具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

本发明实施例提供一种超级电容寿命监测方法、装置及存储介质，可应用于对超级电容的寿命进行监测的场景中。比如，在风力发电领域中，为了能够保证风力发电机组正常运行，控制功率输出，变桨系统可在风力发电机组发生故障的情况下，执行紧急收桨功能。在电网正常的情况下，可由电网为变桨系统供电。在电网发生故障，比如掉电或低电压穿越等情况下，变桨系统需要有后备电源进行供电。超级电容以其功率密度高、充电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，可作为后备电源为变桨系统供电，应用在风力发电机组变桨系统严酷的工作环境中。

超级电容具有一定的充放电循环寿命，简称为寿命。当超级电容的寿命下降后，超级电容的容值和储能量也会骤然下降。随着风力发电技术的发展，风力发电机组的数量急剧增大，风力发电机组投入运行的时间也逐渐变长，因此，对超级电容寿命的评估显得更为关键和重要。

在本发明实施例中，利用超级电容的容值、预设的超级电容的容值与内阻的对应关系、超级电容的电流和电容失效参数，来确定超级电容的寿命时长，以实现超级电容的寿命的监测。

图1为本发明一实施例中一种超级电容寿命监测方法的流程图。如图1所示，该超级电容寿命监测方法可包括步骤S101至步骤S104。

在步骤S101中，基于至少一个采样时间段内电容模组的电压和电容模组的电流，得到电容模组中超级电容的容值。

其中，电容模组包括一个超级电容或串联的两个以上的超级电容。电容模组的工作状态包括充电状态和放电状态。电容模组处于充电状态的情况下，电容模组的电流为电容模组的充电电流，具体的，可直接获取为电容模组充电的充电器的充电电流作为电容模组的充电电流。电容模组处于放电状态的情况下，电容模组的电流为电容模组的放电电流，具体的，可获取电容模组所在的放电电路的放电电阻的阻值和电容模组的电压，根据电容模组所在的放电电路的放电电阻的阻值和电容模组的电压，得到电容模组的放电电流。

比如，图2为本发明实施例中一种电容模组所在的放电电路的结构图。如图2所示，放电电路包括电容模组C’、接触器开关K1和放电电阻R1。其中，放电电阻R1的阻值即为放电电路的放电电阻的阻值。

采样时间段的时长可根据工作场景和工作需求设定，在此并不限定。为了提高寿命监测的精确性，可适当将采样时间段的时长设置的较长一些，比如，可至采样时间段的时长为1至8秒。需要说明的是，在基于两个以上的采样时间段内电容模组的电压和电容模组所在工作电路的耗电电阻的阻值，得到电容模组中超级电容的容值的情况下，两个以上的采样时间段的时长可以相同，也可以不同，在此并不限定。

对于一个采样时间段来说，在这一个采样时间段中，可多次采集电容模组的电压，也可获取该采样时间段内电容模组的电压与时间的对应关系，如电压曲线图等，具体地，可为超级电容的充电曲线图或超级电容的放电曲线图等。

比如，图3为本发明实施例中一种超级电容的放电曲线示意图。如图3所示，横坐标为时间，纵坐标为电压。图3所示的放电曲线可参考图2所示的放电电路，则图3中的放电曲线即为图2中电容模组的放电曲线。根据图3可得，在电容模组放电的过程中，电容模组的电压不断下降，且电容模组的电压的下降率也不断降低。利用采样时间段内电容模组的电压和电容模组所在放电电路的放电电阻的阻值，可以得到电容模组的放电电流。利用电容模组的电压、电容模组的放电电流，即可得到电容模组的容值。根据电容模组的容值，可以得到电容模组内超级电容的容值。

在步骤S102中，在预设的超级电容的容值与内阻的对应关系中，获取与超级电容的容值对应的目标电容内阻。

可通过对多个电容模组进行实验，得到超级电容的容值与内阻的对应关系作为预设的超级电容的容值与内阻的对应关系。也可通过大范围采样，获取不同电容模组的出厂相关参数，得到超级电容的容值与内阻的对应关系作为预设的超级电容的容值与内阻的对应关系。能够获取预设的超级电容的容值与内阻的对应关系的其他方式也在本发明实施例的保护范围内。

