CN102842966B - 一种超级电容管理系统 - Google Patents

Abstract

一种新型超级电容管理系统，所述的超级电容管理模块,包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动切换模块、控制开关、恒压电路；5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡电路的输出与超级电容和自动切换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V。

Description

一种超级电容管理系统

技术领域

本发明涉及一种储能介质，具体涉及一种超级电容管理系统。

背景技术

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念，实现人与物、物与物之间信息互通。把传感器装备到各种真实物体上使其具有智慧，智慧物体通过嵌入式系统运行特定程序感知自身和外部信息，感知过程是人与物、物与物进行信息互通的过程。

智慧物体使用RS422／485总线、现场总线、CAN 总线、ZigBee技术等连接智能化终端构建成一个智能化的局域物联系统，给局域物联系统配置相应的互联网接口，连接到互联网上，便实现互联网向物联网的拓展。

移动网络的快速发展，适用于人的移动终端—手机用户发展迅猛，手机的功能在不断增强，移动互联已得到普及,当今的人们已经离不开手机。智慧物体的出现，必然需要使用一种合适于智慧物体使用的移动终端设备—物机，物机与手机最大的差别是使用的对象，造成物机不能像手机一样快速发展的瓶颈之一是物机使用的电池。

物机是利用GSM网络，以GSM模块为核心，配置MCU、通信接口和电源等应用于真实物体的移动通信终端设备，物机虽然是移动通信终端设备，但其安装后是相对固定的。物机对于人来说是远程受控终端，反映远程监视真实物体的状况。电源是真实物体所有监视设备或系统的动力，因此，电源故障（停电）的监测及报警是物机必备的功能。

物机最初沿用手机采用锂电池作为储能介质，通过实际应用的验证，发现物机使用锂电池作为储能介质是不可取的。如在城市路灯电缆防盗报警中使用物机报警，最终由于锂电池低温不够、完全充放电次数少等，使得物机在实际应用过程中故障太多，维修量巨大；在家居安防报警系统中也由于锂电池问题降低了设备的可靠性，锂电池成为物机推广应用的主要瓶颈之一，主要原因是：

（1）锂电池完全冲放电次数只能在300次左右，制约了设备的寿命，造成后期设备的维护量巨大，以至于阻碍了设备进行大面积推广应用；

（2）锂电池的放电效率与环境温度有很大关系，对于室外全天候应用的设备无法解决低温环境的应用。

超级电容是近年发展快速的种大容量储能元件，和普通电池相比，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点，在电动汽车、新能源等领域的应用日益广泛。

针对物机这种真实物体使用的移动终端设备，超级电容完全可以取代锂电池作为物机的储能介质，二者的比较如下：

①⑤超级电容具有超宽的温度适用范围，通常可以达到－40℃～85℃；而一般电池是

-20℃～60℃。；

②超级电容大电流充放电性能优越，功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以

上；

③超级电容充放电时间短，充电电路简单，无需限流和充放电控制回路，无记忆效应。

二次电池受充放电电流限制，充电时间长，一般需几小时到十几小时，而双电层电容器不受充电电流限制，可快速充电，几秒到几十秒即可充满；

④超级电容具有超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和

Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

虽然超级电容有许多优点，但是超级电容在物机中的应用，还存在着如下问题：

如何采用超级电容取代锂电池应用到物机，突破因锂电池局限导致物机在实际应用中可靠性低的瓶颈，这是本领域技术研究的方向。

物机是手机拓展应用到智慧物体的产物，其固定安装于智慧物体之上，随智慧物体的移动而移动，具有相对固定的特点；智慧物体与物机之间以数据通信为主，兼顾语音和视频；由于智慧物体的智慧不够，物机需要具备自检测GSM网络、电源的能力，对故障能实现自修复或报警，实现这些功能，储能介质是物机必备的。

