CN104057901B - 一种汽车用超级电容模组电源管理系统 - Google Patents

一种汽车用超级电容模组电源管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车用超级电容模组电源管理系统，包括超级电容模组、铅酸电池、连接该铅酸电池的板载电源系统、微控制器、超级电容温度检测电路、模拟开关、上桥PWM驱动电路、下桥升压驱动电路、启动继电器、电压检测电路、电流检测电路和数据存储模块，所述上桥PWM驱动电路、下桥升压驱动电路、超级电容模组和启动继电器依次连接。本发明主要针对超级电容模组充电放电过程进行有效控制，并在超级电容温度过高时断开充电，并且能避免上下桥同时开通时的对地短路情况。本发明采用微控制器控制，通过程序策略可以保证小汽车在低温、电池欠压的情况下正常启动，通过程序策略补充铅酸电池大电流放电防止铅酸电池电极拉伤。

Description

一种汽车用超级电容模组电源管理系统
技术领域
本发明涉及用于汽车的超级电容模组电源管理系统。
背景技术
针对小汽车上的启动电源供应，一般小车的启动器功率在1.2KW到2.2KW左右，启动电流达到200A至100A左右，而车载电池容量在40AH到120AH，电池需要维持3C到5C的放电，容易损伤电池电极，特别是在电瓶低电压启动的时候会出现7至8C的放电，此时电池电极将承受极大的电流，导致电极拉伤，采用超级电容补偿，能抑制启动瞬时电流。但是，超级电容的充放电内阻低只有毫欧级或者亚毫欧级，无论充电还是放电都可以造成很大的电流。启动时输出较大电流，启动后不加限制也会造成发电机较大的充电负载，超出其最大功率，危及发电机电刷和线圈。所以，要对充电过程进行限制。这是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于汽车超级电容模组电源管理的系统，能对超级电容的充电过程进行有效控制，并在超级电容温度过高时断开充电，并且能避免上下桥同时开通时的对地短路情况。同时，本发明采用微控制器控制，通过程序策略可以保证小汽车在低温、电池欠压的情况下正常启动，通过程序策略补充铅酸电池大电流放电防止铅酸电池电极拉伤。通过程序策略控制充放电可延缓超级电容模组的使用寿命。本发明可以记录超级电容模组的充放电循环次数，可以大范围的跟踪超级电容的使用情况和状态。
实现上述目的的技术方案是：
一种汽车用超级电容模组电源管理系统，包括超级电容模组、铅酸电池、连接铅酸电池的板载电源系统、微控制器、超级电容温度检测电路、模拟开关、上桥PWM驱动电路、下桥升压驱动电路、启动继电器、电压检测电路、电流检测电路和数据存储模块，其中：
所述上桥PWM驱动电路、下桥升压驱动电路、超级电容模组和启动继电器依次连接；
所述微控制器接收点火ACC信号，控制所述启动继电器启闭；
所述微控制器通过控制所述模拟开关将PWM控制信号输入所述上桥PWM驱动电路或者下桥升压驱动电路，对所述超级电容模组充电进行控制；
所述电压检测电路连接所述下桥升压驱动电路，采样输出电压值并返回给所述微控制器；
所述电流检测电路连接所述下桥升压驱动电路，采样电流值并返回给所述微控制器；
所述微控制器将接收的输出电压值和电流值模数转化，进行加权处理后调整所述PWM控制信号的占空比；
所述超级电容温度检测电路检测所述超级电容模组的温度，在温度超过阈值时发送信号给所述微控制器，该微控制器控制所述上桥PWM驱动电路和下桥升压驱动电路停止给所述超级电容模组充电；
所述电压检测电路还检测所述超级电容模组的电压，并传给所述微控制器，微控制器在超级电容模组电压较低的情况下会启动充电；
