CN108128173A - 用于超级电容模组的保护电路 - Google Patents

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杨伟明
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杨伟强
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Abstract

本发明提供了一种用于超级电容模组的保护电路，包括控制模块、超级电容模组、电压检测单元和均衡单元，超级电容模组包括至少两个超级电容，每个超级电容均连接有电压检测单元，每个超级电容对应设有可控开关，超级电容通过可控开关与所述均衡单元连接，控制模块分别与所述电压检测单元和可控开关连接，控制模块用于控制可控开关，切换对应的超级电容与所述均衡单元的连接。本发明的有益效果在于：提供了一种用于超级电容器模组的保护电路通过MCU控制均衡单元主动分时控制，在充放电的过程中对电压不均衡的电容进行能量转移和调整，还可通过输出保护单元进行主动断路或被动断路保护，大大增加了超级电容模组的安全性。

Description

用于超级电容模组的保护电路
技术领域
本发明涉及电源模组电路保护领域，尤其是指一种用于超级电容模组的保护电路。
背景技术
随着环境与能源利用之间的矛盾日益加剧，节能环保的呼声日益高涨，节能减排，高效利用能源成为各个行业发展转变的一个必然过程。而随着现代人生活品质的日益提高，汽车的使用频率越来越高，而现有汽车能源利用率低，能源使用单一，对环境污染最严重。2016年作为新能源汽车的元年，以纯电动和混动汽车为主的新能源汽车逐渐流行，目前市场上新能源汽车主要采用动力电池供电、纯超级电容模组供电或动力电池加超级电容器模组供电。超级电容的优势在于：1、适合大电流放电；2、超长寿命，充电周期大于50万次；3、无记忆效应；4、免维护；5、适用工作温度范围宽。目前限制超级电容推广主要是超级电容均衡设计耗能大，安全特性不足，因此想要在新能源汽车上大量推广应用，有必要对现有技术进行革新。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为克服现有超级电容模组均衡设计耗能大、安全特性不足的问题，提供一种设计合理，能够增加超级电容器及其模组安全性能的保护电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于超级电容模组的保护电路，包括控制模块、超级电容模组、电压检测单元和均衡单元，所述超级电容模组包括至少两个超级电容，每个超级电容均连接有电压检测单元，每个超级电容对应设有可控开关，所述超级电容通过可控开关与所述均衡单元连接，所述控制模块分别与所述电压检测单元和可控开关连接，
所述控制模块用于控制可控开关，切换对应的超级电容与所述均衡单元的连接。
进一步的，每个超级电容均连接有过压保护单元，所述过压保护单元用于根据所述控制模块的信号，保护对应的超级电容。
进一步的，包括输出保护单元，所述超级电容模组的输出端还连接有输出保护单元，所述输出保护单元用于当电流过大时断开超级电容的输出端。
进一步的，所述超级电容模组包括第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容，第一超级电容正极与超级电容模组正极连接，第一超级电容负极与第二超级电容正极连接，第二超级电容负极与第三超级电容正极连接，第三超级电容负极与超级电容模组负极连接，
第一超级电容正极连接于第一可控开关第一输入端，第一超级电容负极连接于第一可控开关第二输入端，第一可控开关第一输出端连接于均衡单元输入端，第一可控开关第二输出端连接于均衡单元输出端；
第二超级电容正极连接于第二可控开关第一输入端，第二超级电容负极连接于第二可控开关第二输入端，第二可控开关第一输出端连接于均衡单元输入端，第二可控开关第二输出端连接于均衡单元输出端；
第三超级电容正极连接于第三可控开关第一输入端，第三超级电容负极连接于第三可控开关第二输入端，第三可控开关第一输出端连接于均衡单元输入端，第三可控开关第二输出端连接于均衡单元输出端。
进一步的，每个过压保护单元均包括消耗电阻、开关MOS管、光耦器件，所述超级电容的一端连接所述消耗电阻的一端，消耗电阻的另一端连接开关MOS管的漏极，开关MOS管的源极与所述超级电容的另一端连接，所述开关MOS管的栅极与光耦器件的发射极连接，所述开关MOS管的栅极和源极之间连接有分压电阻，所述光耦器件的集电极与电源连接，所述光耦器件的阳极与所述控制模块连接，所述光耦器件的阴极与地连接。