预设的超级电容的容值与内阻的对应关系包括至少一组对应的超级电容的容值与内阻，在该对应关系中与步骤S101中得到的超级电容的容值对应的内阻即为目标电容内阻。

在步骤S103中，利用目标电容内阻、超级电容的电流和电容失效参数，确定老化因子。

其中，老化因子用于表征老化对电容内阻的影响。电容失效参数与超级电容失效可达到的电压相关。在本发明实施例中，认为电容失效与老化相关。因此，利用电容失效参数、目标电容内容和超级电容的电流，可得到老化因子。

超级电容的电流即为流过超级电容的电流。以超级电容处于放电状态为例，超级电容的电流可为放电电流。比如，若超级电容恒流放电，放电电流为5A(即安培)，则超级电容的电流为5A。

在步骤S104中，根据老化因子，确定超级电容的与老化因子对应的寿命时长。

老化因子与超级电容的容值、加速老化时间、寿命时长即正常工作的时长相关。因此，可根据老化椅子，确定该超级电容的与该老化因子对应的寿命时长。

在得到超级电容的寿命时长后，若超级电容的运行时长大于或等于超级电容的寿命时长，表示超级电容可能会失效；若超级电容的运行时长小于超级电容的寿命时长，表示超级电容还可继续正常使用。得到的超级电容的寿命时长与该超级电容的运行时长的差值即为该超级电容的剩余寿命时长。

在本发明实施例中，基于至少一个采样时间段内电容模组的电压和电容模组的电流，得到电容模组中超级电容的容值。获取与该超级电容的容值对应的目标电容内阻，利用目标电容内阻、超级电容的电流和电容失效参数，确定可表征老化对电容内阻的影响的老化因子，从而确定超级电容收到老化影响后的寿命时长，实现了对超级电容寿命的监测。

而且，在本发明实施例中对超级电容寿命监测的过程中，针对超级电容本身来说，不需关注超级电容的充放电次数、温度等过程变量的影响，而是关注超级电容的容值，从而简化了超级电容寿命的监测。该超级电容寿命监测方法适用于不同电压等级的超级电容，也能应用于充电过程或放电过程中的超级电容，适用性更广。由于本发明实施例中的超级电容寿命监测方法较为简单，对于执行该超级电容寿命监测方法的控制器或处理器等部件的性能要求较低，便于实现超级电容寿命监测方法的装置、设备等的小型化，且可降低实现超级电容寿命监测方法的装置、设备等的成本。

图4为本发明另一实施例中一种超级电容寿命监测方法的流程图。图4与图1的不同之处在于，图1所示的步骤S101可细化为图4所示的步骤S1011至步骤S1013；图1所示的步骤S103可细化为图4所示的步骤S1031和步骤S1032；图1所示的步骤S104可细化为图4所示的步骤S1041和步骤S1042。

在步骤S1011中，计算得到采样时间段的中间时刻的电容模组的电流与采样时间段的时长的第一乘积。

在步骤S1012中，根据第一乘积与采样时间段内电容模组的电压变化量的第一商值，确定电容模组的容值。

在超级电容处于工作状态的情况下，超级电容的电压曲线的变化均有一定规律。比如，超级电容处于充电状态的情况下，超级电容的电压逐渐上升；超级电容处于放电状态的情况下，超级电容的电压逐渐下降。需要说明的是，超级电容的电压曲线会有一定程度的波动和跳变。

本发明实施例采用中位值法计算电容模组的电流，下面以电容模组中超级电容处于放电状态为例进行说明。

比如，电池模组的放电曲线如图3所示，可将该放电曲线划分为足够多的小段，在每一小段内的曲线可近似看作是直线。例如，时刻t1至时刻tn之间的时间段为采样时间段，时刻t1至时刻tn之间的时间段对应的曲线近似看作是直线，根据直线方程的特性，可以得到算式(1)如下：

U_tn+U_t1＝U_tn-1+U_t2＝U_tn-2+U_t3＝2×(U_tn/2) (1)

其中，U_t1为电容模组在时刻t1的电压，U_t2为电容模组在时刻t2的电压，U_t3为电容模组在时刻t3的电压，U_tn/2为电容模组在时刻tn/2的电压，U_tn-2为电容模组在时刻tn-2的电压，U_tn-1为电容模组在时刻tn-1的电压，U_tn为电容模组在时刻tn的电压。