所述微控制器记录所述超级电容模组的充放电数据，存入所述数据存储模块。
进一步地，还包括一用于通讯的通讯模块，连接所述微控制器。
进一步地，所述电压检测电路还连接所述铅酸电池，检测电池电压并传给所述微控制器，微控制器根据电池电压判断电池容量，依据此来判断超级电容模组始于何时开始充电。
进一步地，所述超级电容温度检测电路包括正系数热敏电阻，该正系数热敏电阻用于检测所述超级电容模组的温度。
进一步地，所述微控制器内部程序运行，可利用超级电容模组的低温特性保证在低温下正常启动发动机。
进一步地，所述微控制器内部程序运行，可保证铅酸电池在亏电欠压情况下利用超级电容模组的储电正常启动发动机。
进一步地，所述启动继电器可大电流放电，提供突发的大功率特性。
本发明的有益效果是：本发明通过对电压、电流和温度检测值的处理运算，根据得到的结果调节PWM的占空比，实现上、下桥电路的控制，从而控制对超级电容模组的充电。同时，通过模拟开关单向通道的设置，避免了上下桥同时开通时的对地短路情况。通过微控制器程序可更有效保护超级电容模组，防止电池大电流放电保护电池，通过微控制器程序特性可使得超级电容模组在低温下取电，保障汽车在低温下启动。针对铅酸电池低温下内阻极具升高，导致的北方冬季汽车难以启动的问题，本系统可以解决小电流充电大电流放电。保证低温下发动机启动的突发能量要求。当铅酸电池欠压导致汽车无法启动，本系统可以从铅酸电池获取少量的电量给超级电容模组充电，然后突发给汽车启动电机，保证汽车正常启动，提高汽车的静置时间。
附图说明
图1是本发明的汽车用超级电容模组电源管理系统的结构图；
图2是本发明的一具体实施例的电路结构图；
图3是本发明中微控制器内部运行程序的程序流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的汽车用超级电容模组电源管理系统，包括超级电容模组1、铅酸电池2、板载电源系统3、微控制器4、超级电容温度检测电路5、模拟开关6、上桥PWM驱动电路7、下桥升压驱动电路8、启动继电器9、电压检测电路10、电流检测电路11和数据存储模块12，其中：
铅酸电池2连接板载电源系统3，用于供电；结合图2，TB1和TB2外接铅酸电池2；板载电源系统3包括U3、U1和U2，其中，U3为5V线性稳压电源IC，系统上电后会为U6、U4、U7等电路提供电源。U1为12V开关型电源稳压IC，有一个控制端（work），程序可以控制其关闭，断掉下游电路的电力输入，在系统待机时会将12V电源关闭减速自身电力消耗。U2为12V隔离电源。
上桥PWM驱动电路7、下桥升压驱动电路8、超级电容模组1和启动继电器9依次连接；上桥PWM驱动电路7和下桥升压驱动电路8构成图2中的升压降压模块；图2中，Q5、Q7组成推挽电路，放大P2的OC输出能力加速开关Q1的导通/关闭，降低其在斩波时的自身损耗和发热。R9、R12、R17、R18、Q4、Q6构成一个5V稳压电源给P2提供电源。由于上桥PWM驱动电路7全都通过U2提供的12V隔离电源，而P2需要5V电源，所以有此电路。图中U5组成的电路为一个NMOS软开关电路，U5第七脚输出的PWM信号是一个浮压信号，有效防止地弹造成的开关性能降低。
微控制器4接收点火ACC信号，控制启动继电器9启闭，具体参见图2，微控制器4为U6，端座J1的第四脚外接汽车点火信号ACC，第五脚和第六脚外接启动继电器9控制端，当ACC信号有效时微控制器4会控制启动继电器9闭合，使得超级电容模组1向汽车电源母线释放大电流以供应启动马达电流需求。启动继电器9可大电流放电，提供突发的大功率特性；
图2中，TB3和TB4外接超级电容模组1两极，给模组充电。
