CN111308177A - 超级电容测量电路 - Google Patents

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黄明
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Abstract

本发明揭示一种超级电容测量电路，包括分压电路、隔离采样电路和单片机系统；N个超级电容首尾依次串联形成超级电容组，N为大于等于2的整数；所述隔离采样电路包括一主隔离采样电路和M‑1个副隔离采样电路，M为大于等于N的整数；分压电路的第一端连接于第一超级电容负极，第二端连接于第N超级电容正极，第三端连接于主隔离采样电路一端，主隔离采样电路另一端连接于单片机系统；前N‑1个超级电容中每个超级电容分别与一副隔离采样电路的一端连接，超级电容与副隔离采样电路一一对应，副隔离采样电路的另一端连接于单片机系统。通过本发明提供的超级电容隔离采样电路，实现对多个超级电容同时测量，提高测量效率，更有利于对超级电容的监控。

Description

超级电容测量电路
技术领域
本发明涉及超级电容测量领域，特别涉及一种超级电容测量电路。
背景技术
超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，因而不同于传统的化学电源，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，应用于太阳能能源、风力发电系统等。目前市面上存在超级电容测量仪，超级电容测量仪可对超级电容的电压进行测量，但现有的超级电容测量仪无法同时对多个超级电容进行测量，效率较慢，不利于对超级电容进行监控。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种超级电容测量电路，能实现同时对多个超级电容进行测量。
本发明提出一种超级电容测量电路，包括分压电路、隔离采样电路和单片机系统；
N个超级电容首尾依次串联形成超级电容组，分别命名为第一超级电容至第N超级电容，所述N为大于等于2的整数；所述隔离采样电路包括一主隔离采样电路和M-1个副隔离采样电路，所述M为大于等于N的整数；
所述分压电路的第一端连接于第一超级电容负极，第二端连接于第N超级电容正极，第三端连接于所述主隔离采样电路一端，所述主隔离采样电路另一端连接于所述单片机系统，所述分压电路输出所述超级电容组的分压信号至所述主隔离采样电路，所述单片机系统获取所述主隔离采样电路输出的主采样信号得到所述超级电容组的电压；
前N-1个所述超级电容中每个所述超级电容分别与一所述副隔离采样电路的一端连接，所述超级电容与所述副隔离采样电路一一对应，所述副隔离采样电路的另一端连接于所述单片机系统，所述单片机系统获取所述副隔离采样电路输出的副采样信号得到前N-1个所述超级电容各自的电压。
进一步地，所述分压电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述主隔离采样电路包括主隔离芯片和主信号放大电路；
所述第一电阻的一端与第N超级电容的正极连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第一超级电容的负极连接，且与所述主隔离芯片的VINN端口和GND1端口连接，所述主隔离芯片的VDD1端口与所述第二超级电容的正极连接，所述主隔离芯片的VOUTP端口与所述主信号放大电路的第一端连接，所述主隔离芯片的VOUTN端口与所述主信号放大电路的第二端连接，所述主信号放大电路的第三端与所述单片机系统连接。
进一步地，所述副隔离采样电路包括隔离芯片和信号放大电路，前N-1个所述超级电容分别与其所对应的所述副隔离采样电路的所述隔离芯片的一端连接，所述隔离芯片的另一端连接于所述信号放大电路的一端，所述信号放大电路的另一端连接于所述单片机系统。
进一步地，所述信号放大电路包括运放、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第四电阻的一端与所述隔离芯片的VOUTP端口连接，所述第四电阻的另一端与所述运放的正极输入端连接，所述第五电阻的一端与所述隔离芯片的VOUTN端口连接，所述第五电阻的另一端与所述运放的负极输入端连接，所述第六电阻连接于所述运放的负极输入端与输出端之间，所述运放的正电源端与外部电源连接，所述运放的负电源端接地，所述运放的输出端与所述单片机系统连接。
进一步地，所述隔离芯片的VDD1端口与其所对应的所述超级电容的下一所述超级电容的正极连接，所述隔离芯片的GND1端口与其所对应的超级电容的负极连接。
进一步地，所述副隔离采样电路还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路包括第七电阻和第一电容，所述第七电阻的一端与所述运放的输出端连接，所述第七电阻的另一端与所述第一电容的一端连接且连接于单片机系统，所述第一电容的另一端接地。
进一步地，所述副隔离采样电路还包括保护电路，前N-1个所述超级电容的正极分别与一个保护电路的一端连接，前N-1个所述超级电容的负极分别与一保护电路的另一端连接。
