CN107422674A - 一种并联超级电容组故障测控电路及其故障处理方法 - Google Patents

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周勇
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Abstract

本发明涉及一种并联超级电容组故障测控电路，包括控制单元和至少一个监测模块组，每个监测模块组包括通断控制模块、电流监测模块、电压监测模块以及串联电容组；属于航空电子技术领域，特别是应用于飞机备用电源，尤其是记录器独立电源。本发明通过检测各并联电池组，定位电池组中故障的单元，并实现电气隔离，避免影响其它电池组单元供电。

Description

一种并联超级电容组故障测控电路及其故障处理方法
技术领域
本发明属于航空电子技术领域，特别是应用于飞机备用电源，尤其是记录器独立电源。
背景技术
在航空器机载防护记录器独立电源上，需要在正常工作电源下能够正常工作，而当正常工作电源丧失时，备份电源(可充电)能够保证10分钟的输出电源，常见的做法是采用超级电容“串联+并联”的方式构成电容组来实现大容量储能。实际使用中，如果单体超级电容出现短路情况，会导致单个串联组容量下降，同时也会影响并联的其它电容组的正常工作，导致记录器独立电源在单体失效的情况下无法满足性能指标要求。
为了避免单个超级电容单体失效影响整个超级电容组的正常工作，在单体出现异常时，关断对应的超级电容串联组是很必要的，尤其是多组并联结构下。
目前，基于充放电下容量评估法的超级电容单体失效诊断措施已经成熟，本发明需要在此基础上实现单组串联超级电容的隔离。
发明内容
发明目的：提供一种并联超级电容组故障测控电路及其故障处理方法。
技术方案：电路上，电流监测模块以及电压监测模块和控制单元采用已经公开的方法实现，在此基础上在每一路超级电容串联组上串接通断控制电路。
在控制方法上，结合电路，对每个电容单体的电压和电流进行监控，计算出电容单体的容量，在容量超出允许范围的情况(主要是短路)下，由控制单元产生控制信号控制通断控制电路断开。
本发明具体提供一种并联超级电容组故障测控电路，包括控制单元和至少一个监测模块组，每个监测模块组包括通断控制模块、电流监测模块、电压监测模块以及串联电容组；
电压监测模块，能够检测超级电容组中每个超级电容单体的电压；
电流监测模块，能够检测超级电容组的充电或放电电流；
其中，通断控制模块、电流监测模块以及串联电容组依次串联，并且通断控制模块一端接电源正，串联电容组一端接地，且在所述串联电容组上还并联有电压监测模块；电流监测模块和电压监测模块将监测信号传输给控制单元；控制单元发出控制信号给通断控制模块，通断控制模块用于接通和断开电流监测模块与电源正的联通。
进一步的，通断控制电路由NMOS管V1、PMOS管V2、PMOS管V3组成，其中V2、V3的源极连接到一起，V2、V3的栅极与V1的漏极连接，V2的漏极连接到对外接口，V3的漏极连接到电流监测模块，V1的栅极连接到控制单元；
还提供一种基于上述的并联超级电容组故障测控电路的故障处理方法，控制单元设置有超级电容单体的容量上限阈值CH、容量下限阈值CL和单体电容值C，以及电流累加值IC、时间累加值TC、时间阈值TH、电容单体电压上限阈值UH、电容单体电压下限阈值UL、电容单体电压初始值U0、电容单体当前电压值U1和标识值，其中时间累加值TC、标识值、电流累加值IC初始值为零；以周期TS连续的采集电容单体串联电容组中各个单体电容的电流值和电压值，并进行如下处理：
步骤一、判断标识值是否为零，若为零则将获取的单体电容的当前周期电压值U1作为电压初始值U0，时间累加值TC和电流累加值IC清零，执行步骤二，若为1则进行步骤三；
步骤二、对电压初始值U0进行判断，若出现充电情况下，电压初始值U0小于电压下限阈值UL，或放电情况下，电压初始值U0大于电压上限阈值UH，则将标识值置为1，执行下一周期；否则，进入下一周期；
步骤三、时间累加值TC累加一个周期TS，电流累加值IC累加当前周期采集的电流值In，若至少出现在充电情况下电压当前值U1大于电压上限阈值UH，或在放电情况下电压当前值U1小于电压下限阈值UL，或时间累加值TC大于时间阈值TH之一，则执行步骤四，否则进入下一周期；
步骤四、计算获得单体电容值C，计算公式为：单体电容值C＝(电流累加值IC×周期TS)/|当前周期电压值U1-电压初始值U0|，计算后，若单体电容值C大于容量上限阈值CH或小于容量下限阈值CL，则控制通断控制模块断开，若否，则标识值清零，进入下一周期。
有益效果：本发明所述的一种超级电容组故障隔离电路与方法，能够有效的隔离故障超级电容组单元，确保单体失效的情况下，能够尽可能的完成设备的工作使命。
附图说明
图1为本发明所述超级电容组故障隔离电路；
图2为本发明所述通断控制电路；
图3为本发明所述电压监测和电流监测模块一种实施电路原理图；
其中：通断控制电路[1]、电流监测模块[2]、电压监测模块[3]。
具体实施方式
下面结合附图对发明的一种实施例作进一步详细描述，请参阅图1至图3。
具体提供一种并联超级电容组故障测控电路，包括控制单元和至少一个监测模块组。
每个监测模块组包括通断控制模块、电流监测模块、电压监测模块以及串联电容组；
电压监测模块，能够检测超级电容组中每个超级电容单体的电压；
电流监测模块，能够检测超级电容组的充电或放电电流。
其中，通断控制模块、电流监测模块以及串联电容组依次串联，并且通断控制模块一端接电源正，串联电容组一端接地，且在所述串联电容组上还并联有电压监测模块；电流监测模块和电压监测模块将监测信号传输给控制单元；控制单元发出控制信号给通断控制模块，通断控制模块用于接通和断开电流监测模块与电源正的联通。
进一步的，参考图2，通断控制电路[1]由NMOS管V1、PMOS管V2、PMOS管V3组成，其中V2、V3的源极连接到一起，V2、V3的栅极与V1的漏极连接，V2的漏极连接到对外接口，V3的漏极连接到电流监测模块[2]，V1的栅极连接到控制单元[4]；
参考图3，电压监测模块[3]采用串联电池/电容监测芯片LT6803构成，其监测端分别接到各个超级电容的两端。
参考图3，电流监测模块[2]采用LT6104与电流检测电阻构成，采用LT6104的典型电路。电流监测模块[2]的信号输出连接到电压监测模块[3]的电压采集通道上。
控制单元[4]由微控制器实现，通过SPI总线连接到电压监测模块[3]的SPI总线接口，来控制LT6803的工作。同时，控制单元[4]通过控制LT6803的IO接口来控制通断控制电路[1]的接通与关断。
还提供一种基于上述的并联超级电容组故障测控电路的故障处理方法，控制单元[4]设置有超级电容单体的容量上限阈值CH、容量下限阈值CL和单体电容值C，以及电流累加值IC、时间累加值TC、时间阈值TH、电容单体电压上限阈值UH、电容单体电压下限阈值UL、电容单体电压初始值U0、电容单体当前电压值U1和标识值，其中时间累加值TC、标识值、电流累加值IC初始值为零；以周期TS连续的采集电容单体串联电容组中各个单体电容的电流值和电压值，并进行如下处理：
步骤一、判断标识值是否为零，若为零则将获取的单体电容的当前周期电压值U1作为电压初始值U0，时间累加值TC和电流累加值IC清零，执行步骤二，若为1则进行步骤三；
步骤二、对电压初始值U0进行判断，若出现充电情况下，电压初始值U0小于电压下限阈值UL，或放电情况下，电压初始值U0大于电压上限阈值UH，则将标识值置为1，执行下一周期；否则，进入下一周期；
步骤三、时间累加值TC累加一个周期TS，电流累加值IC累加当前周期采集的电流值In，若至少出现在充电情况下电压当前值U1大于电压上限阈值UH，或在放电情况下电压当前值U1小于电压下限阈值UL，或时间累加值TC大于时间阈值TH之一，则执行步骤四，否则进入下一周期；
步骤四、计算获得单体电容值C，计算公式为：单体电容值C＝(电流累加值IC×周期TS)/|当前周期电压值U1-电压初始值U0|，计算后，若单体电容值C大于容量上限阈值CH或小于容量下限阈值CL，则控制通断控制模块断开，若否，则标识值清零，进入下一周期。

