CN106526357A - 一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统 - Google Patents

一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，它包括：超级电容模组，均衡放电单元，过压信号输出单元，光耦隔离器。超级电容模组内的每个电容器节点都设置有均衡放电单元和过压信号输出单元；超级电容模组内设有两路温度检测信号，两路过压信号输出信号，一路模组总电压输出信号；光耦隔离器用于进行过压信号隔离保护。本发明通过增加反馈电阻，使超级电容器单体电压保持在一定的电压范围内；通过详细的计算方法进行匹配采样电阻，提高了超级电容器开启均衡电压值和关闭均衡电压值的精度；通过PCB设计实现均衡检测电路板与超级电容模组内的铝排镶嵌组装设计，减小了超级电容模组的体积。

Description

一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统
技术领域
本发明涉及超级电容模组内电容器单体均衡检测领域，尤其涉及一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统。
背景技术
目前，超级电容器作为新型能源与传统煤炭石油等自然能源相比，其应用技术得到快速发展。超级电容器具有功率密度高，工作温度范围宽，使用寿命长等技术优点，在高功率密度的工业储能领域得到了广泛应用。包括低排放CO2的混合电动汽车和零排放的纯超级电容电动汽车的城市交通，铁路线路储能，港口机械，石油钻井机，特种装备，风力发电等领域。
常用超级电容器单体电压为2.7V，对于一个超级电容储能装置而言，需要采用超级电容单体构成特定模组，再通过特定模组构成特定储能装置。超级电容器主要工作参数为工作电压和工作温度，只有在规定的工作参数范围内工作，超级电容器就能保持超长使用寿命并不出现故障。因此，需要一种超级电容模组内的电容器均衡检测装置来确保超级电容器单体工作在规定的参数中工作。
如公开号为CN102486529A的专利文献所描述的《一种城轨车辆用串联超级电容器组荷电状态检测方法》，该方法采用卡尔曼滤波算法计算每一个超级电容单体荷电状态(State of charge,简称SOC)值，再经过综合比对确定当前单体中SOC最大值与最小值，最后通过结合城轨车辆启动或制动工况的实际情况来综合确定整个超级电容器组的SOC值。该方法使用了传统的标准卡尔曼滤波算法来计算超级电容单体SOC值，但此方法在实施过程中需要用卡尔曼滤波算法计算每一个单体的SOC值之后才能确定总体超级电容的SOC值，当单体数量规模比较大的时候，计算成本较高，效率低且耗时间，多个超级电容单体也会使整个超级电容器组SOC值的计算精度变差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，从匹配采样电阻的计算方法和增加反馈电阻，减小超级电容模组PCB设计来优化超级电容模组内的电容器均衡检测方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，它包括：超级电容模组，均衡放电单元，过压信号输出单元，光耦隔离器。
超级电容模组内的每个电容都连接至均衡放电单元，过压信号输出单元以及光耦隔离器；
均衡放电单元用于控制超级电容模组内电容电压均衡，过压信号输出单元用于电容过压信号的输出。均衡放电单元内设有均衡电路：当电容电压高于电容开启均衡电压时，打开均衡电路，超级电容模组内的电容开始释放电荷；当电容电压低于电容关闭均衡电压时，关闭均衡电路，超级电容模组内的电容停止释放电荷；；当电容电压高于电容电压过压报警阀值时，输出电容过压信号；当电容电压低于电容电压过压报警阀值时，停止输出电容过压信号。
光耦隔离器用于进行过压信号隔离保护。
进一步地，超级电容模组内还设有两路温度检测信号，两路过压信号输出信号，一路模组总电压输出信号。
进一步地，温度信号采用NTC热敏电阻检测。
进一步地，均衡放电单元包括：电容器单体正极CV+,电容器单体负极CV-；第一电阻R1,第二电阻R2,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11,第一电容C1，PNP三极管Q1，第一基准稳压电源模块U1；
均衡放电单元具体连接情况如下：
电容器单体正极CV+连接至过压信号输出电路，该线路还分别连接至第一电阻R1，第三电阻R3，PNP三极管Q1的发射极；
电容器单体负极CV-连接至过压信号输出电路；
第一电阻R1另一端经由第二电阻R2连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上；第一电阻R1另一端还连接至第一电容C1，第一电容C1另一端连接至电容器单体负极CV-；第一电阻R1另一端还连接至第一基准稳压电源模块U1的第一端口；
第三电阻R3另一端连接至第一基准稳压电源模块U1的第二端口，第一基准稳压电源模块U1的第三端口连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上；
