CN105896478A - 串联超级电容组合的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明的串联超级电容组合的保护电路属于化学电源领域，特别涉及超级电容技术领域。所述的串联超级电容组合的保护电路包括单体电容过压、单体电容极性反转、整体电容组合欠压、过热、短路等各种异常情况下的保护。适用于多组超级电容器集成的电源系统或超级电容器与其它储能元器件组成的复合电源系统。

Description

串联超级电容组合的保护电路

技术领域

本发明的串联超级电容组合的保护电路属于化学电源领域，特别涉及超级电容技术领域。所述的串联超级电容组合的保护电路包括单体电容过压、单体电容极性反转、整体电容组合欠压、过热、短路等各种异常情况下的保护。

背景技术

超级电容具有比二次电池更长的使用寿命，但它的使用寿命并不是无限的，超级电容基本失效的形式是电容等效内阻增加或电容容量的降低，电容实际的失效形式往往与用户的应用有关，长期过热、过压、欠压、极性反转，或者频繁过流放电都会导致电容等效内阻的增加或容量减小。在规定的参数范围内使用超级电容可以有效的延长超级电容的寿命，并大幅提高工作可靠性。

现有的超级电容组合的保护电路技术中，对超级电容在应用中使各个物理参数处于合理运行范围的保护不完全。

例如专利申请号201220546392.8中，公开了超级电容模组的保护装置，其对单体电容的过压信号、过温信号进行了处理，但是没有对超级电容模组的单体电容极性反转、组合整体欠压、过流、短路等异常情况进行处理。

例如专利申请号201120563467.9中，公开了超级电容器储能模组的管理系统，其具有超级电容器管理单元，可对单体电容的电压和温度进行检测，但是没有给出电路实现技术方案，也没有对超级电容组合的单体电容极性反转、组合整体欠压、过流、短路等异常情况进行处理，也未能包含均衡功能。

本发明人在深入研究超级电容组合在应用中的可能各种异常情况后，创造性地发明出可靠性的保护电路，以使得串联超级电容组合能够可靠的应用，各种物理参数运行在合理范围。本发明的串联超级电容组合的保护电路，包含串联超级电容组合单体电容过压、串联超级电容组合单体电容极性反转、串联超级电容整体电容组合欠压、串联超级电容整体电容组合过热、串联超级电容整体电容组合短路等各种异常情况下的保护功能，以及包含有单体电容电阻耗能式均衡功能。

发明内容

本发明的目的是解决超级电容器组合模块保护电路的上述欠缺，提供一种超级电容组合的保护电路。

本发明解决上述问题采用的技术方案如下：串联超级电容组合的保护电路包括单体电容的过压保护电路、单体电容的极性反转保护电路、单体电容电阻耗能式均衡电路、总电压欠压信号检测电路、总电压极性反转检测电路、过热信号检测电路、过流信号检测电路以及短路信号检测电路、微处理器、放电开关和充电开关，其中，微处理器包括监控单元和执行单元，单体电容过压保护电路、单体电容的极性反转保护电路、单体电容电阻耗能式均衡电路、总电压欠压信号检测电路、总电压极性反转检测电路、过热信号检测电路、过流信号检测电 路和短路信号检测电路同微处理器的监控单元连接，微处理器的执行单元同充电开关和放电开关相连；

过热信号检测电路采用负温度系数热敏电阻、双金属片温度开关、有机型温度保险丝或合金型温度保险丝进行温度检测。

单体电容过压保护电路和单体电容电阻耗能式均衡电路的电压检测采用精密电压检测芯片TL431或TLV431集成芯片；

充电开关和放电开关采用P型Mosfet功率管或达林顿晶体管。

串联超级电容器组合的保护电路的保护方法如下：

串联超级电容组合中单体电容的过压保护，是由精密电压检测芯片比较单体电容两端电压并给出单体过压信号，单体电容的过压范围设定在1.0～4.0V之间；

串联超级电容组合中单体电容的极性反转保护，是通过比较三极管基极发射极导通电压与单体电容两端电压，并给出单体电容极性反转信号；

串联超级电容组合中单体电容的总电压欠压保护，是比较参考电压和串联电容组合整体电压的分压值，并给出组合整体的欠压信号；

串联超级电容组合中单体电容的过热保护，是由温度传感单元感知串联超级电容组合的温度，并与设定温度比较后给出过热信号，设定温度范围为45℃～120℃之间；

串联超级电容组合中单体电容的过流保护，通过检测分流器上电压与设定的参考电压大小，并给出过流信号；

串联超级电容组合中单体电容的短路保护，通过检测分流器上电压与设定的参考电压大小，并给出短路信号；

单体电容电阻耗能式均衡，是由精密电压检测芯片比较单体电容两端电压并给出均衡信号，打开放电开关使得均衡电流通过均衡电阻，单体电容的均衡电压设定在2.0～3.5V之间。