进一步地，所述副隔离采样电路还包括第八电阻和第九电阻，所述第八电阻的一端与所述保护电路的一端连接，所述第八电阻的另一端与所述隔离芯片的VINP端口连接，所述第九电阻的一端与所述保护电路的另一端连接，所述第九电阻的另一端与所述隔离芯片的VINN端口连接。
进一步地，所述副隔离采样电路还包括第二电容，所述第二电容连接于所述隔离芯片的VINP端口和VINN端口之间。
进一步地，所述信号放大电路还包括第三电容，所述第三电容连接于所述运放的正极输入端和负极输入端之间。
本发明提供的超级电容测量电路，前N-1个超级电容分别与一副隔离采样电路连接，副隔离采样电路输出副采样信号到单片机系统，得到前N-1个超级电容各自的电压，分压电路与主隔离采样电路连接，主隔离采样电路接收分压电路输出的超级电容组的分压信号，输出主采样信号到单片机系统，得到超级电容组的电压，单片机系统采集到超级电容组的电压和前N-1个超级电容各自的电压后，采用超级电容组的电压减去前N-1个超级电容各自的电压得到第N个超级电容的电压，从而得到全部超级电容各自的电压，前N-1个超级电容分别通过一个副隔离采样电路与单片机系统连接，副隔离采样电路之间互不干扰，单片机系统可以同时采样，得到前N-1个超级电容的电压，再通过计算得到第N个超级电容的电压，提高整体效率，便于对超级电容组和单个超级电容进行监控。
附图说明
图1为本发明一实施例的超级电容测量电路的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的超级电容测量电路的结构示意图;
图3为本发明图2中的A部的局部放大图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明一实施例提出一种超级电容测量电路，包括分压电路10、隔离采样电路和单片机系统30；
N个超级电容首尾依次串联形成超级电容组，分别命名为第一超级电容至第N超级电容，所述N为大于等于2的整数；所述隔离采样电路包括一主隔离采样电路21和M-1个副隔离采样电路22，所述M为大于等于N的整数；
所述分压电路10的第一端连接于第一超级电容负极，第二端连接于第N超级电容正极，第三端连接于所述主隔离采样电路21一端，所述主隔离采样电路21另一端连接于所述单片机系统30，所述分压电路10输出所述超级电容组的分压信号至所述主隔离采样电路21，所述单片机系统30获取所述主隔离采样电路21输出的主采样信号得到所述超级电容组的电压；
前N-1个所述超级电容中每个所述超级电容分别与一所述副隔离采样电路22的一端连接，所述超级电容与所述副隔离采样电路22一一对应，所述副隔离采样电路22的另一端连接于所述单片机系统30，所述单片机系统30获取所述副隔离采样电路22输出的副采样信号得到前N-1个所述超级电容各自的电压。
本实施例中，本实施例所提供的超级电容测量测量电路实现同时对多个超级电容进行测量，提高效率。前N-1个超级电容分别与一个副隔离采样电路22连接，副隔离采样电路22采集各自所对应的超级电容的电压信号并发送副采样信号到单片机系统30，得到前N-1个超级电压各自的电压。分压电路10输出超级电容组的分压信号到主隔离采样电路21中，主隔离采样电路21输出主采样信号到单片机系统，得到超级电容组的电压，单片机系统30将超级电容组的电压减去前N-1个超级电容各自的电压得到第N个超级电容的电压，从而得到全部超级电容各自的电压，前N-1个超级电容各自通过一个副隔离采样电路22与单片机系统30连接，副隔离采样电路22之间互不干扰，单片机系统30可以同时采样，得到前N-1个超级电容的电压，再通过计算得到第N个超级电容的电压，提高整体效率，便于对超级电容组和单个超级电容进行监控。本实施例所提供的超级电容检测电路实现对超级电容组电压的多点监控，省去了测量人员拔插接线端子的过程，只需要简单与超级电容组连接，大大提高了超级电容组检测效率。
参见图2，在一实施例中，所述分压电路10包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，所述主隔离采样电路21包括主隔离芯片和主信号放大电路；
所述第一电阻R1的一端与第N超级电容的正极连接，所述第一电阻R1的另一端与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第三电阻R3的一端连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第一超级电容的负极连接，且与所述主隔离芯片的VINN端口和GND1端口连接，所述主隔离芯片的VDD1端口与所述第二超级电容的正极连接，所述主隔离芯片的VOUTP端口与所述主信号放大电路的第一端连接，所述主隔离芯片的VOUTN端口与所述主信号放大电路的第二端连接，所述主信号放大电路的第三端与所述单片机系统30连接。
本实施例中，分压电路10产生分压信号输入主隔离采样电路21，主隔离采样电路21输出主采样信号至单片机系统30，单片机系统30根据主采样信号得到超级电容组的电压。本实施例中，第一超级电容和第二超级电容为主隔离芯片的输入供电，主隔离芯片将超级电容组高压端与主信号放大电路和单片机系统30低压端隔离，提高采样精度，保护电路。
在一实施例中，所述副隔离采样电路22包括隔离芯片和信号放大电路，前N-1个所述超级电容分别与其所对应的所述副隔离采样电路22的所述隔离芯片的一端连接，所述隔离芯片的另一端连接于所述信号放大电路的一端，所述信号放大电路的另一端连接于所述单片机系统30。