微控制器4通过控制模拟开关6将PWM控制信号输入上桥PWM驱动电路7或者下桥升压驱动电路8，对超级电容模组1的充电过程进行控制；参见图2，U4是一个模拟开关，等效于继电器，通过CON1～CON4控制端信号会将POWER1信号、+5V、GND切入至P2（高速光电耦合器）和U5的输入端。其中POWER1为U6程序发出的高频PWM信号。因为只有一路PWM信号，通过U4的切换避免了上下桥同时开通的危险情况（对地短路）。
电压检测电路10连接下桥升压驱动电路8，采样输出电压值并返回给微控制器4；电流检测电路11连接下桥升压驱动电路8，采样电流值并返回给微控制器4；具体参见图2，AD1返回输出电压值，AD3返回电流值。同时，电压检测电路10还连接铅酸电池2，检测电池电压并传给微控制器4，微控制器4根据电池电压判断电池容量，依据此来判断超级电容模组1始于何时开始充电；图2中电流检出模块，是用两个电压基准源IC，一个接地一个通过取样电阻RL接地，当RL有电流通过时，基准电压源IC的A端电压会抬起，从而导致Q13基准脚电压抬高，至使R33经过电流加大，导致AD3信号电压抬高，微处理器通过查表法可教精确的得出当前电流值。电压检测电路10还检测超级电容模组1的电压，并传给微控制器4，微控制器4在超级电容模组1电压较低的情况下会启动充电；
微控制器4将接收的输出电压值和电流值模数转化，进行加权处理后调整PWM控制信号的占空比，实现闭环控制。具体参见图2，降压升压模块工作在降压模式时，下桥Q3关闭，Q1进行PWM斩波，D3续流，L2储能，C14、C15、C18、C19滤波，AD1返回输出电压值，AD3返回电流值。微控制器4将这些进行模数转换，进行加权处理后调整PWM的占空比，实现闭环控制。当降压升压模块工作在升压模式时，Q1静态常开，L2储能，Q3斩波，D2防止逆向电流，AD1返回输出电压值，AD3返回电流值。微控制器4将这些进行模数转换，进行加权处理后调整PWM的占空比，实现闭环控制。当输出电压达到指定值时，关闭Q1、Q3，U1同时关断，此时升压降压相关电路全都关闭断掉电源。
超级电容温度检测电路5检测超级电容模组1的温度，在温度超过阈值时发送信号给微控制器4，该微控制器4控制上桥PWM驱动电路7和下桥升压驱动电路8停止给超级电容模组1充电，保护超级电容模组可延长超级电容模组的使用寿命；参见图2，J1的1脚和2脚外接一个正系数热敏电阻，用来检测超级电容模组1温度，当模组过热时微控制器4会输出信号使得停止充电，直到温度在正常工作范围。
数据存储模块12连接微控制器4，用于存储各种数据，尤其超级电容模组1的充放电数据；
本发明的超级电容模组电源管理系统还包括连接微控制器4的通讯模块13。图2中，为U7，是一片RS232信号驱动IC，内部集成一个电荷泵，将5V电压逆变成正负10V，将TX和RXTTL电平信号转换成RS232电平信号。
图2中，J2是U6的程序写入调试接口，为实现本发明，微控制器4内部编有运行程序。结合图3，简述程序原理如下：微控制器4上电后，先后初始化了ADC控制器、定时控制器、电平中断、UART控制器，进入主程序。主函数内没有一个子函数执行时间是超过10mS，如果子函数执行时间太长会影响到主函数效率，所以各个子函数通过各自的或者公共的内存标志量来记录本次循环得到的结果和执行步，在下一个主函数循环中将恢复上次的运算。从图3的程序流程图中我们可以看到主程序会一直进行循环。为了保证实时相应汽车的点火命名，特使用外部中断来触发点火控制。当汽车处于待机状态并且模组充电完成后，处理器会关闭外部电源，自身也进入待机状态，等待外部唤醒或者定时进行自身唤醒。