CN104917225B

CN104917225B - 一种超级电容单体主动均衡系统

Info

Publication number: CN104917225B
Application number: CN201510191755.9A
Authority: CN
Inventors: 李卫东; 宋克岭; 李申; 蒋任君; 杨万良; 蒲伟; 吴超
Original assignee: Tig Technology Co Ltd
Current assignee: Tig Technology Co Ltd
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2017-10-31
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: CN104917225A

Abstract

本发明公开了一种超级电容单体主动均衡系统，包括电压采样电路、主动均衡电路和告警电路，电压采样电路用于实时监控单体电压，主动均衡电路基于电压采样电路的输出来决定是否开启工作，单体过压时电压采样电路的输出端驱动主动均衡电路开启工作，对单体进行放电，同时告警电路通过光耦副边的两端口断开来表示电压异常；单体欠压或开路时，主动均衡电路不开启工作，告警电路通过光耦副边的断开来表示电压异常。本发明具有电路设计简单、性能稳定可靠、成本低、功能齐全的优点。

Description

一种超级电容单体主动均衡系统

技术领域

本发明涉及一种超级电容单体主动均衡系统。

背景技术

超级电容器是介于传统电解电容和可充电电池之间、具有特殊性能的储能器件，其具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长等优点，颇具应用价值。超级电容单体的工作电压一般不超过3V，在实际应用中，往往需要将多个超级电容单体进行串联、并联组合才能达到实际应用的电压和能量等级需求，但是每个单体的充电电压很难保证相同，在充电过程中可能导致单体过压损坏。为此，现有技术设计了针对超级电容单体的主动均衡电路来进行过压保护，但现有的主动均衡电路大多设计较为复杂并且功能单一。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种超级电容单体主动均衡系统，能够以简单的电路设计实现对超级电容单体的主动均衡以及过压、欠压、开路告警。本发明为解决上述技术问题的技术方案如下：

一种超级电容单体主动均衡系统，包括电压采样电路，具有正、负输入端以及信号输出端，其中正、负输入端分别连接于所述超级电容单体的正、负极，用于采集所述超级电容单体的电压；主动均衡电路，具有正、负输入端，输出端以及驱动信号输入端，其中正、负输入端分别连接于所述超级电容单体的正、负极，驱动信号输入端连接于所述电压采样电路的信号输出端；告警电路，具有正、负输入端，正输入端连接至所述主动均衡电路的输出端，负输入端连接至所述超级电容单体的负极；所述告警电路包括一光耦，光耦原边形成所述告警电路的正、负输入端，光耦的副边连接于用户端以通过副边的导通、截止来分别表示所述超级电容单体的电压的正常、异常；

从而使得：

当所述超级电容单体的电压达到一过压阈值时：所述电压采样电路的信号输出端与所述主动均衡电路的驱动信号输入端同时被钳位至高电平，所述主动均衡电路的输出端与所述超级电容单体的负极导通，使得所述主动均衡电路的放电回路闭合以对所述超级电容单体放电；同时所述告警电路的正、负输入端之间导通使得所述光耦不启动工作，光耦副边不导通；

当所述超级电容单体的电压低于所述光耦的开启电压时：所述电压采样电路的信号输出端与所述主动均衡电路的驱动信号输入端同时连接至所述超级电容单体的负极，使得所述主动均衡电路的所述放电回路断开，从而所述告警电路的输入电压为所述超级电容单体的当前电压，使得光耦无法开启，光耦副边不导通；

当所述超级电容单体开路时：所述电压采样电路无电压输入，所述电压采样电路的信号输出端与所述主动均衡电路的驱动信号输入端同时连接至所述超级电容单体的负极，使得所述主动均衡电路的所述放电回路断开，从而所述告警电路无电压输入，所述光耦不开启，光耦副边不导通；

当所述超级电容单体的电压高于所述光耦的开启电压且低于所述过压阈值时：所述电压采样电路的信号输出端与所述主动均衡电路的驱动信号输入端同时连接至所述超级电容单体的负极，使得所述主动均衡电路的所述放电回路断开，从而所述告警电路的输入电压为所述超级电容单体的当前电压，使得光耦开启工作，光耦副边导通。