可以得到，采样时间段的中间时刻的电容模组的电压近似等于采样时间段内的电压均值。由于电容模组所在的放电电路中的放电电阻的阻值是固定的，因此，采样时间段的中间时刻的电容模组的电流近似等于采样时间段内的电流均值，从而可以提高计算电容模组的容值过程中对电容模组的电流测量的准确度。

根据步骤S1011至步骤S1013，电容模组的容值可根据算式(2)得到：

C’＝(I×t)/ΔU＝(U×t)/(ΔU×R₁) (2)

其中，C’为电容模组的容值，I为采样时间段的中间时刻的电容模组的电流，t为采样时间段的时长，ΔU为采样时间段内电容模组的电压变化量，U为采样时间段的中间时刻的电容模组的电压，R₁为电容模组所在放电电路的放电电阻的阻值。

需要说明的是，采样时间段的时长可设置的较长一些，比如，采样时间段的时长可在1至8秒的范围，使得上述算式中的ΔU变大，减少电容模组处于工作状态中电压波动的影响，从而提高电容模组的容值的测量精度。

在一些示例中，可计算多个采样时间段内第一商值的平均值，作为电容模组的容值。每个采样时间段内第一商值即为该采样时间段的电容模组的容值。可通过将多个采样时间段的电容模组的容值的平均值作为参与后续计算的电容模组的容值，进一步提高得到的超级电容寿命的精确性。多个采样时间段间隔的时长不能过长，以避免影响得到的超级电容寿命的精确性。

比如，可将两个相邻的采样时间段内第一商值的平均值，作为电容模组的容值。具体地，例如，按照时间顺序排列的三个时刻分别为时刻t1、时刻t2和时刻t3。在即将进入电容模组的容值的第一次测量前，对测量计数和容值累计初始化清零。当时间到达时刻t1，开始对电容模组的容值的第一次测量，截止到时刻t2，结束对电容模组的容值的第一次测量，测量计数加一，容值累计增加第一次测量到的容值。即时刻t1与时刻t2之间的时间段为第一个采样时间段。但时间到达时刻t2，开始对该电容模组的容值的第二次测量，截止到时刻t3，结束对电容模组的容值的第二次测量，测量计数加一，容值累计增加第二次测量到的容值。即时刻t2与时刻t3之间的时间段为第二个采样时间段。容值累计与测量计数的商即为第一个采样时间段的电容模组的容值与第二个采样时间段的电容模组的容值的平均值。

在另一些示例中，将一个采样时间段内的第一商值，作为电容模组的容值。若只计算了一个采样时间段内的第一商值，则可直接这一采样时间段内的第一商值作为电容模组的容值。若计算了多个采样时间段内的第一商值，则可选取任一采样时间段内的第一商值作为电容模组的容值，或者，按照一定规律，选取其中一个采样时间段内的第一商值作为电容模组的容值。比如，选取多个采样时间段内大小居中的第一商值作为电容模组的容值，在此并不限定。

在步骤S1013中，基于电容模组的容值，确定电容模组中超级电容的容值。

若电容模组包括一个超级电容，则可将该电容模组的容值作为超级电容的容值。若电容模组包括串联的N个超级电容，则超级电容的容值为电容模组的容值的N倍。

在步骤S1031中，计算得到电容失效参数与超级电容的电流的第二商值。

在步骤S1032中，根据第二商值与目标电容内阻的差值，确定老化因子。

在步骤S1041中，计算得到老化因子与超级电容的容值的第二乘积。

在步骤S1042中，利用第二乘积与预设的老化时间转换系数，确定超级电容的与老化因子对应的寿命时长。

电容模组可应用在脉冲场景中。需要说明的是，在瞬间电流很大的场景中，为减少电压跌落，可选用低内阻(Equivalent Series Resistance，ESR)的超级电容，在小电流应用的场景中，为降低电压跌落，需要选用大容量的超级电容。

比如，在脉冲场景中，超级电容的起始工作电压与截止工作电压的差值、超级电容的老化因子、超级电容的电流和超级电容的内阻之间的关系如算式(3)所示：

V＝I(R+T×a/c) (3)

其中，V为超级电容的起始工作电压与截止工作电压的差值，I为超级电容的电流，R为超级电容的内阻，T×a/c为超级电容的老化因子，T为超级电容的正常工作时间即超级电容的寿命时长，a为超级电容的加速老化时长与超级电容的寿命时长的老化时间转换系数，c为超级电容的容值。