进一步的，所述输出保护单元包括串联设置的电流检测单元、过流保护器和继电器，
所述电流检测单元用于检测所述超级电容模组的输出电流；
所述过流保护器用于在电流过大时切断所述超级电容模组的输出；
所述继电器用于根据所述控制模块的信号切断所述超级电容模组的输出。
进一步的，所述继电器由输出保护MOS管控制，所述继电器包括控制线圈，所述控制线圈的一端与电源正极连接，另一端与输出保护MOS管的漏极连接，所述输出保护MOS管的源极与地连接，所述输出保护MOS管的栅极与所述控制模块连接。
进一步的，所述均衡单元包括串联设置的均衡电容和均衡电阻，所述均衡电容的一端与均衡单元输入端连接，另一端与所述均衡电阻的一端连接，所述均衡电阻的另一端与均衡单元输出端连接。
进一步的，所述控制模块连接有基准电压单元，所述基准电源单元用于提供基准电压，所述控制模块通过比对基准电压和超级电容电压确定超级电容的充电状态。
进一步的，所述控制模块为MCU。
本发明的有益效果在于：提供了一种用于超级电容器模组的保护电路，该保护电路控制便捷，通过MCU控制均衡单元主动分时控制，在充放电的过程中对电压不均衡的电容进行能量转移和调整，当超级电容模组均出现过压情况时，MCU还可启动过压保护单元消耗超级电容的富余能量，达到保护超级电容的目的，超级电容模组还可通过输出保护单元进行主动断路或被动断路保护，大大增加了超级电容模组的安全性。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构：
图1为本发明的模块结构示意图；
图2为本发明的电路结构示意图；
A-均衡单元；B-超级电容模组；C-过压保护单元；D-控制模块；E-输出保护单元；
C1-第一超级电容；C2-第二超级电容；C3-第三超级电容；CZ-均衡电容；RZ-均衡电阻；SW1-第一可控开关；SW2-第二可控开关；SW3-第三可控开关；R1-第一消耗电阻；R2-第一分压电阻；Q1-第一开关MOS管；U1-第一光耦器件；T-电流检测单元；Q10-输出保护MOS管；KJA-控制线圈；KJB-继电器；TJ-过流保护器；
VCC-电源；GND-地线；U-控制模块。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
实施例1
请参阅图1，一种用于超级电容模组的保护电路，包括控制模块D、超级电容模组B、电压检测单元和均衡单元A，所述超级电容模组B包括至少两个超级电容，每个超级电容均连接有电压检测单元，每个超级电容对应设有可控开关，所述超级电容通过可控开关与所述均衡单元A连接，所述控制模块D分别与所述电压检测单元和可控开关连接，
所述控制模块D用于控制可控开关，切换对应的超级电容与所述均衡单元的连接。
本实施例中，控制模块通过检测各个电容值之间的电压差判断是否启动均衡单元，当一个超级电容电压高于另一个超级电容，且电压差大于0.5V时，控制模块通过闭合高电压超级电容的可控开关将高电压超级电容与均衡单元连接，高电压超级电容的能量转移一部分至均衡单元，然后断开高电压超级电容的可控开罐，再闭合低电压超级电容的可控开关将低电压超级电容与均衡单元连接，把均衡单元的能量转移至低电压超级电容，从而实现均衡电压。
由于均衡单元能量容纳能力较小，每次传输的能量有限，但是高电压超级电容与均衡单元之间均衡时间很短，在充电过程中，控制模块可以控制高电压超级电容的可控开关及低电压超级电容的可控开关运行在100-1Khz的切换频率，也就是每毫秒传输一次能量来均衡，大大增加了均衡精度。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供了一种用于超级电容器模组的保护电路，该保护电路控制便捷，通过MCU控制均衡单元主动分时控制，在充放电的过程中对电压不均衡的电容进行能量转移和调整，当超级电容模组均出现过压情况时，MCU还可启动过压保护单元消耗超级电容的富余能量，达到保护超级电容的目的，超级电容模组还可通过输出保护单元进行主动断路或被动断路保护，大大增加了超级电容模组的安全性。
实施例2
在实施例1的基础上，每个超级电容均连接有过压保护单元C，所述过压保护单元C用于根据所述控制模块D的信号，保护对应的超级电容。
本实施例中，当超级电容模组的整体电压过高或主动均衡也不能释放超级电容过高能量时，可采用被动式损耗，过压保护单元包括有消耗元件，控制模块向过压保护单元发出保护信号，过压保护单元启动，将超级电容与消耗元件连接，形成被动消耗回路，通过消耗元件发热消耗超级电容的能量。