PNP三极管Q1的基极经由第四电阻R4连接至第三电阻R3与第一基准稳压电源模块U1之间的线路上；PNP三极管Q 1的集电极经由第五电阻R5连接至第一电阻R1与第一基准稳压电源模块U1之间的线路上；三极管Q1与第五电阻R5之间线路分别连接至第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R 10,第十一电阻R11的一端，第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11的另一端分别连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上。
进一步地，均衡放电单元还连接有反馈电阻Rf。
进一步地，PNP三极管Q1的集电极电流大于均衡电路打开时电容的均衡放电电流。
进一步地，过压信号输出单元包括：第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第十五电阻R 15，第二电容C2，第二基准稳压电源模块U2；
过压信号输出单元具体连接情况如下：
第十二电阻R12一端分别连接至均衡放电电路与光耦隔离器电路，第十二电阻R12另一端分别连接至第二电容C2与第十三电阻R13的一端；第十二电阻R12与第十三电阻R13之间的线路还连接至第二基准稳压电源模块U2的第一端口，第二基准稳压电源模块U2的第三端口连接至均衡放电电路，第二电容C2与第十三电阻R13的另一端连接至第二基准稳压电源模块U2与均衡放电电路之间的线路上；第二基准稳压电源模块U2的第二端口经由第十四电阻R14连接至光耦隔离器电路；第十四电阻R14与光耦隔离器电路之间所在线路还连接至第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端连接至第十二电阻R12与光耦隔离器电路之间所在线路上。
进一步地，光耦隔离器的第一端口与第二端口分别与过压信号输出单元连接，所述光耦隔离器的第三端口为接地端，所述光耦隔离器的第四端口为输出端。
进一步地，电容开启均衡电压Von和电容关闭均衡电压Voff计算方法如下：
第一基准稳压模块U1的基准电压VREF，基准输入电流IREF，已知所述均衡放电单元采样电阻第一电阻R1和第二电阻R2；
基准输入端等效电阻值：R0＝R2||(VREF/IREF)；
设置反馈电阻值：Rf＝R5；
其他等效正反馈电阻值：Re，Re通过电路测试实验数据进行近似估算；
总反馈电阻值：RF＝Rf+Re；
电容开启均衡电压：
电容关闭均衡电压：
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明给出了一种超级电容模组内的电容器单体均衡检测电路计算系统，增加反馈电阻，使均衡后各个电容单体电压处于一定电压范围内；
2.本发明通过详细的计算方法进行匹配采样电阻，提高了超级电容器开启均衡电压值和关闭均衡电压值的精度；
3.本发明通过PCB设计实现均衡检测电路板与超级电容模组内的铝排镶嵌组装设计，减小了超级电容模组的体积。
附图说明
图1为总体设计框图。
图2为超级电容模组内电容器单体均衡过压检测电路图。
图3为超级电容模组内电容器单体均衡检测PCB图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示描述根据本发明的一个实施方式的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统的总体设计框图，该根据本发明的一个实施方式的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统包括：超级电容模组100，均衡放电单元200，过压信号输出单元300，光耦隔离器400。
超级电容模组内的每个电容都连接至均衡放电单元200，过压信号输出单元300以及光耦隔离器400。
均衡放电单元200用于控制超级电容模组100内电容电压均衡，过压信号输出单元300用于电容过压信号的输出。均衡放电单元200内设有均衡电路；
当电容电压高于电容开启均衡电压时，打开均衡电路，超级电容模组内的电容开始释放电荷；当电容电压低于电容关闭均衡电压时，关闭均衡电路，超级电容模组内的电容停止释放电荷；当电容电压高于电容电压过压报警阀值时，输出电容过压信号；当电容电压低于电容电压过压报警阀值时，停止输出电容过压信号。
光耦隔离器400用于进行过压信号隔离保护。
超级电容模组100内还设有两路温度检测信号，两路过压信号输出信号，一路模组总电压输出信号。
温度信号采用NTC热敏电阻检测。
如图2所示为由均衡放电单元200，过压信号输出单元300以及光耦隔离器400组成的超级电容模组内电容器单体均衡过压检测电路图。
均衡放电单元200包括：电容器单体正极CV+,电容器单体负极CV-；第一电阻R1,第二电阻R2,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11,第一电容C1，PNP三极管Q1，第一基准稳压电源模块U1；
均衡放电单元具体连接情况如下：