主函数的主循环开始会扫描电池电压、模组电压、模组温度、充电电流值，提供给后面相关子函数作为输入条件，当主函数扫描到中断进行过点火输出，会调出点火前电池电压，以此来判断点火前电池所剩容量，并根据所剩容量状态优先保障发动机给电池充电，而模组充电将延迟，延迟的程度取决于电池所剩容量。在正常情况下如果模组电量偏低，也会启动充电函数进行充电。充电函数由于是循环调用，为保证正常运行，每次执行时都会对当前状态进行预判，从降压充电到升压充电都会进行内部处理，由于采用内部定时器发生PWM。程序不需要长时间占用控制器时间。模组充电循环次数和汽车点火次数等相关信息，在每个动作确认后会写入内部EEPROM中。当使用RS232接口（串口）向其发送特点的指令时。会将相关数据读出返回给上位机。综上，微控制器1内部程序运行，可利用超级电容模组的低温特性保证在低温下正常启动发动机，也可保证铅酸电池在亏电欠压情况下利用超级电容模组的储电正常启动发动机。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种汽车用超级电容模组电源管理系统，包括超级电容模组、铅酸电池以及连接该铅酸电池的板载电源系统，其特征在于，还包括：微控制器、超级电容温度检测电路、模拟开关、上桥PWM驱动电路、下桥升压驱动电路、启动继电器、电压检测电路、电流检测电路和数据存储模块，其中：
所述上桥PWM驱动电路、下桥升压驱动电路、超级电容模组和启动继电器依次连接；
所述微控制器接收点火ACC信号，控制所述启动继电器启闭；
所述微控制器通过控制所述模拟开关将PWM控制信号输入所述上桥PWM驱动电路或者下桥升压驱动电路，对所述超级电容模组充电进行控制；
所述电压检测电路连接所述下桥升压驱动电路，采样输出电压值并返回给所述微控制器；
所述电流检测电路连接所述下桥升压驱动电路，采样电流值并返回给所述微控制器；
所述微控制器将接收的输出电压值和电流值模数转化，进行加权处理后调整所述PWM控制信号的占空比；
所述超级电容温度检测电路检测所述超级电容模组的温度，在温度超过阈值时发送信号给所述微控制器，该微控制器控制所述上桥PWM驱动电路和下桥升压驱动电路停止给所述超级电容模组充电；
所述电压检测电路还检测所述超级电容模组的电压，并传给所述微控制器，微控制器在超级电容模组电压较低的情况下会启动充电；
所述微控制器记录所述超级电容模组的充放电数据，存入所述数据存储模块。
2.根据权利要求1所述的汽车用超级电容模组电源管理系统，其特征在于，还包括一用于通讯的通讯模块，连接所述微控制器。
3.根据权利要求1所述的汽车用超级电容模组电源管理系统，其特征在于，所述电压检测电路还连接所述铅酸电池，检测电池电压并传给所述微控制器，微控制器根据电池电压判断电池容量，依据此来判断超级电容模组始于何时开始充电。
4.根据权利要求1所述的汽车用超级电容模组电源管理系统，其特征在于，所述超级电容温度检测电路包括正系数热敏电阻，该正系数热敏电阻用于检测所述超级电容模组的温度。
5.根据权利要求1所述的汽车用超级电容模组电源管理系统，其特征在于，所述微控制器内部程序运行，可利用超级电容模组的低温特性保证在低温下正常启动发动机。
6.根据权利要求1所述的汽车用超级电容模组电源管理系统，其特征在于，所述微控制器内部程序运行，可保证铅酸电池在亏电欠压情况下利用超级电容模组的储电正常启动发动机。
7.根据权利要求1所述的汽车用超级电容模组电源管理系统，其特征在于，所述启动继电器可大电流放电，提供突发的大功率特性。
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