本实施例中，单片机系统30通过副隔离采样电路22采集前N-1个超级电容的电压，隔离芯片将超级电容高压端和单片机系统30低压端隔离，提高单片机系统30采样精度，保证电路安全，同时可让单片机系统30同时对超级电容的电压进行采样。信号放大电路可调节输出到单片机系统30的电压，保证采样的准确性。具体的，隔离芯片可采用SI8931型号的芯片，隔离芯片的VDD2端口与外部电源连接，隔离芯片的GND2端口接地。主隔离采样电路21和副隔离采样电路22具有相同的结构。
在一实施例中，所述信号放大电路包括运放、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，所述第四电阻R4的一端与所述隔离芯片的VOUTP端口连接，所述第四电阻R4的另一端与所述运放的正极输入端连接，所述第五电阻R5的一端与所述隔离芯片的VOUTN端口连接，所述第五电阻R5的另一端与所述运放的负极输入端连接，所述第六电阻R6连接于所述运放的负极输入端与输出端之间，所述运放的正电源端与外部电源连接，所述运放的负电源端接地，所述运放的输出端与所述单片机系统30连接。
本实施例中，运放、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6组成信号放大电路，信号放大电路的另一端与单片机系统30具有AD（Analog to Digital ，模数转换）转换功能的引脚连接，通过信号放大电路，使得输入单片机系统30的电压值在AD采样范围内，便于单片机系统30测量。
在一实施例中，所述隔离芯片的VDD1端口与其所对应的所述超级电容的下一所述超级电容的正极连接，所述隔离芯片的GND1端口与其所对应的超级电容的负极连接。
本实施例中，隔离芯片由两个超级电容供电，实现了隔离芯片的的供电稳定性和采样基准电平相对性。具体的，隔离芯片还可采用三个超级电容供电。
在一实施例中，所述副隔离采样电路22还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路包括第七电阻R7和第一电容C1，所述第七电阻R7的一端与所述运放的输出端连接，所述第七电阻R7的另一端与所述第一电容C1的一端连接且连接于单片机系统30，所述第一电容C1的另一端接地。
本实施例中，通过设置低通滤波电路，过滤运放输出端的高频纹波，保证单片机系统30采样的准确性。具体的，主隔离采样电路21还包括低通滤波电路，所述第七电阻R7的一端与主隔离采样电路21的运放的输出端连接，所述第七电阻R7的另一端与所述第一电容C1的一端连接且连接于单片机系统30，所述第一电容C1的另一端接地。
在一实施例中，所述副隔离采样电路22还包括保护电路，前N-1个所述超级电容的正极分别与一个保护电路的一端连接，前N-1个所述超级电容的负极分别与一保护电路的另一端连接。
本实施例中，通过设置保护电路，保证每个超级电容的电压值相对相同，防止某个超级电容电压过高损坏超级电容组，具体的，保护电路可采用阻值相同的电阻。
在一实施例中，所述副隔离采样电路还包括第八电阻R8和第九电阻R9，所述第八电阻R8的一端与所述保护电路的一端连接，所述第八电阻R8的另一端与所述隔离芯片的VINP端口连接，所述第九电阻R9的一端与所述保护电路的另一端连接，所述第九电阻R9的另一端与所述隔离芯片的VINN端口连接。
本实施例中，第八电阻R8和第九电阻R9的阻值是一样的，使得超级电容的电压差分输入到隔离芯片中。
在一实施例中，所述副隔离采样电路22还包括第二电容C2，所述第二电容C2连接于所述隔离芯片的VINP端口和VINN端口之间。
本实施例中，通过设置第一电容C1，过滤掉流入隔离芯片的高频纹波，保证采样的准确性。
在一实施例中，所述信号放大电路还包括第三电容C3，所述第三电容C3连接于所述运放的正极输入端和负极输入端之间。
本实施例中，第三电容C3的一端连接于第四电阻R4的另一端，第三电容C3的另一端连接于第五电阻R5的另一端，通过设置第三电容C3，过滤掉流入运放的高频纹波。
在一实施例中，还包括第四电容C4，第四电容C4与隔离芯片的VDD2端口并联，通过第四电容C4对外部电源流入隔离芯片的电压进行滤波，隔离芯片、运放和单片机系统30所接入的外部电源可为同一外部电源，保证单片机系统30采样的准确性。
本发明提供的超级电容测量电路，前N-1个超级电容分别与一副隔离采样电路22连接，副隔离采样电路22输出副采样信号到单片机系统30，得到前N-1个超级电容各自的电压，分压电路10与主隔离采样电路21连接，主隔离采样电路21接收分压电路10输出的超级电容组的分压信号，输出主采样信号到单片机系统30，得到超级电容组的电压，单片机系统30采集到超级电容组的电压和前N-1个超级电容各自的电压后，采用超级电容组的电压减去前N-1个超级电容各自的电压得到第N个超级电容的电压，从而得到全部超级电容各自的电压，前N-1个超级电容分别通过一个副隔离采样电路22与单片机系统30连接，副隔离采样电路22之间互不干扰，单片机系统30可以同时采样，得到前N-1个超级电容的电压，再通过计算得到第N个超级电容的电压，提高整体效率，便于对超级电容组和单个超级电容进行监控。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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)