已知物机的储能介质是电池，手机使用的储能介质—锂电池是物机设计者沿用的依据。虽然有关手机上使用锂电池的配套充放电器件都非常成熟，但由于物机与手机的使用对象不同，也就是说：物机的使用对象是智慧物体，手机的使用对象是人，智慧物体的智慧目前还无法与人相比，导致手机上普遍使用的锂电池在物机上应用存在严重的缺陷，成为提升物机可靠性指标的瓶颈。

超级电容一直用于常规电容和电池之间的专门市场，随着更多新应用的发现，这一专门市场也在不断增长。在数据存储应用中，超级电容正在取代电池，包括3.3V内存备份固态硬盘(SSD)、电池供电的便携式工业和医疗设备、工业警报器以及智能功率计。

物机中GSM模块的VBAT采用3.4V到4.5V的单电源供电。在一些情况下，信号传输的猝发会导致电压跌落，这时电流损耗的峰值会达到2A，因此，电源必须能提供足够到2A的电流。

由于超级电容的电压值很低（3V以下），单个超级电容不能满足物机中GSM模块所需电压要求（3.4V到4.5V），因此，需要两个超级电容进行串联才能满足。由于生产工艺的限制，超级电容在制造过程中无法做到材质的绝对均匀，导致各个超级电容单体参数的分散性。两个串联工作的超级电容，不同超级电容单体上电压存在差别，即过电压和欠电压两种不健康状态。过电压状态将缩短超级电容的寿命，严重时会发生爆炸，而处于欠电压状态的超级电容器，其容量不能充分利用，存在浪费。所以对物机使用的2个串联超能电容组必须引入均压技术，以提高超级电容组的可靠性和利用率，并延长超级电容的使用寿命。

一种简单的解决方案是使用凌力尔特超级电容充电器方案，LTC3226是一款无电感的超级电容充电器，具有备份的电源通路控制器，使用2.5-5.5V的输入电源给两节串联的超级电容充电，并充电至2.5-5.3V的可编程超级电容充电电压。该器件的自动容量平衡和电压钳位功能可保持两节超级电容上的电压相等。但仔细分析LTC3226的电压钳位电路，发现它不适合在物机中应用，主要是：

①    LTC3226充电泵配备用于将任意超级电容两端的电压限制为一个2.65V的最大可容许

预设电压的电路。利用它来解决物机使用超级电容作为存储介质的充电是可行的，但如果从物机电源系统总体考虑，由于LTC3226是通用器件，对于物机参数确定的应用，不仅需要通过阻容计算、调试后，才能确定LTC3226的外围电路配置，而且使用LTC3226的LDO稳压器的功率小等原因无法满足物机的供电需求，不使用LTC3226的LDO稳压器造成浪费。

②LTC3226的价格偏高。

发明内容

针对以上问题本发明提供了一种充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保的新型超级电容管理系统。

为了解决以上问题本发明提供了一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的超级电容管理模块,包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动切换模块、控制开关、恒压电路；

5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡电路的输出与超级电容和自动切换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V。

所述的超级电容的单节超级电容选择为30F。

所述的充电电路采用CN3068、稳压电路采用MIC29302BU、自动切换模块和控制开关采用RF7416、恒压电路采用SP6650、平衡电路采用XC61CN2202MR和XP161A1355PR。

所述的充电电路由E4、P3、E5和R6组成，E4的正端与P3的VCC相连并接到+5V，E4的负端与地连接；P3的FB和BAT与E5正端相连输出4.2V，P3的TEMP、GND、E5的负端、R6的一端相连并接到地，P3的IR与R6的另一端相连。

所述的平衡电路由P6、P7、P8、P9、R13、 R14、 R15、 R16组成，BAT+连接到P7的S、R13的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端连到P6的VIN，P6的OUT连到P7的G、R14的另一端，P6的VSS与CA的负端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相连，R15的另一端与P8的VIN相连，P8的OUT连到P9的G、R16的另一端，P8的VSS与CB的负端、P9的D相连并连接到地；超级电容由CA和CB组成；

