CN108225599A - 一种超级电容温度检测控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超级电容温度检测控制装置，热敏电阻用于温度信号的采集，通过热敏电阻的温度特性曲线，实现温度和阻值的转化；线性转换电路用于实现温度信号和电压信号的线性对应关系，电路输出的电压信号经过隔离放大送至AD采集电路对应的引脚；控制电路通过I2C总线协议实时读取AD芯片内指定寄存器中的数据；检测控制装置配有CAN通信电路，便于数据的远程读取和装置的控制；装置同储能系统充放电控制设备相连接，当储能系统工作过程中出现超级电容组过热现象时，通过温度反馈信号实现充放电速率的调整；该超级电容温度检测装置采用模块化方式实现每一个超级电容的温度检测，增强了超级电容阵列的可靠性。

Description

一种超级电容温度检测控制装置
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体是一种超级电容温度检测控制装置，特别涉及一种阵列式储能系统中超级电容的温度检测及控制。
背景技术
近年来，材料技术及其制作工艺获得飞速发展，不同型号规格的超级电容器相继问世。由于超级电容器具有能量密度高、使用寿命长、充放电时间短等特点，在电动汽车、微网储能、光伏发电、轨道交通和军事设备等领域获得了广泛的应用。近年来，国家为了提高能源的利用效率，加大了对储能技术及装备的扶植力度，超级电容将有着更加广阔的发展空间。
超级电容在工作过程中需要对电压、电流和温度等参数进行监测，由于单体超级电容耐压较低，因此，在使用过程中往往采用多组超级电容串并联的形式实现系统的储能要求。多组超级电容串并联给电压、电流和温度参数的采集工作带来了很大的挑战，为简化测量，实际应用中往往只对一个阵列超级电容的相关参数进行采集，难以实现每个超级电容的测量。
目前，国内对电容温度检测的研究较为广泛，例如专利号为CN104729733A专利公开了一种电力电容器环境温度检测及报警装置，该装置采用红外测温原理实现电力电容器环境温度的检测，但是该测温方式不适于储能用超级电容器的温度测量，无法实现单个超级电容温度的有效检测。专利号为CN105304346A专利公开了一种基于CAN总线通信的超级电容监控系统，该系统通过检测超级电容的电压、电流和温度的数据，实现超级电容工作状态的判断，但是该系统仅用于电压、电流、温度故障状态判断，获取的温度信号没有参与储能系统的运行控制。因此，一种能够有效检测超级电容工作温度，保证超级电容工作在指定的温度区间内，实现储能系统可靠运行的温度检测控制装置亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种超级电容温度检测控制装置，其利用温度和电压的线性化关系，通过隔离放大、高精度采集、数据处理和CAN通信技术，实现超级电容工作温度的采集和温度曲线绘制。结合系统采集的温度数据，通过与充放电控制装置的CAN通信，实现超级电容工作温度的控制。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：包括热敏电阻、线性转换电路、隔离放大电路、AD采集电路、控制电路、显示电路和CAN通信电路。其中，热敏电阻用于超级电容温度参数的获取，线性转换电路用于将温度信号和电压信号转化为线性对应关系，隔离放大电路用于线性转换后电压信号的隔离和调理，AD采集电路用于实现隔离放大处理后的电压信号的采集，控制电路用于信号的读取、判断、处理和存储，显示电路用于超级电容电压数据、工作状态和工作曲线的显示，CAN通信电路用于温度检测控制装置与充放电控制装置、上位机的信息交互。
所述线性转换电路采用带有频率补偿的对数放大器电路设计而成，电路包括精密电阻、精密电容、运算放大器和三级管组成。
所述隔离放大电路用于实现信号传输过程中的电气隔离，降低噪声信号对系统的影响，电路采用线性光耦HCNR201设计而成。
所述AD采集电路采用多路高精度AD芯片设计，每一路对应一组温度检测电路。AD采集电路采用逐次逼近方式实现电压信号采集，采集的数据按照要求存放在芯片内部寄存器，芯片支持I2C总线协议。
所述控制电路用于电压数据的读取、温度的计算和数据存储。
所述显示电路用于超级电容电极温度、历史数据、工作状态等参数的显示。
所述CAN通信电路用于控制电路、超级电容充放电控制装置和上位机之间的信息交互；
所述通信电路采用PCA82C251芯片设计而成。
进一步的，所述控制电路包括控制芯片、电源电路、时钟电路和存储电路。控制芯片采用STM32F1系列芯片，时钟电路采用外置晶振，电源电路采用5V转3.3V芯片。控制电路通过I2C总线协议实现对AD芯片内部指定寄存器的读取，通过SD卡将处理后的温度参数进行存储。
本发明采用多组模块串并联的方式进行超级电容组温度采集，通过热敏电阻实现单个超级电容工作温度的采集，利用线性转换电路将温度和电压的关系一一对应，降低了软件的复杂程度。通过对每个超级电容工作温度的采集，提高了储能系统中超级电容的，保证了储能系统的可靠工作。系统根据采集信号判断超级电容的工作温度，通过与储能系统中充放电设备的信息交互，优化了系统的结构，实现超级电容工作温度的有效控制，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的线性转换电路原理图。
图3为本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种超级电容温度检测控制装置包括热敏电阻1、线性转换电路2、隔离放大电路3、AD采集电路4、控制电路5、显示电路6和CAN通信电路7。热敏电阻1用于超级电容温度检测，通过不同温度下热敏电阻阻值的改变，实现温度信号的测量，电路采用电阻分压方式实现电阻和电压的转换。线性转换电路2用于将温度信号和电压信号转化为线性对应关系，降低系统软件的复杂程度。隔离放大电3路用于线性转换后电压信号的隔离和调理，使得转换后的电压满足AD采样芯片的要求，降低干扰信号对系统的影响。AD采集电路4用于实现隔离放大处理后的电压信号的采集，将模拟信号转化为数字信号并存储到指定的寄存器中。控制电路5用于转换后信号的读取、判断、处理和存储，根据比例关系将电压信号换算成对应的温度值。显示电路6用于超级电容电压数据、工作状态和工作历史曲线的显示。CAN通信电路7用于温度检测控制装置与充放电控制装置、上位机的信息交互，实现储能系统的温度自我调节和装置的远程控制。
线性转换电路2用于将温度信号和电压信号转化为线性对应关系，电路结构如图2所示。由于热敏电阻在工作过程中温度和阻值的关系为非线性关系，阻值和温度之间的表达式为：
式中，RT为热敏电阻在温度T下的阻值，RN为热敏电阻在规定温度TN下的阻值，B为热敏电阻的材料系数。
线性转换电路2采用对数函数结构，电路的输入电压和输出电压的关系表示为：
线性转换电路2采用精密电阻、精密电容、运算放大器和三极管设计而成。电路中精密电阻R用于电压和电流的转换，精密电容C f 用于频率补偿。
隔离放大电路3采用误差较低的线性光耦HCNR201设计而成，电路用于实现信号的隔离，降低干扰信号对系统的影响，电路的放大倍数结合AD采样芯片输入电压范围和输入电压幅值综合计算选取。
AD采集电路4用于将模拟信号转化为数字信号，供控制电路5读取。AD采集电路4采用逐次逼近的方式实现模数转化，转化后的数字信号自动存储到芯片指定的寄存器中，AD采集芯片支持I2C总线协议。
控制电路5包括控制芯片、时钟电路、电源电路和存储电路；控制芯片用于整个系统的数据读取、判断和控制；时钟电路为主控电路5提供时钟源，使电路按照时序有序工作；电源电路用于将5V电源转化为3.3V电源，保证控制电路5正常工作；存储电路用于采集数据、电容工作状态的存储，电路采用读写SD卡的形式实现。
超级电容温度检测控制装置中，一个AD采集电路4对应n个温度转换电路。控制电路5通过I2C总线协议读取AD芯片对应寄存器的数据，对数据进行计算，将电压信号转换为温度信号，对计算后的温度数据进行存储并通过显示电路6显示。控制电路5根据计算的结果对超级电容工作温度进行判断，通过CAN通信电路7将温度信息及调整参数分别传输给上位机和充放电装置，控制储能系统的充放电速度，实现超级电容工作温度的稳定。
本发明的软件流程如图3所示，开机运行时，系统首先进行自检和初始化操作。系统初始化结束后，通过I2C协议，按照设定的周期和地址读取顺序，读取各AD采集电路4中AD采样芯片内部的电压参数。控制电路5对采集的电压数据进行数字滤波处理，将采集的电压参数还原为温度参数。控制电路5将计算后的温度参数按照时间顺序存储到SD卡指定的扇区，判断出各超级电容当前的工作状态，并将计算出的温度参数通过显示电路6显示。控制电路5根据超级电容当前的工作状态，判断是否需要对储能系统的充放电速率进行调整。若需要调整，控制电路5通过CAN通信电路7与储能系统的充放电装置进行信息交互，控制储能系统的充放电速率，实现超级电容工作温度的控制和调整。温度检测控制装置在工作过程中准确记录每个超级电容的工作温度，对与部分超级电容过热现象，装置通过显示电路6将信息在显示界面上报警显示，提醒工作人员及时检查和维修。对正常工作的超级电容，系统自动保存温度数据和工作状态，绘制出超级电容工作是的历史温度曲线并将数据发送至上位机。
以上所述仅为本发明部分实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改和同等替换改进等，均应包含在本发明的保护之列。

