CN111781544B - 储能电容装置及其状态监测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能电容装置及其状态监测电路，储能电容装置可以使用多个储能电容,并且能对所有的储能电容分别进行健康状态检测，精确定位异常电容的位置。通过状态监测电路可编程设定一定的循环检测周期，在检测周期内，逐一将N路储能电容的通道关闭，并在每个储能电容通道关闭期间，检测对应的储能电容的负端获得负端电压，根据所述负端电压判断当前储能电容是否异常。若储能电容在工作中出现异常，可以通过分离异常储能电容，从而不影响系统电路的正常工作。

Description

储能电容装置及其状态监测电路
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种储能电容装置及其状态监测电路。
背景技术
储能电容健康状态异常分为两类。第一类是电容开路，当电容等效串联电阻ESR损伤造成电容开路时，异常电容被自然断开，不需要另作处理。第二类是电容短路，当电容ESR损伤造成电容短路时，将会严重危及系统工作，所以必须采用合理的电容健康管理控制方案防止这类情况的发生。
如图1所示的是现有的电容状态监测管理方案，在系统电路受电后,VBUS通过双向DC-DC的电源管理芯片利用内部boost对CSTAR1～CSTAR4电容充电储能。当系统电路掉电后,电源管理芯片通过CSTAR1～CSTAR4存储的电量利用内部buck反向通过VBUS对系统后级电路供电,以便驻留在缓冲区中的数据可以写入闪存，减少数据丢失。
此方案通过对储能电容的等效串联电阻ESR检测来判定电容的健康状况。如图2的工作波形所示,当电源管理芯片启动对电容ESR检测时,内部会产生持续15us的下拉电流IESR,并检测电压VSTAR1。设定15us远小于电容CSTAR1的放电时间，则VSTAR1可以看作恒定的值，ΔV＝VSTR-VSTR1。故电容的ESR值＝ΔV/IESR，若检测后的计算值大于或小于电源管理芯片内部所设定的异常等效串联电阻ESR阈值，可以判定等效串联电阻ESR错误被触发。
此方案的缺陷在于当发现等效串联电阻ESR错误触发时，若电源管理芯片的内部开关切断CSTAR电容，则电源储能管理功能将被终止。且在并联多个CSTR电容时，无法检测各个CSTR电容的等效串联电阻ESR，不能精确定位出异常的电容并将其切断。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种储能电容装置及其状态监测电路，以解决现有不能精确定位出异常的电容的问题。
第一方面，提供一种状态监测电路，用于监测储能电容装置中的电容状态，其中所述储能电容装置包括至少一个并联连接的储能电容，其特征在于，
所述状态监测电路用以在检测周期内逐一断开所述储能电容的负端的连接，并通过检测所述储能电容的负端的电压来判断所述储能电容是否异常。
优选地，每路所述储能电容的负端，均通过一对应开关连接至参考地。
优选地，所述状态监测电路通过关断所述对应开关，以实现逐一断开所述储能电容的负端的连接。
优选地，逐一将所述储能电容的通道关闭预定时间，且所述预定时间大于所述储能电容在最大漏电流下被充至预设的第一阈值的充电时间。
优选地，在所述预定时间内，当所述负端电压大于所述第一阈值时，判断当前储能电容为异常。
优选地，所述第一阈值，与所述储能电容的容值、所述预定时间以及所述储能电容的最大漏电流相关。
优选地，当判断当前储能电容为异常状态时，继续断开当前储能电容的负端的连接。
优选地，在每个所述预定时间内获取所述储能电容的负端的电流，以进行限流控制。
第二方面，提供一种储能电容装置，与至少一个储能电容相连，其特征在于，包括：
上述的状态监测电路；以及
至少一个开关，每个所述开关连接在对应的储能电容的负端与参考地之间。
优选地，所述至少一个开关被配置为内置在所述状态监测电路中。
优选地，所述储能电容装置还包括一电源管理电路，用以在系统电路受电后，输入电源给所述至少一个储能电容供电；在系统电路掉电后，所述至少一个储能电容对所述输入电源的供电端供电。
本发明技术通过在本发明的控制方式下，储能电容装置可以使用多个储能电容,并且能对所有的储能电容分别进行健康状态检测，精确定位异常电容的位置。通过状态监测电路可编程设定一定的循环检测周期，在检测周期内，逐一将N路储能电容的通道关闭，并在每个储能电容通道关闭期间，检测对应的储能电容的负端获得负端电压，根据所述负端电压判断当前储能电容是否异常。若储能电容在工作中出现异常，可以通过分离异常储能电容，从而不影响系统电路的正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的储能电容系统的结构框图；
图2为现有的储能电容系统的状态监测过程的工作波形图；
图3为依据本发明的储能电容装置的结构框图；