实施例3
在实施例2的基础上，包括输出保护单元E，所述超级电容模组B的输出端与所述输出保护单元E连接，所述输出保护单元E用于当电流过大时断开所述超级电容模组B的输出端。
本实施例中，鉴于超级电容的超级放电能力，有必要为超级电容模组设置多重输出保护，输出保护单元包括有主动保护方式和被动保护方式，当控制模块检测到电流过大，则启动主动保护方式进行主动断路断电；当电流达到关断电流的120％，控制模块D还没有保护动作，被动保护方式启动切断通路，保护电路。
实施例4
请参阅图2，在实施例3的基础上，所述超级电容模组B包括第一超级电容C1、第二超级电容C2和第三超级电容C3，第一超级电容C1正极与超级电容模组B正极连接，第一超级电容C1负极与第二超级电容C2正极连接，第二超级电容C2负极与第三超级电容C3正极连接，第三超级电容C3负极与超级电容模组B负极连接，
第一超级电容C1正极连接于第一可控开关SW1第一输入端，第一超级电容C1负极连接于第一可控开关SW1第二输入端，第一可控开关SW1第一输出端连接于均衡单元A输入端，第一可控开关SW1第二输出端连接于均衡单元A输出端；
第二超级电容C2正极连接于第二可控开关SW2第一输入端，第二超级电容C2负极连接于第二可控开关SW2第二输入端，第二可控开关SW2第一输出端连接于均衡单元A输入端，第二可控开关SW2第二输出端连接于均衡单元A输出端；
第三超级电容C3正极连接于第三可控开关SW3第一输入端，第三超级电容C3负极连接于第三可控开关SW3第二输入端，第三可控开关SW3第一输出端连接于均衡单元A输入端，第三可控开关SW3第二输出端连接于均衡单元A输出端。
本实施例中，控制模块通过电压检测单元检测各超级电容的电压，当第一超级电容的电压最高，第三超级电容的电压最低时，控制模块控制第一可控开关闭合，第一超级电容与均衡单元连接，第一超级电容的电能传输至均衡单元，然后控制模块断开第一可控开关，闭合第三可控开关，使第三超级电容与均衡单元连接，均衡单元的电能传输至第三超级电容，从而实现不同超级电容之间的能量均衡传递。
第一可控开关、第二可控开关和第三可控开关均为双刀双掷开关，由控制模块控制，可达到100-1Khz的切换频率，使均衡单元以毫秒级的速度进行均衡操作，可实现精准均衡。
每个过压保护单元均包括消耗电阻、开关MOS管、光耦器件，所述超级电容的一端连接所述消耗电阻的一端，消耗电阻的另一端连接开关MOS管的漏极，开关MOS管的源极与所述超级电容的另一端连接，所述开关MOS管的栅极与光耦器件的发射极连接，所述开关MOS管的栅极和源极之间连接有分压电阻，所述光耦器件的集电极与电源连接，所述光耦器件的阳极与所述控制模块连接，所述光耦器件的阴极与地连接。
具体的，当第一超级电容C1的电压超过预设值，且通过主动均衡不能有效释放第一超级电容C1的电能时，第一过压保护单元启动保护动作，当控制模块D检测到第一超级电容C1处于过压状态，控制模块D发出保护信号，第一光耦器件U1导通，第一分压电阻R2的两端形成电压差，第一开关MOS管Q1的源极和漏极导通，第一超级电容C1、第一消耗电阻R1和第一开关MOS管Q1形成环路，通过第一消耗电阻R1被动消耗第一超级电容C1的电能，同理第二超级电容的第二保护单元用于保护第二超级电容，第三保护单元用于保护第三超级电容。
实施例6
在实施例5的基础上，所述输出保护单元E包括串联设置的电流检测单元T、过流保护器TJ和继电器KJB，
所述电流检测单元T用于检测所述超级电容模组B的输出电流；
所述过流保护器TJ用于在电流过大时切断所述超级电容模组B的输出；
所述继电器KJB用于根据所述控制模块D的信号切断所述超级电容模组B的输出。
具体的，所述继电器KJB由控制线圈KJA控制切换，所述控制线圈KJA的一端与电源正极VCC连接，另一端与输出保护MOS管Q10的漏极连接，所述输出保护MOS管Q10的源极与地线GND连接，所述输出保护MOS管Q10的栅极与所述控制模块B连接。
本实施例中，控制模块根据电流检测单元的信号，判断需要进行断路保护时，向保护MOS管发出保护信号，使保护MOS管的源极和漏极导通，继电器的控制线圈有电流通过，继电器的常闭触点变为常开触点，从而断开超级电容模组的输出。电流检测单元优选为直流互感器。
当控制模块出现故障，超过预设的关断电流20％还没有动作时，过流保护器由于电流过大产生形变，强制继电器断开级电容模组的输出。