本发明提供的上述技术方案，电压采样电路、主动均衡电路以及告警电路三个模块进行简单巧妙的连接，基于电压采样电路对超级电容单体电压的实时监控，主动均衡电路根据电压采样电路的信号输出情况进行开启(对电容单体放电)或关闭(不进行放电)，同时主动均衡电路的开启/关闭、以及电容单体的电压高低又能直接影响告警电路的开启/关闭，即：

情况一：当超级电容单体电压过压，则电压采样电路的信号输出端的输出信号能使得主动均衡电路开启工作(即对单体进行放电)时，告警电路因放电回路的闭合而导致正、负输入端之间短路，即光耦原边短路而无法启动工作，此时光耦副边不会导通，用户端能够因此得知电容单体的电压异常；

情况二：可以根据用户对超级电容单体低压阈值的需求来选择具有相应电压开启点的光耦，例如：用户需要在单体电压低于1V时认定为欠压，则可以选择开启电压点为1V的光耦，那么，当单体电压低于1V，电压采样电路的信号输出端的电压无法驱动主动均衡电路开启工作，则告警电路的正、负输入端之间的电压即为电容单体的当前电压(低于1V)，光耦因原边电压过低而不开启，则光耦副边不导通，判断为电压异常；

情况三：超级电容单体开路，则电压采样电路无输入，主动均衡电路不工作，同样地，告警电路的正、负输入端的电压即为电容单体的当前电压，而由于此时是开路，因此告警电路无输入，光耦不开启，则光耦副边不导通，判断为电压异常；

情况四：即超级电容单体的电压属于正常范围(高于光耦的开启电压点且低于过压阈值)，此时电压采样电路的信号输出端的电压(同情况二)无法驱动主动均衡电路开启工作，即此时放电回路断开，使得告警电路的输入电压即为电容单体的当前电压(即正常的电压值，是高于光耦开启点)，使得光耦能够开启工作，光耦副边导通，判断为电压正常。

总之，本发明提供的上述技术方案电路设计简单可靠，成本低，能够对超级电容单体的过压、欠压、开路都进行告警，同时兼具过压时放电的主动均衡功能。

附图说明

图1是本发明的超级电容单体主动均衡系统的一种具体实施方式的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步说明。

说明：在本发明提供的具体实施方式中，超级电容单体的负极可以作为参考地端，正极作为高电平端。

本发明的具体实施方式提供一种超级电容单体主动均衡系统，用于对超级电容单体(以下简称单体)进行主动均衡以及过压、欠压、开路的告警提示，如图1所示，包括电压采样电路100、主动均衡电路200以及告警电路300，下面对每个电路模块及其相互之间的连接关系、电路工作原理进行详细的说明。

参考图1，电压采样电路100具有正、负输入端和输出端，其中正、负输入端分别连接于单体的正、负极(即单体的两端)V+和V-之间，单体可以是一个，也可以是参数相同的两个、三个甚至多个串联、并联或混联形成的单体模组，本实施方式中以两个串联的单体C1、C2为例，电压采样电路100用于采集串联单体C1、C2的电压(即V+与V-之间的电压)。主动均衡电路200具有正、负输入端，输出端以及驱动信号输入端，其正、负输入端分别连接至单体C1的正极(高电平端V+)、C2的负极(参考地端V-)，驱动信号输入端连接于电压采样电路100的信号输出端。告警电路300具有正、负输入端，其中正输入端连接至主动均衡电路200的输出端，负输入端连接至单体的负极V-，如图1，告警电路300包括一光耦U2，光耦U2原边形成告警电路300的所述正、负输入端，副边连接至用户端以通过副边的导通、截止来分别表示单体电压的正常、异常，即：当副边的OVP+、OVP-之间导通，则通过用户端与OVP+、OVP-连接的电路向用户展示当前单体电压正常，反之，若副边的OVP+、OVP-之间断开，向用户展示为当前单体电压存在异常(可能是过压、欠压或开路)。