图4为依据本发明的储能电容装置的状态监测过程的工作波形图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图3为依据本发明的储能电容装置的结构框图。如图所示，储能电容装置，包括N路并联连接的储能电容，这里，N是大于等于1的自然数，当N大于1时，N路电容CSTR1、CSTR2、直到CSTRN(例如CSTR4)并联连接，在N路电容的公共的上端，生成储能电压VSTR。储能电容装置还包括一电源管理电路31，用以在系统电路受电后,VBUS通过双向DC-DC的电源管理芯片利用内部boost对N路电容CSTR1～CSTRN充电储能。当系统电路掉电后,电源管理芯片通过N路电容CSTR1～CSTRN存储的电量利用内部buck反向通过VBUS对系统后级电路供电,以便驻留在缓冲区中的数据可以写入闪存，减少数据丢失。
为了监测储能电容的健康状态，防止电容等效串联电阻ESR损伤造成电容开路或短路，储能电容装置还设置一状态监测电路32，当只有一路储能电容CSTR时，用以在检测周期内，通过断开储能电容CSTR的负端的连接，将储能电容CSTR的通道关闭，并在储能电容通道关闭期间，检测储能电容CSTR的负端获得负端电压VIN，根据负端电压VIN判断储能电容CSTR是否异常。当判断储能电容CSTR为异常状态时，继续保持储能电容CSTR的通道关闭；当判断储能电容CSTR为正常状态时，当储能电容CSTR的通道关闭预定时间Tth后，继续导通储能电容CSTR的通道。且在每个所述预定时间Tth内获取储能电容CSTR的负端的电流，以进行限流控制。
当系统具有多路储能电容CSTR1～CSTRN时，状态检测电路32用以在检测周期内，通过逐一断开储能电容CSTR1～CSTRN的负端的连接，以逐一将所述N路储能电容的通道关闭，并在每个储能电容通道关闭期间，检测对应的储能电容CSTRn(n＝1、2、…N)的负端获得负端电压VINn，根据负端电压VINn判断当前储能电容CSTRn是否异常。当判断当前储能电容CSTRn为异常状态时，继续保持当前储能电容CSTRn的通道关闭；当判断当前储能电容CSTRn为正常状态时，当当前储能电容CSTRn的通道关闭预定时间Tth后，继续导通当前储能电容CSTRn的通道。且在每个所述预定时间Tth内获取储能电容CSTR1～CSTRN的负端的电流，以进行限流控制。
在本发明实施例中，每路储能电容CSTRn的负端，均通过一对应开关Mn连接至参考地，以控制储能电容CSTRn通道的关闭或导通。状态监测电路32通过关断对应开关Mn，以实现逐一将N路储能电容CSTR1～CSTRN的通道关闭。优选地，N个对应的开关被配置为内置于状态检测电路32中。
状态监测电路32的工作过程为：在一个检测周期内，通过发送指令EN1～ENN逐一关闭多路储能电容CSTR1～CSTRN的通道，具体地，指令ENn可被设置为低电平信号，指令ENn通过控制与储能电容CSTRn连接的开关Mn关断，来使得当前储能电容CSTRn的通道关闭。当当前储能电容CSTRn的通道关闭预定时间Tth内，检测被关闭通道的储能电容CSTRn的负端电压VINn的大小，当负端电压VINn大于第一阈值Vth时，判断当前储能电容CSTRn为异常，这里，预定时间Tth大于所述储能电容CSTRn在最大漏电流下被充至预设的第一阈值Vth的充电时间以确保检测的准确性。下面具体分析状态监测电路的工作机理：
储能电容装置正常工作时,所有储能电容CSTR1～CSTRN的通道保持导通状态，多路储能电容CSTR1～CSTRN均接地，其对应的负端电压VIN1～VINN的电位为0V，所有储能电容被充电至储能电压VSTR。一旦某一路储能电容CSTRn的通道关闭，其对应的负端电压VINn会因电容电压迟滞的特性保持在低电压。
当储能电容装置状态发生异常，其表现为形成一个电阻并联在储能电容CSTRn的电路中，将会有漏电流ILEAKAGE流入电容CSTRn的负端，如图3虚线标示。此时储能电容CSTRn将被反向充电，负端电压VINn电压逐渐升高。在系统设定的预定时间Tth内，当负端电压VINn上升到预设的第一阈值Vth时，将认为当前储能电容CSTRn漏电过大，当前储能电容CSTRn被判定异常而失效。反之，在设定的预定时间Tth内负端电压VINn未上升到预设的第一阈值Vth时，当前储能电容CSTRn被判定正常。
图4为依据本发明的储能电容装置的状态监测过程的工作波形图。
如图所示：
1.在系统上电正常后，状态监测电路32同时产生有效的指令EN1-EN4(在此以高电平为有效)，这里，以4路为例来加以说明，导通所有储能电容CSTR1～CSTR4的通道，使所有储能电容CSTR1～CSTR4进行充电，此时负端电压VIN1～VIN4的电压都为0V。
2.指定EN1无效，开关M1关断使得通道1(CH1)被关闭，指令EN2～EN4保持拉高状态，状态监测电路32在设定的预定时间Tth内检测负端电压VIN1的电压大小。若负端电压VIN1大于第一阈值Vth，则认为储能电容CSTR1工作异常，指令EN1始终保持拉低，使通道1上的储能电容CSTR1分离开电源管理电路(如图中所示)。若负端电压VIN1小于第一阈值Vth，则认为储能电容CSTR1工作正常，在预定时间Tth结束后，指令EN1重新拉高，将被检测后的健康的储能电容CSTR1重新连接上电源管理电路31。