Claims (8)

1.一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：包括热敏电阻(1)、线性转换电路(2)、隔离放大电路(3)、AD采集电路(4)、控制电路(5)、显示电路(6)和CAN通信电路(7)；
其中，热敏电阻(1)用于超级电容温度参数的获取，线性转换电路(2)用于将温度信号和电压信号转化为线性对应关系，隔离放大电路(3)用于线性转换后电压信号的隔离和调理，AD采集电路(4)用于实现隔离放大处理后的电压信号的采集，控制电路(5)用于信号的读取、判断、处理和存储，显示电路(6)用于超级电容电压数据、工作状态和工作曲线的显示，CAN通信电路(7)用于温度检测控制装置与充放电控制装置、上位机的信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：所述线性转换电路(2)包括精密电阻、电容和运算放大器，电路采用对数函数结构，实现温度参数和输出电压参数的线性对应关系。
3.根据权利要求1所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：所述隔离放大电路(3)采用HCNR201型线性光耦设计，电路放大倍数由AD采样芯片的工作电压确定。
4.根据权利要求1所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：所述AD采集电路(4)采用多路高精度AD芯片设计，电路采用逐次逼近方式实现电压信号采集，采集的数据按照要求存放在芯片内部寄存器。
5.根据权利要求1所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于： 所述控制电路(5)用于电压数据的读取、温度的计算和数据存储。
6.根据权利要求1所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：所述显示电路(6)用于超级电容电极温度、历史数据、工作状态等参数的显示。
7.根据权利要求1所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于： 所述CAN通信电路(7)用于控制电路(5)、超级电容充放电控制装置和上位机之间的信息交互。
8.根据权利要求5所述的一种超级电容温度检测控制装置，其特征在于：所述的控制电路(5)通过I2C总线协议实现对AD芯片内部指定寄存器的读取，通过SD卡将处理后的温度参数进行存储。
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