所述的稳压电路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3组成，E1的正端与P1的IN和EN相连并接到+5V，P1的ADJ与R1的一端、R2的一端相连；P1的OUT与R2的另一端、E2的正端、C1的一端、R3的一端相连输出4.2V稳压电源，P1的GND与E1的负端、R1的另一端、E2的负端、C1的另一端、R3的另一端相连并接到地；

所述的自动切换模块由P4和R7组成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G与R7的一端相连并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4.2V，P4的D接到BAT+；

所述的控制开关由P2、R4、R5、E3组成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G与R5的一端相，连，P2的S与R4的一端相连并接到4.2V，P4的D与E3的正端相连输出BATT，E3的负端接地，R4的另一端与R5另一端相连接到PCCTL；

所述的恒压电路由R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7组成，P5采用SIPEX的SP6650配置外围器件提供恒定3.3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相连与E6的正端、R9的一端、R8的一端相连接到4.2V,R9的另一端与C2的一端相连，C2的另一端接地，P5的LX与L的一端、R10的一端相连，L的另一端与C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相连并输出3.3V，R10的另一端与C3的另一端、R11的一端相连，R11的另一端与P5的FB、R12的一端、E7的负端、P5的PGND、P5的GND相连并接到地。

有益效果：电源系统是物机的动力之源，超级电容管理系统是电源系统的储能介质，当电源系统的输入失电后，物机依靠超级电容管理系统的储能完成短信报警。采用超级电容管理系统而不是锂电池进行储能，使物机不仅适用恶劣环境，而且克服了锂电池充电寿命的限制。

本超级电容管理系统将5V输入电压通过变换和储能输出具有后备的3.3V和可控制输出的VBAT(3.6-4.2V)。储能介质使用两节2.7V的超级电容替代单节锂电池，克服锂电池作为物机储能介质在寿命和低温方面的缺陷。

附图说明

图1为本超级电容管理系统的组成框图；

图2为本超级电容管理系统的具体实施方式电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种超级电容管理系统包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动切换模块、控制开关、恒压电路；

5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡电路的输出与超级电容和自动切换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V。

超级电容：两节2.7V的超级电容串联的容量计算，为了缩小物机的总体体积，选择合适的超级电容容量是关键。为了保证物机在外部失电后依靠超级电容储能发送短信报警信号，最多发送16条报警短信。经测试发送1条报警短信的平均时间为：1.5s，连续发送的平均时间为：2.2s，因此，发送16条报警短信的时间为:35.2s，物机在发送短信时所需平均电流为：250mA。35.2sX250mA=8800mAs=8.8As。物机发送短信的电压范围为：4.2V-3.6V=0.6V；两节串联超级电容的容量为：8.8As/0.6V=14.67F，取整为15F。因此，单节超级电容选择为30F。

如图2所示，各部分的主要IC型号是：充电电路（CN3068）、稳压电路（MIC29302BU）、自动切换模块和控制开关（IRF7416）、恒压电路（SP6650）、平衡电路（XC61CN2202MR和XP161A1355PR）。

充电电路（CN3068）：从成本控制设计，根据VBAT(3.6-4.2V)的要求，选择使用成熟的单节锂电池充电集成电路。实验验证：国产500毫安USB接口兼容的锂电池充电集成电路CN3068完全满足设计需要。

CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。CN3068只需要极少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3068自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。CN3068采用8管脚小外形封装(SOP8)。

虽然CN3068有内部固定4.2V的恒压充电电压和可以通过一个外部的电阻调节恒压充电电压两种模式，但在实际使用中当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内部和外部的温度不一致及芯片生产时的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差和温度系数变大。同时，因需外接电阻不仅增加材料、装配成本，更重要的是增加了调试的难度。因此，在本发明中采用CN3068内部固定4.2V的恒压充电电压模式。

平衡电路（XC61CN2202MR和XP161A1355PR）:

