CN101714787A - 一种超级电容模组管理系统 - Google Patents

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Abstract

一种超级电容模组管理系统，包括直流电源(1)和负载(5)，两者的负极构成公用负极；直流电源(1)的正极输出端与公用负极之间，连接至少两个安装在超级电容模组组装盒(6)内的电容以串联方式构成的超级电容模组，每个电容串联一个电容管理模块，所有的电容管理模块的端口与一个光耦隔离器(2)电连接。本发明采用积极均压及消极均压模式，保证了超级电容存储能量的同时，有效地实现了均压。同时，通过分压电阻设置被动均压电压值及过压告警上线值，以实现对各种型号超级电容器均压、过压保护及告警作用，当电压过高或温度过高时，自动切断超级电容负载，有效保护超级电容器。

Description

一种超级电容模组管理系统
技术领域
本发明涉及一种对超级电容模组进行智能管理的超级电容模组管理系统。
背景技术
超级电容具有电阻很小、寿命超长、安全可靠、储能巨大、充电快速的特点，倍受社会各界关注，在能量存储、混合动力汽车、小型家电及航空航天等领域已得到广泛应用。
超级电容器的额定电压都比较低不到3V，在实际应用中需要大量超级电器的串联。由于应用中常需要大电流充、放电，因此，串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的，但受各电容器容量的偏差、漏电流及ESR的影响，如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压差较大；另外过高的温度、电压大大影响电容的寿命，在相同的温度条件下工作电压每上升0.1V，寿命减半，因此对电容器的过压保护也尤为重要。
目前，公开的清华大学的专利说明书《一种电动汽车超级电容管理系统》及中国科学院电工研究所的专利说明书《一种串联超级电容器组用电压均衡电路》中，《一种电动汽车超级电容管理系统》针对于电动汽车行业综合考虑超级电容的均压、充电、温度及绝缘保护的管理，其中均压电路通过并联电阻的积极均压方法来解决，电阻值一般较大，此方法如果用于能力存储，且仅考虑漏电流的差异还是可以，但与均衡高幅值充电电流时，需要阻值非常小的均压电阻，这种方法是不可取的。《一种串联超级电容器组用电压均衡电路》采用能量转移来对电容器进行均压，此方法从理论上来是一种比较好的均压方法，但实现起比较困难，电路比较复杂，稳定性较差，特别是没有考虑电容器的过压、过温保护。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够实现超级电容器模组的均压、过压保护及告警、温度告警等功能的超级电容模组管理系统。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：包括直流电源和负载，两者的负极电连接构成公用负极，所述直流电源的正极输出端电连接开关K1，所述负载正极输入端电连接开关K2；所述直流电源的正极输出端与公用负极之间，连接至少两个安装在超级电容模组组装盒内的电容以串联方式构成的超级电容模组，每个电容并联一个电容管理模块，所有的电容管理模块的端口I与一个光耦隔离器电连接，所述光耦隔离器和整车控制系统一起与开关K1的控制部分电连接；所述整车控制系统的输入端与安装在超级电容模组组装盒内侧的温度传感器T电连接；所述整车控制系统与开关K2的控制部分电连接；所述超级电容模组的第一个电容的电容管理模块的端口II与开关K2的输入端电连接；其他电容管理模块的端口II与对应的电容并联；所述超级电容模组的最后一个电容的电容管理模块的端口III与公用负极电连接，其他电容管理模块的端口III与对应的电容并联。
所述电容管理模块包括积极均压单元、消极均压单元和过压告警信号单元；所述积极均压单元为电阻R1，连接在电容管理模块的端口II与端口III之间；所述消极均压单元包括由开关管Q1、电压比较器U1和功率管Q2组成的电路，电阻R3、R4为电压比较器U1的分压电阻，电阻R5、R6分别为开关管Q1和功率管Q2的工作电阻；所述过压告警信号单元包括由电压比较器U2和开关管Q3组成的电路，电阻R9、R10为电压比较器U2的分压电阻，电阻R11为开关管Q3的告警信号限流电阻；所述功率管Q3的输出端为电容管理模块的端口I。
所述开关管Q1、Q3采用三极管。
所述功率管Q2为MOS功率管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用积极均压及消极均压模式，保证了超级电容存储能量的同时，很好的实现了均压效果。同时，通过分压电阻设置被动均压电压值及过压告警上线值，可以实现对各种型号超级电容器均压、过压保护及告警作用，当电压过高或温度过高时，自动切断超级电容负载，有效保护超级电容器。适合于各类超级电容模组使用。
附图说明
图1为本发明一实施例系统原理框图；
图2为图1的电容管理模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参照附图，本发明包括直流电源1和负载5，两者的负极电连接构成公用负极，所述直流电源1的正极输出端电连接开关K1，所述负载5正极输入端电连接开关K2；所述直流电源1的正极输出端与公用负极之间，连接至少两个安装在超级电容模组组装盒6内的电容以串联方式构成的超级电容模组，每个电容并联一个电容管理模块，所有的电容管理模块的端口I与一个光耦隔离器2电连接，所述光耦隔离器2和整车控制系统4一起与开关K1的控制部分电连接；所述整车控制系统4的输入端与安装在超级电容模组组装盒6内侧的温度传感器T电连接；所述整车控制系统4与开关K2的控制部分电连接；所述超级电容模组的第一个电容的电容管理模块的端口II与开关K2的输入端电连接；其他电容管理模块的端口II与对应的电容并联；所述超级电容模组的最后一个电容的电容管理模块的端口III与公用负极电连接，其他电容管理模块的端口III与对应的电容并联。
所述电容管理模块包括积极均压单元、消极均压单元和过压告警信号单元；所述积极均压单元为电阻R1，连接在电容管理模块的端口II与III之间；所述消极均压单元包括由开关管Q1、电压比较器U1和功率管Q2组成的电路，R3、R4为电压比较器U1的分压电阻，R5、R6分别为开关管Q1和功率管Q2的工作电阻；所述过压告警信号单元包括由电压比较器U2和开关管Q3组成的电路，R9、R10为电压比较器U2的分压电阻，R11为开关管Q3的告警信号限流电阻；所述功率管Q3的输出端为电容管理模块的端口I。
所述超级电容模组由成熟的现有技术的电容C1、C2……Cn组成。每个电容对应并联电容管理模P1、P2……Pn。
所述电容管理模块的端口I为单个电容过压告警信号输出端口。
所述开关K1、K2采用成熟的现有技术的产品。
所述开关管Q1、Q3采用三极管。
所述功率管Q2为MOS功率管。
所述整车控制系统4为车厂提供的现有技术产品。
所述电压比较器U1、U2采用成熟的现有电路。
所述温度传感器T采用现有技术产品。
工作原理：
电容管理模块的端口II、III方便与对应电容的正极和负极并联，积极均压单元的电阻R1，始终处于发电状态，但放电速度很小。
电容管理模块的端口I为单体电容过压告警信号输出，与光耦隔离器2电连接。
电容管理模块的消极均压单元主要由电阻R3，R4，R6，开关管Q1，功率管Q2，电压比较器U1组成，其中电阻R3、R4为分压电阻，将电容的电压进行分压，用于控制电压比较器U1，控制消极均压开启的阀值大小由这两个电阻R3、R4来决定。当电容C的电压高于设定值时，电压比较器U1工作，开关管Q1导通，功率管Q2工作，消极均压工作开始，电容的能量被电阻值较小的电阻R6快速消耗掉。此刻，积极均压单元和消极均压单元同时工作，从而降低超级电容器的单体电压，达到电压均衡的目的。当电压小于设置值时，电压比较器U1关闭，开关管Q1截止、功率管Q2停止工作，此时，只有积极均压单元单独工作，保证了超级电容器的能量存储。
过压告警信号单元的电路主要由电阻R9、R10、电压比较器U2、开关管Q3组成，R9、R10为电压比较器U2的分压电阻，用于设置过压告警的阀值电压，当电容的电压高于阀值电压，电压比较器U2开始工作，开关管Q3导通，并在电容管理模块的端口I上向光耦隔离器2的端口II发送信号，光耦隔离器2的端口I发送信号到开关K1切断直流电源。起到高压保护的作用。
安装在超级电容模组组装盒6内侧的温度传感器T，当检测到超级电容模组组装盒6内的温度高于设定值时，发送信号到整车控制系统4，整车控制系统4同时驱动开关K1、K2断开，同时保护电容组和负载5。