当串联超级电容组合的过压信号形成、过热信号形成，由微处理器给出信号执行充电控制开关关断；当极性反转信号、欠压信号、过热信号、过流信号、短路信号形成，由微处理器给出信号执行放电控制开关关断。

本发明公开的串联超级电容组合的保护电路，包括过压信号处理单元，通过接受串联超级电容组合单体电容过压信号，并进行逻辑或的处理，形成一个总单体过压信号，传送给微处理监控单元。

本发明公开的串联超级电容组合的保护电路，包括极性反转信号处理单元，通过接受串联超级电容组合单体电容极性反转信号，并进行逻辑或的处理，形成一个总单体极性反转信号，传送给微处理监控单元。

本发明公开的串联超级电容组合的保护电路，包括微处理器监控单元，用于接受总单体电容过压信号、总单体电容极性反转信号、串联超级电容组合总电压欠压信号、串联超级电容组合过热信号、串联超级电容组合过流信号、串联超级电容组合短路信号等。

本发明公开的串联超级电容组合的保护电路，包括信号执行单元，微处理器监控单元接受各种异常工作情况后，通过分析、判断后给出信号，用于在充电异常情况下控制开关的关断，或用于在放电异常情况下的控制开关的关断。

本发明公开的串联超级电容组合的保护电路，包括单体电容电阻耗能式均衡，是由精密电压检测芯片比较单体电容两端电压并给出均衡信号，打开放电开关使得均衡电流通过均衡电阻，单体电容的均衡电压设定在2.0～3.5V之间。

本发明公开的串联超级电容组合的保护电路，可大幅提高串联超级电容组合的工作可靠性、延长串联超级电容组合的使用寿命。

本发明的有益效果：采用本发明的串联超级电容的保护电容，对超级电容器单体和组合具有短路、过热、过流、过压、欠压、极性反转的保护功能，大大提高串联超级电容组合的安全性和可靠性，提高串联超级电容组合的使用寿命。

附图说明

图1 单体电容过压保护、极性反转保护和电阻耗能式均衡电路

图2 串联超级电容组合总电压欠压信号检测电路

图3 串联超级电容组合总电压极性反转检测电路

图4 串联超级电容组合过热信号检测电路

图5 串联超级电容组合过流信号检测电路

图6 串联超级电容组合短路信号检测电路

图7 串联超级电容保护电路总框图

具体实施方式

下面将结合本发明中所给出的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性技术成果前，都属于本发明保护的范围。

参见图1，充电均衡电路的实现方法是采用TL431作为单体电容的电压检测芯片，通过调节R6、R12的阻值可设定单节电容均衡电压，当单节电压超过预设定电压值时导致TL431D4导通，使三极管或MOS管Q1导通，单体电容通过功耗电阻R15、R14降低单节电容电压，直到其低于所设定单体电容均衡电压，以达到均衡的目的。本发明中，当均衡电压取值为2.5V，电阻R6、R12的阻值可取100K。

参见图1，单体电容过压保护电路的实现方法是采用TL431作为单体电容的电压检测芯片，通过调节R7、R13的阻值设定单节过压保护电压，当单节电压超过预设定电压值时，使三极管Q2导通，电流通过Q2到达CO3检测点，给出单体电容过压信号。本发明中，当设定充电保护电压为2.6V，电阻R7的取值可为30K，电阻R13的取值可为27K。

参见图1，单体电容极性反转保护电路的实现方法，当单体电容电压低于三极管的导通电压值时，三极管Q3关断，导致三极管Q21关断，电流通过电阻R3与二极管D2到达DO3检测点，给出单体电容极性反转信号。本发明中采用三极管的发射极和基极之间的导通电压，其数值在大概在0.10V～0.65之间。电阻R8、R9、R3的阻值可取为1M。

参见图2，过压信号处理单元的实现方法，当任意串联超级电容组合例如第3串单体电容出现过压信号，此时CO3信号成立，导致三极管Q27导通，给出总单体电容过压信号。各个单体电容过压信号是一种逻辑或关系，即只要一个单体过压信号成立，总单体电容过压信号成立。