选择采用两节2.7V的超级电容串联，现有两节2.7V超级电容串联模组采用电压比较器、NMOSFET和电阻来实现平衡电路，但在电压比较器的选择上选用2.6V的比较器，因此，两节2.7V超级电容串联模组的电压为2.6x2=5.2V，不符合物机4.2V。TOREX的XC61C系列高精度、低功耗电压比较器的精度为：±2%，电压检测范围从1.6V到6V，步进0.1V，工作电压范围0.7V到10.0V。XC61C型号的选择的指标计算：

（1）    电压检测值

根据XC61C的精度为±2%，CN3068的充电电压为4.2V，即：

两节串联超级电容的最高电压：4.2Vx(1+2%)=4.284V；

两节串联超级电容的最低电压：4.2Vx(1-2%)=4.116V；

为了保证两节串联超级电容的最高电压达到4.2V，因此，单节的电压检测值应该为：4.284V/2=2.142V。

（2）    XC61C型号确定

XC61C的型号根据电压检测范围从1.6V到6V，步进0.1V来确定的，因此我们选择2.2V最为合适。具体型号为：XC61CN2202MR。

XP161A1355PR是N MOS功率开关，与XC61CN2202MR配合使用，由XC61CN2202MR的输出控制XP161A1355PR导通，实现两节级电容串联模组的平衡充电。

如图2所示，本发明具体实施案例包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动切换模块、控制开关、恒压电路；

充电电路由E4、P3、E5和R6组成，E4的正端与、P3的VCC相连并接到+5V，E4的负端与地连接；P3的FB和BAT与E5正端相连输出4.2V，P3的TEMP、GND、E5的负端、R6的一端相连并接到地，P3的IR与R6的另一端相连；

平衡电路由P6、P7、P8、P9、R13、 R14、 R15、 R16组成，BAT+连接到P7的S、R13的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端连到P6的VIN，P6的OUT连到P7的G、R14的另一端，P6的VSS与CA的负端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相连，R15的另一端与P8的VIN相连，P8的OUT连到P9的G、R16的另一端，P8的VSS与CB的负端、P9的D相连并连接到地；超级电容由CA和CB组成；

稳压电路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3组成，E1的正端与P1的IN和EN相连并接到+5V，P1的ADJ与R1的一端、R2的一端相连；P1的OUT与R2的另一端、E2的正端、C1的一端、R3的一端相连输出4.2V稳压电源，P1的GND与E1的负端、R1的另一端、E2的负端、C1的另一端、R3的另一端相连并接到地；

自动切换模块由P4和R7组成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G与R7的一端相连并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4.2V，P4的D接到BAT+；

控制开关由P2、R4、R5、E3组成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G与R5的一端相，连，P2的S与R4的一端相连并接到4.2V，P4的D与E3的正端相连输出BATT，E3的负端接地，R4的另一端与R5另一端相连接到PCCTL；

恒压电路由R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7组成，P5采用SIPEX的SP6650配置外围器件提供恒定3.3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相连与E6的正端、R9的一端、R8的一端相连接到4.2V,R9的另一端与C2的一端相连，C2的另一端接地，P5的LX与L的一端、R10的一端相连，L的另一端与C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相连并输出3.3V，R10的另一端与C3的另一端、R11的一端相连，R11的另一端与P5的FB、R12的一端、E7的负端、P5的PGND、P5的GND相连并接到地。

本发明具备以下优点：

①    本发明采用手机锂电池充电管理芯片实现对两节超级电容串联两端电压的限制，根据

VBAT输入电压范围要求，控制其充电电压在4.2V。而这种充电管理芯片不仅出货量大，而且售价低。

②    本发明采用电压比较器和MOSFET来实现两节超级电容串联时的平衡充电电路，根据物

机对两节超级电容串联两端充电电压限制在4.2V，我们可以选择定电压的比较器，不仅精度高，而且价格也好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种超级电容管理系统，其特征在于：包括超级电容管理模块，所述的超级电容管理模块,包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动切换模块、控制开关、恒压电路；5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡电路的输出与超级电容和自动切换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V；