实施例7
在实施例6的基础上，所述均衡单元A包括串联设置的均衡电容CZ和均衡电阻RZ，所述均衡电容CZ的一端与均衡单元A输入端连接，另一端与所述均衡电阻RZ的一端连接，所述均衡电阻RZ的另一端与均衡单元A输出端连接。
本实施例中，均衡电容CZ用于储能，均衡电阻RZ用于能量传输。
实施例8
在实施例9的基础上，所述控制模块D包括基准电压单元，所述基准电源单元用于提供基准电压，所述控制模块D通过比对基准电压和超级电容电压确定超级电容的充电状态。
本实施例中，采用来自外部的基准电压单元提供基准电压，有利于控制模块更为精准的比对超级电容的电压是否过高。
实施例10
在实施例9的基础上，所述控制模块D为MCU。
本实施例中，采用MCU有利于简化电路设计，减少电路的元件，提高可靠性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于超级电容模组的保护电路，其特征在于：包括控制模块、超级电容模组、电压检测单元和均衡单元，所述超级电容模组包括至少两个超级电容，每个超级电容均连接有电压检测单元，每个超级电容对应设有可控开关，所述超级电容通过可控开关与所述均衡单元连接，所述控制模块分别与所述电压检测单元和可控开关连接，
所述控制模块用于控制可控开关，切换对应的超级电容与所述均衡单元的连接。
2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于：每个超级电容均连接有过压保护单元，所述过压保护单元用于根据所述控制模块的信号，保护对应的超级电容。
3.如权利要求2所述的保护电路，其特征在于：包括输出保护单元，所述超级电容模组的输出端还连接有输出保护单元，所述输出保护单元用于当电流过大时断开超级电容的输出端。
4.如权利要求3所述的保护电路，其特征在于：所述超级电容模组包括第一超级电容、第二超级电容和第三超级电容，第一超级电容正极与超级电容模组正极连接，第一超级电容负极与第二超级电容正极连接，第二超级电容负极与第三超级电容正极连接，第三超级电容负极与超级电容模组负极连接，
第一超级电容正极连接于第一可控开关第一输入端，第一超级电容负极连接于第一可控开关第二输入端，第一可控开关第一输出端连接于均衡单元输入端，第一可控开关第二输出端连接于均衡单元输出端；
第二超级电容正极连接于第二可控开关第一输入端，第二超级电容负极连接于第二可控开关第二输入端，第二可控开关第一输出端连接于均衡单元输入端，第二可控开关第二输出端连接于均衡单元输出端；
第三超级电容正极连接于第三可控开关第一输入端，第三超级电容负极连接于第三可控开关第二输入端，第三可控开关第一输出端连接于均衡单元输入端，第三可控开关第二输出端连接于均衡单元输出端。
5.如权利要求4所述的保护电路，其特征在于：每个过压保护单元均包括消耗电阻、开关MOS管、光耦器件，所述超级电容的一端连接所述消耗电阻的一端，消耗电阻的另一端连接开关MOS管的漏极，开关MOS管的源极与所述超级电容的另一端连接，所述开关MOS管的栅极与光耦器件的发射极连接，所述开关MOS管的栅极和源极之间连接有分压电阻，所述光耦器件的集电极与电源连接，所述光耦器件的阳极与所述控制模块连接，所述光耦器件的阴极与地连接。
6.如权利要求5所述的保护电路，其特征在于：所述输出保护单元包括串联设置的电流检测单元、过流保护器和继电器，
所述电流检测单元用于检测所述超级电容模组的输出电流；
所述过流保护器用于在电流过大时切断所述超级电容模组的输出；
所述继电器用于根据所述控制模块的信号切断所述超级电容模组的输出。
7.如权利要求6所述的保护电路，其特征在于：所述继电器由输出保护MOS管控制，所述继电器包括控制线圈，所述控制线圈的一端与电源正极连接，另一端与输出保护MOS管的漏极连接，所述输出保护MOS管的源极与地连接，所述输出保护MOS管的栅极与所述控制模块连接。
8.如权利要求7所述的保护电路，其特征在于：所述均衡单元包括串联设置的均衡电容和均衡电阻，所述均衡电容的一端与均衡单元输入端连接，另一端与所述均衡电阻的一端连接，所述均衡电阻的另一端与均衡单元输出端连接。
9.如权利要求8所述的保护电路，其特征在于：所述控制模块连接有基准电压单元，所述基准电源单元用于提供基准电压，所述控制模块通过比对基准电压和超级电容电压确定超级电容的充电状态。
10.如权利要求9所述的保护电路，其特征在于：所述控制模块为MCU。
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