电容器单体正极CV+连接至过压信号输出电路，该线路还分别连接至第一电阻R1，第三电阻R3，PNP三极管Q1的发射极；
电容器单体负极CV-连接至过压信号输出电路；
第一电阻R1另一端经由第二电阻R2连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上；第一电阻R1另一端还连接至第一电容C1，第一电容C1另一端连接至电容器单体负极CV-；第一电阻R1另一端还连接至第一基准稳压电源模块U1的第一端口；
第三电阻R3另一端连接至第一基准稳压电源模块U1的第二端口，第一基准稳压电源模块U1的第三端口连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上；
PNP三极管Q1的基极经由第四电阻R4连接至第三电阻R3与第一基准稳压电源模块U1之间的线路上；PNP三极管Q 1的集电极经由第五电阻R5连接至第一电阻R1与第一基准稳压电源模块U1之间的线路上；三极管Q1与第五电阻R5之间线路分别连接至第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R 10,第十一电阻R11的一端，第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11的另一端分别连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上。
均衡放电单元200还连接有反馈电阻Rf。
PNP三极管Q1的集电极电流大于均衡电路打开时电容的均衡放电电流。
超级电容模组内电容电容器单体正极CV+和电容器单体负极CV-通过采样电阻第一电阻R1和第二电阻R2进行分压，当达到第一基准稳压电源模块U1开启电压时，整个电路开启；通过第三电阻R3和第四电阻R4电阻匹配使PNP三极管Q 1工作在饱和状态；整个均衡电路开启后，通过放电电阻第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11进行放电均衡，第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11的阻值通过放电电流和功率进行计算。
电容开启均衡电压Von和电容关闭均衡电压Voff计算方法如下：
第一基准稳压模块U1的基准电压VREF，基准输入电流IREF，已知所述均衡放电单元采样电阻第一电阻R1和第二电阻R2；
基准输入端等效电阻值：R0＝R2||(VREF/IREF)；
设置反馈电阻值：Rf＝R5；
其他等效正反馈电阻值：Re，Re通过电路测试实验数据进行近似估算；
总反馈电阻值：RF＝Rf+Re；
电容开启均衡电压：
电容关闭均衡电压：
过压信号输出单元300包括：第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第十五电阻R15，第二电容C2，第二基准稳压电源模块U2；
过压信号输出单元300具体连接情况如下：
第十二电阻R12一端分别连接至均衡放电电路与光耦隔离器电路，第十二电阻R12另一端分别连接至第二电容C2与第十三电阻R13的一端；第十二电阻R12与第十三电阻R13之间的线路还连接至第二基准稳压电源模块U2的第一端口，第二基准稳压电源模块U2的第三端口连接至均衡放电电路，第二电容C2与第十三电阻R13的另一端连接至第二基准稳压电源模块U2与均衡放电电路之间的线路上；第二基准稳压电源模块U2的第二端口经由第十四电阻R14连接至光耦隔离器电路；第十四电阻R14与光耦隔离器电路之间所在线路还连接至第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端连接至第十二电阻R12与光耦隔离器电路之间所在线路上。
过压检测电路通过采样电阻第十二电阻R12和第十三电阻R13、第二基准稳压电源模块U2采样设计。过压检测电路无反馈电阻，则Rf无穷大，过压报警开启电压等于过压报警关闭电压。
光耦隔离器400的第一端口与第二端口分别与过压信号输出单元连接，第三端口为接地端，第四端口为输出端。
本发明采用如图3所示PCB设计，对超级电容模组内单体连接铝排处进行开孔设计，便于均衡检测电路板贴于电容器单体表面进行组装，有利于超级电容模组的体积减小，实现超级电容模组小巧紧凑设计理念。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，包括：超级电容模组，均衡放电单元，过压信号输出单元，光耦隔离器；
所述超级电容模组内的每个电容都连接至均衡放电单元，过压信号输出单元以及光耦隔离器；
所述均衡放电单元用于控制超级电容模组内电容电压均衡；
所述过压信号输出单元用于电容过压信号的输出；
所述光耦隔离器用于进行过压信号隔离保护。
2.如权利要求1所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述均衡放电单元设有均衡电路；
当电容电压高于电容开启均衡电压时，打开均衡电路，超级电容模组内的电容开始释放电荷；
当电容电压低于电容关闭均衡电压时，关闭均衡电路，超级电容模组内的电容停止释放电荷；