上述超级电容单体主动均衡系统的工作原理大致如下：

当单体的电压达到一过压阈值时，电压采样电路100的信号输出端与主动均衡电路200的驱动信号输入端同时被钳位至高电平，主动均衡电路200的驱动信号输入端的高电平驱动主动均衡电路200开启工作，主动均衡电路200开启工作后，其输出端与单体的负极导通(即输出端接通参考地端)，即主动均衡电路200的放电回路闭合以对单体进行放电(实现主动均衡)；此时，告警电路300的正、负输入端之间导通，则光耦的原边短路，光耦不启动，光耦U2副边的OVP+、OVP-之间断开，表示此时单体电压异常；

当单体的电压低于光耦U2的开启电压时，电压采样电路100的信号输出端与主动均衡电路200的驱动信号输入端同时连接于单体的负极(即参考地端)，因此无法驱动主动均衡电路200开启，即所述放电回路断开，放电回路的断开使得告警电路300的输入电压为单体的当前电压，而单体的当前电压无法开启光耦U2，从而，光耦副边的OVP+、OVP-之间是断开的，表示此时单体电压异常；

当单体开路时，电压采样电路100没有电压输入，其信号输出端与主动均衡电路200的驱动信号输入端同时连接于参考地端，同样无法驱动主动均衡电路200工作，放电回路断开，告警电路300的输入端电压为单体的当前电压，但是此时单体开路，无电压输入，因此光耦U2也无电压输入，光耦不启动，OVP+、OVP-之间的断开的，表示此时单体电压异常；

当单体电压正常的情况下，即电压高于光耦U2的开启电压但低于所述过压阈值时：电压采样电路100的信号输出端与主动均衡电路200的驱动信号输入端同时连接至参考地端，无法驱动主动均衡电路200开启，其放电回路断开，放电回路的断开使得告警电路300的输入电压为单体的当前电压，即光耦U2原边的电压为单体的当前电压而开启，使得光耦副边的OVP+、OVP-之间导通，表示此时单体电压正常。

在一种具体的实施例中，电压采样电路100包括两个串联的分压电阻R1、R2以及电压检测芯片U1，如图1所示，分压电阻R1、R2串联于单体的正、负极V+和V-之间，电压检测芯片U1具有第一引脚1、第二引脚2、第三引脚3，第一引脚1形成电压采样电路100的所述信号输出端，第二引脚2连接单体的负极V-(即参考地端V-)，第三引脚3连接于两所述分压电阻R1和R2之间；并且电压检测芯片U1未开启时其第一引脚1是连接到第二引脚2的，只有当电压检测芯片U1开启时，第一引脚1才与第二引脚2断开，同时被钳位至高电平；两所述分压电阻R1、R2的阻值配置应当使得当单体电压达到所述过压阈值时，第三引脚3的电压达到电压检测芯片U1的开启电压以使电压检测芯片U1开启。再参考图1，主动均衡电路20包括上拉电阻R3、放电电阻R4和开关管Q1，开关管Q1例如可以是三极管、MOS管，以开关管Q1为增强型NMOS为例：上拉电阻R3一端连接于单体正极V+、另一端连接于电压采样电路100的所述信号输出端(即电压检测芯片的第一引脚1)；放电电阻R4一端连接于单体正极V+，另一端连接于开关管Q1的漏极；开关管Q1的源极连接至参考地端V-，开关管Q1的驱动引脚即为主动均衡电路200的所述驱动信号输入端；放电电阻R4和开关管Q1构成所述放电回路。在更优的实施方式中，光耦U2的正输入端接有一限流电阻R5(其分压作用可以忽略)，限流电阻R5的另一端即连接于主动均衡电路200的输出端。

在上述具体实施例中，当单体电压(V+与V-之间)达到所述过压阈值时，在分压电阻R1、R2的作用下，电压检测芯片U1的第三引脚3的电压达到其开启电压，从而U1开启工作，使得第一引脚1与第二引脚2断开，第一引脚1被上拉电阻R3钳位到高电平，进而使得与第一引脚1连接的开关管Q1的驱动引脚也被上拉为高电平，从而开关管Q1导通使得其漏极和源极之间接通，从而在单体正极V+与负极V-之间经由放电电阻R4、开关管Q1的漏极、源极形成闭合的放电回路，进行放电，实现主动均衡。此时由于Q1的漏极、源极之间导通，使得告警电路300的正、负输入端之间短路，光耦U2不会启动工作，OVP+、OVP-之间断开以示单体电压异常。