3.拉低指令EN2，开关M2关断使得通道2(CH2)被关闭，指令EN1、EN3、EN4保持拉高状态(若CH1的储能电容CSTR1检测为异常，则指令EN1保持拉低状态)。状态监测电路32在设定的预定时间Tth内检测负端电压VIN2的电压大小。若负端电压VIN2大于第一阈值Vth，则认为储能电容CSTR2工作异常，指令EN2始终保持拉低，使通道2上的储能电容CSTR2分离开电源管理电路。若负端电压VIN2小于第一阈值Vth，则认为储能电容CSTR2工作正常，在预定时间Tth结束后，指令EN2重新拉高(如图中所示)，将被检测后的健康的储能电容CSTR2重新连接上电源管理电路31。
4.通道3、通道4接着重复上述2或3的步骤，进行储能电容CSTR3、CSTR4健康状况的监测。被检测判定为异常电容的通路将会被分离开电源管理电路31，通过检测的正常电容会重新连接电源管理电路进行工作。
在本发明中，第一阈值Vth，与储能电容CSTRn的容值、预定时间Tth以及储能电容CSTRn的最大漏电流ILEAKAGE_MAX相关。通过工作波形图4所示，若储能电容CSTR1电容异常，CSTR1通过漏电ILEAKAGE被反向充电，负端电压VIN1电压逐渐升高，负端电压VIN1为：
Figure BDA0002537423140000071
系统设置电容异常的判定电压即第一阈值Vth为：
Figure BDA0002537423140000072
这里，ILEAKAGE_MAX是储能电容最大不允许超过的漏电流，由相应选型的电容规格所定义。预定时间Tth可以是由系统所定义的，或由系统先确定电容异常的判定电压即第一阈值Vth，通过下式计算得出系统需要设置的用于异常状态检测的预定时间Tth。
Figure BDA0002537423140000073
在本发明的控制方式下，储能电容装置可以使用多个储能电容,并且能对所有的储能电容分别进行健康状态检测，精确定位异常电容的位置。通过状态监测电路可编程设定一定的循环检测周期，在检测周期内，逐一将N路储能电容的通道关闭，并在每个储能电容通道关闭期间，检测对应的储能电容的负端获得负端电压，根据所述负端电压判断当前储能电容是否异常。若储能电容在工作中出现异常，可以通过分离异常储能电容，从而不影响系统电路的正常工作。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种状态监测电路，用于监测储能电容装置中的电容状态，其中所述储能电容装置包括至少一个并联连接的储能电容，其特征在于，
在检测周期内，所述状态监测电路通过将所述储能电容的负端与参考地之间的通道关闭预定时间，并在每个所述储能电容与参考地之间的通道关闭期间，获取对应的所述储能电容的负端电压；
根据对应的所述储能电容的负端电压和第一阈值确定对应的所述储能电容是否处于异常状态；
其中，所述预定时间大于所述储能电容在最大漏电流下被充至预设的第一阈值的充电时间，所述第一阈值，与所述储能电容的容值、所述预定时间以及所述储能电容的最大漏电流相关。
2.根据权利要求1所述的状态监测电路，其特征在于，每路所述储能电容的负端，均通过一对应开关连接至参考地。
3.根据权利要求2所述的状态监测电路，其特征在于，所述状态监测电路通过关断所述对应开关，以实现逐一断开所述储能电容的负端的连接。
4.根据权利要求1所述的状态监测电路，其特征在于，所述第一阈值与所述储能电容的容值以及与所述预定时间呈正比。
5.根据权利要求1所述的状态监测电路，其特征在于，所述第一阈值与所述储能电容的最大漏电流呈反比。
6.根据权利要求1所述的状态监测电路，其特征在于，在所述负端电压大于所述第一阈值时，确定相应的所述储能电容为异常状态，在所述负端电压小于等于所述第一阈值时，确定相应的所述储能电容为正常状态。
7.根据权利要求6所述的状态监测电路，其特征在于，在确定相应的所述储能电容为异常状态时，继续关闭相应的所述储能电容的负端与参考地之间的通道。
8.根据权利要求6所述的状态监测电路，其特征在于，在确定相应的所述储能电容为正常状态时，在相应的所述储能电容与参考地之间的通道关闭时间大于预定时间时，继续导通相应的所述储能电容与参考地之间的通道，并在每个所述预定时间内获取相应的所述储能电容的负端的电流，以进行限流控制。
9.一种储能电容装置，与至少一个储能电容相连，其特征在于，包括：
权利要求1-8所述的任一状态监测电路；以及
至少一个开关，每个所述开关连接在对应的储能电容的负端与参考地之间。
10.根据权利要求9所述的储能电容装置，其特征在于，所述至少一个开关被配置为内置在所述状态监测电路中。
11.根据权利要求9所述的储能电容装置，其特征在于，所述储能电容装置还包括一电源管理电路，用以在系统电路受电后，输入电源给所述至少一个储能电容供电；在系统电路掉电后，所述至少一个储能电容对所述输入电源的供电端供电。
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