在老化的影响下，超级电容的其实工作电压与截止工作电压的差值会减小。在一些示例中，截止工作电压为0V。电容失效参数与超级电容失效可达到的电压相关。因此，电容失效参数、超级电容的起始工作电压与截止工作电压的差值、超级电容的老化因子、超级电容的电流和超级电容的内阻之间的关系如算式(4)所示：

I(R+T×a/c)＞M (4)

其中，M为电容失效参数，算式(4)中其他参数的物理意义可参见上述算式(3)。

根据上述算式(4)，可以得到超级电容的寿命时长的算式(5)：

T＞(M/I-R)×c/a (5)

值得一提的是，也可不利用上述步骤S1014中计算出的超级电容的容值确定超级电容的寿命时长，可利用步骤S1013得到的电容模组的容值确定超级电容的寿命时长。若电容模组包括串联的N个超级电容，则电容模组的容值与超级电容的容值的1/N相等，电容模组的内阻与超级电容的内阻的N倍相等。对应的，与电容模组对应的电容失效参数也为与超级电容对应的电容失效参数的N倍。将电容模组的容值、电容模组的内阻和与电容模组对应的电容失效参数代入上述算式(5)，可消去N，仍然可采用算式(5)进行计算。

图5为本发明又一实施例中一种超级电容寿命监测方法的流程图。图5与图1的不同之处在于，图5所示的超级电容寿命监测方法还可包括步骤S105至步骤S110。

在步骤S105中，获取多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值和内阻。

可获取多个电容模组进行老化实验，得到这多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值和内阻。比如，下面的表一示出了四个电容模组在老化过程中不同的老化时间对应的容值、内阻、容值变化、内阻变化以及超级电容的起始工作电压与截止工作电压的差值(表一中简称为电压差值)。

表一

其中，电容模组包括四个电容模组，分别为模组1、模组2、模组3和模组4。

在步骤S106中，根据多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值和内阻，采用拟合算法，得到超级电容的容值和内阻的拟合曲线，并将拟合曲线作为预设的超级电容的容值与内阻的对应关系。

比如，根据表一中的电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值和内阻，拟合得到超级电容的容值和内阻的拟合曲线，该拟合曲线表征超级电容的容值与内阻的对应关系。根据表一中的容值和内阻，拟合得到的拟合曲线的表达式如算式(6)所示：

R＝(A-D)/[1+(c/C)^B]+D (6)

其中，R为超级电容的内阻，c为超级电容的容值，A、B、C和D均为常数系数。根据表一中的数据可以计算得到A＝0.72453215178867，B＝13.7344879830501，C＝2695.84379114985，D＝0.102391229153561。根据拟合曲线的结果，可得到拟合的精度为0.95，表示拟合曲线的精确度高，从而使得寿命监测得到的超级电容的寿命时长更加精确。

需要说明的是，在一些领域中，比如风力发电领域中，由于设备精度、采样精度的限制，使得在线检测超级电容的内阻异常困难。由于风力发电机组数量众多，将超级电容从风力发电机组拆卸下来进行检测的工作量巨大，以及将超级电容安装回风力发电机组的工作量也非常巨大。因此离线检测超级电容的内阻也并不现实。

在本发明实施例中，利用拟合得到的拟合曲线，来确定与超级电容对应的目标电容内阻，一方面对设备的检测精度要求不高，另一方面不需要将超级电容拆卸及再次安装，大幅度减小了工作量。

在步骤S107中，获取多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值。

在步骤S108中，获取每个电容模组的老化失效容值对应的内阻。

其中，老化失效容值为下降至初始容值的失效占比的容值。失效占比可根据工作场景和工作需求设定，在此并不限定。比如，失效占比为80％，则当超级电容的容值下降至初始容值的80％，则认为该超级电容有可能会失效。由表一可得，模组1、模组2、模组3和模组4在老化时间为779.5小时的容值为老化失效容值。

在步骤S109中，根据每个电容模组的老化失效容值，以及与老化失效容值对应的内阻，得到与每个电容模组对应的个体失效参数。

利用电容模组的老化失效容值以及与老化失效容值对应的内阻，可计算得到与每个电容模组对应的起始工作电压与截止工作电压的差值，作为每个电容模组对应的个体失效参数。

比如，由表一可得，模组1、模组2、模组3和模组4各自对应的个体失效参数分别为4.148751526、4.219895806、4.127009028和4.574356112。