参见图3，极性反转信号处理单元的实现方法，当任意串联超级电容组合例如第3串单体 电容出现极性反转信号，此时DO3信号成立，导致三极管Q28导通，给出总单体电容极性反转信号。各个单体电容极性反转信号是一种逻辑或关系，即只要一个单体极性反转信号成立，总单体电容极性反转信号成立。

参见图4，过热检测单元的实现方法，检测NTC负温度系数热敏电阻上的分压值，以判断串联超级电容组合是否处于过热异常状态。

参见图5，过流保护检测单元的实现方法，利用运算放大器比较电路，通过调节R70、R77的阻值设定过流保护电压，从RS+端引入分流器上的检测电压，当放电时RS+端电压值高于设定的过流保护电压值，使运算放大器(U2A)1脚输出为低电平，过流信号成立。

参见图6，短路保护检测单元的实现方法，利用运算放大器比较电路，通过调节R99、R101的阻值设定短路保护电压，从RS+端引入分流器上的检测电压，当放电时RS+端电压值高于设定的短路保护电压值，使运算放大器(U1B)7脚输出为低电平，短路信号成立。

参见图7，串联超级电容保护电路总框图，微处理器监控单元分别监控来自过压信号处理单元的总单体过压信号、来自极性反转信号处理单元的总单体极性反转信号、组合整体总电压欠压信号、过热信号、过流信号、短路信号，经过分析判断后，输出信号执行正确的动作，例如当总单体过压信号或过热信号成立，驱动充电开关关断；当总单体极性反转信号或组合整体总电压欠压信号或过热信号或过流信号或短路信号成立，按照微处理器内部正确的指示，驱动放电开关的关断。

Claims (2)

1.串联超级电容组合的保护电路，其特征是该串联超级电容组合保护电路包括单体电容的过压保护电路、单体电容的极性反转保护电路、单体电容电阻耗能式均衡电路、总电压欠压信号检测电路、总电压极性反转检测电路、过热信号检测电路、过流信号检测电路以及短路信号检测电路、微处理器、放电开关和充电开关，其中，微处理器包括监控单元和执行单元，单体电容过压保护电路、单体电容的极性反转保护电路、单体电容电阻耗能式均衡电路、总电压欠压信号检测电路、总电压极性反转检测电路、过热信号检测电路、过流信号检测电路和短路信号检测电路同微处理器的监控单元连接，微处理器的执行单元同充电开关和放电开关相连；

过热信号检测电路采用负温度系数热敏电阻、双金属片温度开关、有机型温度保险丝或合金型温度保险丝进行温度检测。

单体电容过压保护电路和单体电容电阻耗能式均衡电路的电压检测采用精密电压检测芯片TL431或TLV431集成芯片；

充电开关和放电开关采用P型Mosfet功率管或达林顿晶体管。

2.一种如权利要求1所述的串联超级电容器组合的保护电路的保护方法，其特征是该保护方法如下：

串联超级电容组合中单体电容的过压保护，是由精密电压检测芯片比较单体电容两端电压并给出单体过压信号，单体电容的过压范围设定在1.0～4.0V之间；

串联超级电容组合中单体电容的极性反转保护，是通过比较三极管基极发射极导通电压与单体电容两端电压，并给出单体电容极性反转信号；

串联超级电容组合中单体电容的总电压欠压保护，是比较参考电压和串联电容组合整体电压的分压值，并给出组合整体的欠压信号；

串联超级电容组合中单体电容的过热保护，是由温度传感单元感知串联超级电容组合的温度，并与设定温度比较后给出过热信号，设定温度范围为45℃～120℃之间；

串联超级电容组合中单体电容的过流保护，通过检测分流器上电压与设定的参考电压大小，并给出过流信号；

串联超级电容组合中单体电容的短路保护，通过检测分流器上电压与设定的参考电压大小，并给出短路信号；

单体电容电阻耗能式均衡，是由精密电压检测芯片比较单体电容两端电压并给出均衡信号，打开放电开关使得均衡电流通过均衡电阻，单体电容的均衡电压设定在2.0～3.5V之间。

当串联超级电容组合的过压信号形成、过热信号形成，由微处理器给出信号执行充电控制开关关断；当极性反转信号、欠压信号、过热信号、过流信号、短路信号形成，由微处理器给出信号执行放电控制开关关断。