所述的平衡电路由比较器P6、Mos管P7、比较器P8、Mos管P9、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16组成，BAT+连接到Mos管P7的S极、电阻R13的一端、电阻R14的一端、CA的正端，电阻R13的另一端连到比较器P6的VIN，比较器P6的OUT连到MOS管P7的G极、电阻R14的另一端，比较器P6的VSS与CA的负端、MOS管P7的D极、MOS管P9的S极、电阻R15的一端、电阻R16的一端、CB的正端相连，电阻R15的另一端与比较器P8的VIN相连，比较器P8的OUT连到MOS管P9的G极、电阻R16的另一端，比较器P8的VSS与CB的负端、MOS管P9的D极相连并连接到地；超级电容由CA和CB组成。

2.根据权利要求1所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的超级电容的单节超级电容选择为30F。

3.根据权利要求1所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的充电电路采用CN3068、稳压电路采用MIC29302BU、自动切换模块和控制开关采用RF7416、恒压电路采用SP6650、平衡电路采用XC61CN2202MR和XP161A1355PR。

4.根据权利要求1或3所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的充电电路由电解电容E4、充电管理芯片P3、电解电容E5和电阻R6组成，充电管理芯片P3采用CN3068，电解电容E4的正端与充电管理芯片P3的VCC相连并接到+5V，电解电容E4的负端与地连接；充电管理芯片P3的FB和BAT与电解电容E5正端相连输出4.2V，充电管理芯片P3的TEMP、GND、电解电容E5的负端、电阻R6的一端相连并接到地，充电管理芯片P3的IR与电阻R6的另一端相连。

5.根据权利要求1或3所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的稳压电路由电解电容E1、电源稳压芯片P1、电阻R1、电阻R2、电解电容E2、电容C1、电阻R3组成，电源稳压芯片P1采用MIC29302BU；电解电容E1的正端与电源稳压芯片P1的IN和EN相连并接到+5V，电源稳压芯片P1的ADJ与电阻R1的一端、电阻R2的一端相连；电源稳压芯片P1的OUT与电阻R2的另一端、电解电容E2的正端、电容C1的一端、电阻R3的一端相连输出4.2V稳压电源，电源稳压芯片P1的GND与电解电容E1的负端、电阻R1的另一端、电解电容E2的负端、电容C1的另一端、电阻R3的另一端相连并接到地。

6.根据权利要求1或3所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的自动切换模块由MOS管P4和电阻R7组成，MOS管P4采用NMOS器件IRF7416，MOS管P4的G极与电阻R7的一端相连并接到+5V，电阻R7的另一端接地，MOS管P4的S极接到4.2V，MOS管P4的D极接到BAT+。

7.根据权利要求1或3所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的控制开关由MOS管P2、电阻R4、电阻R5、电解电容E3组成，MOS管P2采用NMOS器件IRF7416，MOS管P2的G极与电阻R5的一端相连，MOS管P2的S极与电阻R4的一端相连并接到4.2V，MOS管P4的D极与电解电容E3的正端相连输出BATT，电解电容E3的负端接地，电阻R4的另一端与电阻R5另一端相连接到PCCTL。

8.根据权利要求1或3所述的一种超级电容管理系统，其特征在于：所述的恒压电路由电阻R8、电阻R9、电容C2、电解电容E6、升压稳压电源芯片P5、电感L、电阻R10、电容C3、电阻R11、电阻R12、电解电容E7组成，升压稳压电源芯片P5采用SIPEX的SP6650配置外围器件提供恒定3.3V，升压稳压电源芯片P5的PVIN、ILM和SHDN相连与电解电容E6的正端、电阻R9的一端、电阻R8的一端相连接到4.2V,电阻R9的另一端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端接地，升压稳压电源芯片P5的LX与电感L的一端、电阻R10的一端相连，电感L的另一端与电容C3的一端、电解电容E7的正端、升压稳压电源芯片P5的VOUT相连并输出3.3V，电阻R10的另一端与电容C3的另一端、电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与升压稳压电源芯片P5的FB、电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与电解电容E7的负端、升压稳压电源芯片P5的PGND、升压稳压电源芯片P5的GND相连并接到地。