容端电压之间的电压差作为充电均压方法的评价指标，充电完成超级电容电源总充电效率为
59、 (20)
60、充电均压支路中超级电容端电压之间的电压差为
61、 (21)
62、式中， u1 st_e为充电均压支路中第一个达到额定电压的超级电容单体的端电压， u1 st_min为在第一个超级电容单体达到额定电压时刻超级电容模组中超级电容单体的最低电压；
63、充电损耗按式(11)计算，充电总时间按式(14)-式(17)计算。
64、步骤四：超级电容电源充电均压控制
65、根据优化获得的充电均压支路恒流充电电流向量 i( n+1)、超级电容单体均压开关动作时间矩阵 tb，超级电容电源充电均压监控模块的核心控制器控制充电控制电路调节恒流充电电流大小，当，控制均压控制电路中相应的均压开关动作来进行均压充电。
66、本发明的有益效果是：本发明在充电过程中实时获取超级电容电源充电状态参数；并建立超级电容单体rc等效电路模型，运用第 n次超级电容电源充电状态参数数据，采用自适应遗忘因子的递推最小二乘法辨识出各超级电容单体等效容量、等效内阻；运用超级电容单体等效电路参数辨识结果，建立以充电阶段超级电容电源等效电阻损耗和恒压充电阶段充电效率组成目标函数的超级电容电源充电均压控制参数优化模型，优化获得充电均压支路恒流充电电流向量、每个超级电容单体均压开关动作时间矩阵，然后在第 n+1次充电过程中根据获得的最优充电均压控制参数进行超级电容电源充电均压控制，有效提高充电效率、减少充电损耗、防止超级电容单体电压差过大，实现超级电容电源安全可靠充电。
1.一种超级电容电源的优化充电均压方法，构建超级电容电源充电均压监控电路，实时获得充电均压支路的充电电流、超级电容单体端电压，建立超级电容单体rc等效电路模型，运用第n次超级电容电源充电状态参数数据，采用自适应遗忘因子的递推最小二乘法辨识出各超级电容单体等效容量、等效内阻，并通过充电损耗、充电效率、充电总时间、电均压支路中超级电容端电压之间的电压差进行性能评价；其特征在于，运用超级电容单体等效电路参数辨识结果，建立以充电阶段超级电容电源等效电阻损耗和恒压充电阶段充电效率组成目标函数的超级电容电源充电均压控制参数优化模型，优化获得充电均压支路恒流充电电流向量、每个超级电容单体均压开关动作时间矩阵，然后在第n+1次充电过程中根据获得的最优充电均压控制参数进行超级电容电源充电均压控制；按以下四个步骤进行：步骤一、超级电容电源充电状态参数获取；步骤二、超级电容单体等效电路参数辨识；步骤三、超级电容电源充电均压控制参数优化；步骤四、超级电容电源充电均压控制；