Claims (4)

1.一种超级电容模组管理系统，包括直流电源(1)和负载(5)，两者的负极电连接构成公用负极，其特征在于：所述直流电源(1)的正极输出端电连接开关K1，所述负载(5)正极输入端电连接开关K2；所述直流电源(1)的正极输出端与公用负极之间，连接至少两个安装在超级电容模组组装盒(6)内的电容以串联方式构成的超级电容模组，每个电容并联一个电容管理模块，所有的电容管理模块的端口I一个光耦隔离器(2)电连接，所述光耦隔离器(2)和整车控制系统(4)一起与开关K1的控制部分电连接；所述整车控制系统(4)的输入端与安装在超级电容模组组装盒(6)内侧的温度传感器T电连接；所述整车控制系统(4)与开关K2的控制部分电连接；所述超级电容模组的第一个电容的电容管理模块的端口II与开关K2的输入端电连接；其他电容管理模块的端口II与对应的电容并联；所述超级电容模组的最后一个电容的电容管理模块的端口III与公用负极电连接，其他电容管理模块的端口III与对应的电容并联。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容模组管理系统，其特征在于：所述电容管理模块包括积极均压单元、消极均压单元和过压告警信号单元；所述积极均压单元为电阻R1，连接在电容管理模块的端口II与端口III之间；所述消极均压单元包括由开关管Q1、电压比较器U1和功率管Q2组成的电路，R3、R4为电压比较器U1的分压电阻，R5、R6分别为开关管Q1和功率管Q2的工作电阻；所述过压告警信号单元包括由电压比较器U2和开关管Q3组成的电路，R9、R10为电压比较器U2的分压电阻，R11为开关管Q3的告警信号限流电阻；所述功率管Q3的输出端为电容管理模块的端口I。
3.根据权利要求2所述的一种超级电容模组管理系统，其特征在于：所述开关管Q1、Q3采用三极管。
4.根据权利要求2或3所述的一种超级电容模组管理系统，其特征在于：所述功率管Q2为MOS功率管。
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