在步骤S110中，基于每个电容模组对应的个体失效参数，确定电容失效参数。

其中，可在根据各个体失效参数确定的数值范围内，选取一个数值作为电容失效参数。比如，由表一中的个体失效参数，可选择4.5作为电容失效参数。

需要说明的是，若电容模组包括一个超级电容，则可将该电容模组的电容失效参数作为超级电容的电容失效参数。若电容模组包括串联的N个超级电容，则电容模组的电容失效参数为超级电容的电容失效参数的N倍。

根据多个电容模组随影的老化失效容值，以及与老化失效容值对应的电阻，得到多个个体失效参数。根据多个个体失效参数，确定电容失效参数。使得电容失效参数具有一致性，从而使得本发明实施例中得到的超级电容的寿命时长更加精确。

图6为本发明一实施例中一种超级电容寿命监测装置的结构框图。如图6所示，该超级电容寿命监测装置200可包括容值获取模块201、内阻获取模块202、老化因子确定模块203和寿命确定模块204。

容值获取模块201，用于基于至少一个采样时间段内电容模组的电压和电容模组的电流，得到电容模组中超级电容的容值。

其中，电容模组包括一个超级电容或串联的两个以上的超级电容。

内阻获取模块202，用于在预设的超级电容的容值与内阻的对应关系中，获取与超级电容的容值对应的目标电容内阻。

老化因子确定模块203，用于利用目标电容内阻、超级电容的电流和电容失效参数，确定老化因子。

其中，老化因子用于表征老化对电容内阻的影响。

寿命确定模块204，根据老化因子，确定超级电容的与老化因子对应的寿命时长。

在本发明实施例中，基于至少一个采样时间段内电容模组的电压和电容模组的电流，得到电容模组中超级电容的容值。获取与该超级电容的容值对应的目标电容内阻，利用目标电容内阻、超级电容的电流和电容失效参数，确定可表征老化对电容内阻的影响的老化因子，从而确定超级电容收到老化影响后的寿命时长，实现了对超级电容寿命的监测。

在一些示例中，上述容值获取模块201可具体用于：对于每个采样时间段，计算得到采样时间段的中间时刻的电容模组的电流与采样时间段的时长的第一乘积；根据第一乘积与采样时间段内电容模组的电压变化量的第一商值，确定电容模组的容值；基于电容模组的容值，确定电容模组中超级电容的容值。

具体的，容值获取模块201可进一步用于：计算多个采样时间段内第一商值的平均值，作为电容模组的容值；或者，将一个采样时间段内的第一商值，作为电容模组的容值。

在一些示例中，上述老化因子确定模块203可具体用于：计算得到电容失效参数与超级电容的电流的第二商值；根据第二商值与目标电容内阻的差值，确定老化因子。

在一些示例中，上述寿命确定模块204可具体用于：计算得到老化因子与超级电容的容值的第二乘积；利用第二乘积与预设的老化时间转换系数，确定超级电容的与老化因子对应的寿命时长。

图7为本发明另一实施例中一种超级电容寿命监测装置的结构框图。图7与图6的不同之处在于，图7所示的超级电容寿命监测装置还可包括拟合模块205和失效参数确定模块206。

拟合模块205，用于获取多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值和内阻；根据多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值和内阻，采用拟合算法，得到超级电容的容值和内阻的拟合曲线，并将拟合曲线作为预设的超级电容的容值与内阻的对应关系。

失效参数确定模块206，用于获取多个电容模组在老化过程中各老化时间对应的容值；获取每个电容模组的老化失效容值对应的内阻，老化失效容值为下降至初始容值的失效占比的容值；根据每个电容模组的老化失效容值，以及与老化失效容值对应的内阻，得到与每个电容模组对应的个体失效参数；基于每个电容模组对应的个体失效参数，确定电容失效参数。

在一些示例中，上述超级电容寿命监测装置200可设置在风力发电机组的变桨控制器中，以监测风力发电机组的变桨系统中超级电容的寿命时长。

本发明实施例还提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中超级电容寿命监测方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，存储介质可包括只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等，在此并不限定。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例和存储介质实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。