1.一种超级电容测量电路，其特征在于，包括分压电路、隔离采样电路和单片机系统；
N个超级电容首尾依次串联形成超级电容组，分别命名为第一超级电容至第N超级电容，所述N为大于等于2的整数；所述隔离采样电路包括一主隔离采样电路和M-1个副隔离采样电路，所述M为大于等于N的整数；
所述分压电路的第一端连接于第一超级电容负极，第二端连接于第N超级电容正极，第三端连接于所述主隔离采样电路一端，所述主隔离采样电路另一端连接于所述单片机系统，所述分压电路输出所述超级电容组的分压信号至所述主隔离采样电路，所述单片机系统获取所述主隔离采样电路输出的主采样信号得到所述超级电容组的电压；
前N-1个所述超级电容中每个所述超级电容分别与一所述副隔离采样电路的一端连接，所述超级电容与所述副隔离采样电路一一对应，所述副隔离采样电路的另一端连接于所述单片机系统，所述单片机系统获取所述副隔离采样电路输出的副采样信号得到前N-1个所述超级电容各自的电压。
2.根据权利要求1所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述分压电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻，所述主隔离采样电路包括主隔离芯片和主信号放大电路；
所述第一电阻的一端与第N超级电容的正极连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第一超级电容的负极连接，且与所述主隔离芯片的VINN端口和GND1端口连接，所述主隔离芯片的VDD1端口与所述第二超级电容的正极连接，所述主隔离芯片的VOUTP端口与所述主信号放大电路的第一端连接，所述主隔离芯片的VOUTN端口与所述主信号放大电路的第二端连接，所述主信号放大电路的第三端与所述单片机系统连接。
3.根据权利要求1所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述副隔离采样电路包括隔离芯片和信号放大电路，前N-1个所述超级电容分别与其所对应的所述副隔离采样电路的所述隔离芯片的一端连接，所述隔离芯片的另一端连接于所述信号放大电路的一端，所述信号放大电路的另一端连接于所述单片机系统。
4.根据权利要求3所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述信号放大电路包括运放、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第四电阻的一端与所述隔离芯片的VOUTP端口连接，所述第四电阻的另一端与所述运放的正极输入端连接，所述第五电阻的一端与所述隔离芯片的VOUTN端口连接，所述第五电阻的另一端与所述运放的负极输入端连接，所述第六电阻连接于所述运放的负极输入端与输出端之间，所述运放的正电源端与外部电源连接，所述运放的负电源端接地，所述运放的输出端与所述单片机系统连接。
5.根据权利要求3所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述隔离芯片的VDD1端口与其所对应的所述超级电容的下一所述超级电容的正极连接，所述隔离芯片的GND1端口与其所对应的超级电容的负极连接。
6.根据权利要求4所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述副隔离采样电路还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路包括第七电阻和第一电容，所述第七电阻的一端与所述运放的输出端连接，所述第七电阻的另一端与所述第一电容的一端连接且连接于单片机系统，所述第一电容的另一端接地。
7.根据权利要求3所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述副隔离采样电路还包括保护电路，前N-1个所述超级电容的正极分别与一个保护电路的一端连接，前N-1个所述超级电容的负极分别与一保护电路的另一端连接。
8.根据权利要求7所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述副隔离采样电路还包括第八电阻和第九电阻，所述第八电阻的一端与所述保护电路的一端连接，所述第八电阻的另一端与所述隔离芯片的VINP端口连接，所述第九电阻的一端与所述保护电路的另一端连接，所述第九电阻的另一端与所述隔离芯片的VINN端口连接。
9.根据权利要求3所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述副隔离采样电路还包括第二电容，所述第二电容连接于所述隔离芯片的VINP端口和VINN端口之间。
10.根据权利要求4所述的超级电容测量电路，其特征在于，所述信号放大电路还包括第三电容，所述第三电容连接于所述运放的正极输入端和负极输入端之间。
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