Claims (3)

1.一种并联超级电容组故障测控电路，包括控制单元和至少一个监测模块组，每个监测模块组包括通断控制模块、电流监测模块、电压监测模块以及串联电容组；
电压监测模块，能够检测超级电容组中每个超级电容单体的电压；
电流监测模块，能够检测超级电容组的充电或放电电流。
其中，通断控制模块、电流监测模块以及串联电容组依次串联，并且通断控制模块一端接电源正，串联电容组一端接地，且在所述串联电容组上还并联有电压监测模块；电流监测模块和电压监测模块将监测信号传输给控制单元；控制单元发出控制信号给通断控制模块，通断控制模块用于接通和断开电流监测模块与电源正的联通。
2.权利要求1所述一种并联超级电容组故障测控电路，其特征在于：通断控制电路[1]由NMOS管V1、PMOS管V2、PMOS管V3组成，其中V2、V3的源极连接到一起，V2、V3的栅极与V1的漏极连接，V2的漏极连接到对外接口，V3的漏极连接到电流监测模块[2]，V1的栅极连接到控制单元[4]。
3.一种基于权利要求1或2所述的并联超级电容组故障测控电路的故障处理方法，其特征在于：控制单元[4]设置有超级电容单体的容量上限阈值CH、容量下限阈值CL和单体电容值C，以及电流累加值IC、时间累加值TC、时间阈值TH、电容单体电压上限阈值UH、电容单体电压下限阈值UL、电容单体电压初始值U0、电容单体当前电压值U1和标识值，其中时间累加值TC、标识值、电流累加值IC初始值为零；
以周期TS连续的采集电容单体串联电容组中各个单体电容的电流值和电压值，并进行如下处理：
步骤一、判断标识值是否为零，若为零则将获取的单体电容的当前周期电压值U1作为电压初始值U0，时间累加值TC和电流累加值IC清零，执行步骤二，若为1则进行步骤三；
步骤二、对电压初始值U0进行判断，若出现充电情况下，电压初始值U0小于电压下限阈值UL，或放电情况下，电压初始值U0大于电压上限阈值UH，则将标识值置为1，执行下一周期；否则，进入下一周期；
步骤三、时间累加值TC累加一个周期TS，电流累加值IC累加当前周期采集的电流值In，若至少出现在充电情况下电压当前值U1大于电压上限阈值UH，或在放电情况下电压当前值U1小于电压下限阈值UL，或时间累加值TC大于时间阈值TH之一，则执行步骤四，否则进入下一周期；
步骤四、计算获得单体电容值C，计算公式为：单体电容值C＝(电流累加值IC×周期TS)/|当前周期电压值U1-电压初始值U0|，计算后，若单体电容值C大于容量上限阈值CH或小于容量下限阈值CL，则控制通断控制模块断开，若否，则标识值清零，进入下一周期。
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