当单体电压低于光耦U2的开启电压时，电压检测芯片U1的第三引脚3的电压值未能达到其开启电压，即电压检测芯片U1未能启动工作，其第一引脚1仍接于参考地端V-，开关管Q1不导通，告警电路300的输入电压相当于此时单体的电压(R4为欧姆级，分压作用可以忽略)，由于电压太低，光耦U2未能启动，OVP+、OVP-之间断开以示单体电压异常。

当单体开路时，电压采样电路100没有电压输入，电压检测芯片U1不启动，开关管Q1不导通，告警电路300的输入电压相当于此时的单体电压，但是单体处于开路，光耦U2不启动，OVP+、OVP-之间断开以示单体电压异常。

当单体电压正常的情况下，电压检测芯片U1的第三引脚3的电压值未能达到其开启电压，U1不启动，Q1不导通，告警电路300的输入电压相当于此时的单体电压(高于光耦U2的开启电压)，并且，限流电阻R5的分压作用可忽略，光耦U2开启，OVP+、OVP-之间导通以示单体电压正常。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种超级电容单体主动均衡系统，其特征在于：包括：

电压采样电路，具有正、负输入端以及信号输出端，其中正、负输入端分别连接于所述超级电容单体的正、负极，用于采集所述超级电容单体的电压；

主动均衡电路，具有正、负输入端，输出端以及驱动信号输入端，其中正、负输入端分别连接于所述超级电容单体的正、负极，驱动信号输入端连接于所述电压采样电路的信号输出端；

告警电路，具有正、负输入端，正输入端连接至所述主动均衡电路的输出端，负输入端连接至所述超级电容单体的负极；所述告警电路包括一光耦，光耦的原边形成所述告警电路的正、负输入端，光耦的副边连接于用户端以通过副边的导通、截止来分别表示所述超级电容单体的电压的正常、异常；

所述电压采样电路包括两个串联的分压电阻以及电压检测芯片；

两所述分压电阻连接于所述超级电容单体的正负极之间；

所述电压检测芯片具有第一至第三引脚，所述第一引脚形成所述电压采样电路的所述信号输出端，所述第二引脚连接所述超级电容单体的负极，所述第三引脚连接于两所述分压电阻之间；并且：当所述电压检测芯片未开启时，所述第一引脚与所述第二引脚接通；当所述电压检测芯片开启时，所述第一引脚从所述第二引脚处断开而被钳位至高电平；

两所述分压电阻的阻值配置使得当所述超级电容单体的电压达到一过压阈值时，所述第三引脚的电压达到所述电压检测芯片的开启电压而使所述电压检测芯片开启；

从而使得：

当所述超级电容单体的电压达到所述过压阈值时：所述电压采样电路的信号输出端与所述主动均衡电路的驱动信号输入端同时被钳位至高电平，所述主动均衡电路的输出端与所述超级电容单体的负极导通，使得所述主动均衡电路的放电回路闭合以对所述超级电容单体放电；同时所述告警电路的正、负输入端之间导通使得所述光耦不启动工作，光耦副边不导通；

2.如权利要求1所述的超级电容单体主动均衡系统，其特征在于：所述主动均衡电路包括上拉电阻、放电电阻和开关管，所述上拉电阻一端连接于所述超级电容单体的正极、另一端连接于所述电压采样电路的所述信号输出端；所述放电电阻一端连接于所述超级电容单体的正极、另一端连接于所述开关管的漏极；所述开关管的源极连接于所述超级电容单体的负极，所述开关管的驱动引脚形成所述主动均衡电路的所述驱动信号输入端；所述放电电阻和所述开关管构成所述放电回路。

3.如权利要求1所述的超级电容单体主动均衡系统，其特征在于：所述光耦的原边连接有限流电阻。