当电容电压高于电容电压过压报警阀值时，输出电容过压信号；
当电容电压低于电容电压过压报警阀值时，停止输出电容过压信号。
3.如权利要求1所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述超级电容模组内还设有两路温度检测信号，两路过压信号输出信号，一路模组总电压输出信号。
4.如权利要求3所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述温度信号采用NTC热敏电阻检测。
5.如权利要求1所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述均衡放电单元包括：电容器单体正极CV+,电容器单体负极CV-；第一电阻R1,第二电阻R2,第三电阻R3,第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11,第一电容C1，PNP三极管Q1，第一基准稳压电源模块U1；
所述均衡放电单元具体连接情况如下：
电容器单体正极CV+连接至过压信号输出电路，该线路还分别连接至第一电阻R1，第三电阻R3，PNP三极管Q1的发射极；
电容器单体负极CV-连接至过压信号输出电路；
第一电阻R1另一端经由第二电阻R2连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上；第一电阻R1另一端还连接至第一电容C1，第一电容C1另一端连接至电容器单体负极CV-；第一电阻R1另一端还连接至第一基准稳压电源模块U1的第一端口；
第三电阻R3另一端连接至第一基准稳压电源模块U1的第二端口，第一基准稳压电源模块U1的第三端口连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上；
PNP三极管Q1的基极经由第四电阻R4连接至第三电阻R3与第一基准稳压电源模块U1之间的线路上；PNP三极管Q1的集电极经由第五电阻R5连接至第一电阻R1与第一基准稳压电源模块U1之间的线路上；三极管Q1与第五电阻R5之间线路分别连接至第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11的一端，第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11的另一端分别连接至过压信号输出电路与电容器单体负极CV-之间的线路上。
6.如权利要求5所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述均衡放电单元还连接有反馈电阻Rf。
7.如权利要求5所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述PNP三极管Q1的集电极电流大于均衡电路打开时电容的均衡放电电流。
8.如权利要求1所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述过压信号输出单元包括：第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第十五电阻R15，第二电容C2，第二基准稳压电源模块U2；
所述过压信号输出单元具体连接情况如下：
第十二电阻R12一端分别连接至均衡放电电路与光耦隔离器电路，第十二电阻R12另一端分别连接至第二电容C2与第十三电阻R13的一端；第十二电阻R12与第十三电阻R13之间的线路还连接至第二基准稳压电源模块U2的第一端口，第二基准稳压电源模块U2的第三端口连接至均衡放电电路，第二电容C2与第十三电阻R13的另一端连接至第二基准稳压电源模块U2与均衡放电电路之间的线路上；第二基准稳压电源模块U2的第二端口经由第十四电阻R14连接至光耦隔离器电路；第十四电阻R14与光耦隔离器电路之间所在线路还连接至第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端连接至第十二电阻R12与光耦隔离器电路之间所在线路上。
9.如权利要求1所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述光耦隔离器的第一端口与第二端口分别与过压信号输出单元连接，所述光耦隔离器的第三端口为接地端，所述光耦隔离器的第四端口为输出端。
10.如权利要求6所述的一种超级电容模组内的电容器均衡检测系统，其特征在于，所述电容开启均衡电压Von和电容关闭均衡电压Voff计算方法如下：
第一基准稳压模块U1的基准电压VREF，基准输入电流IREF，已知所述均衡放电单元采样电阻第一电阻R1和第二电阻R2；
基准输入端等效电阻值：R0＝R2||(VREF/IREF)；
设置反馈电阻值：Rf＝R5；
其他等效正反馈电阻值：Re，Re通过电路测试实验数据进行近似估算；
总反馈电阻值：RF＝Rf+Re；
电容开启均衡电压：
电容关闭均衡电压：
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