CN113063982B

CN113063982B - 一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置

Info

Publication number: CN113063982B
Application number: CN202110273428.3A
Authority: CN
Inventors: 彭正; 吴孟强; 徐自强; 冯婷婷; 杨俭; 陈诚
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2041-03-15
Also published as: CN113063982A

Abstract

一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，设置多个开关单元，每个开关单元包括一个MOSFET开关管和两个第一电阻，两个第一电阻串联并接在开关单元的输入端和地电平之间，其串联点连接MOSFET开关管的栅极；将所有MOSFET开关管并联，利用驱动单元根据开关信号产生模块产生的开关信号控制所有MOSFET开关管的通断；设置包括超级电容器模组和脉冲成形电感的脉冲放电回路，根据并联的MOSFET开关管控制脉冲放电回路的通断，从而产生脉冲电流，最后利用脉冲电流测量模块将脉冲放电回路产生的脉冲电流转换为对应的电压信号并作为最终测试结果。本发明利用简单的结构和小型化的器件就能够实现超级电容器模组的脉冲放电控制与电流测试，能够降低设备成本、提高便携性。

Description

一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置

技术领域

本发明属于脉冲电流测试技术领域，涉及一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置。

背景技术

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器的快速充放电特性，同时又具有电池的储能特性。与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护、绿色环保。

当前，重载设备如卡车、直升机等启动时常需要大电流，在冬季气温较低等场景，传统蓄电池性能受影响较大，放电能力急速下降甚至不能工作；而不同的工况条件下重载设备要求电源具有超高瞬时输出功率，包括高的稳定工作电压和大的瞬时放电电流。为满足重载设备等大功率设备在严寒条件下的启动能力，需要研究适用于低温大电流放电的储能设备。超级电容器因其出色的功率密度和较宽的工作温度范围，十分适合作为大功率设备的启动电源。

当前对电源进行工况模拟通常采用电子负载，大功率的电子负载不仅体积庞大、设备操作复杂，而且价格十分昂贵。如何针对专门用于超级电容器模组脉冲放电设计测试装置，并实现降低设备成本、提高便携性，是超级电容器模组作为大功率启动电源应用领域的一个研究重点。

发明内容

针对超级电容器模组脉冲放电的测试需求，以及传统测试装置在成本和体积上的不足之处，本发明提出一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，采用小型化的控制器件实现测试，利用MOSFET开关管的特性，并通过产生开关信号控制MOSFET开关管导通或关断，使得脉冲放电回路导通或断开，从而产生脉冲电流并采集脉冲电流信息，实现超级电容器模组的脉冲放电控制与电流测试。

本发明的技术方案为：

一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，包括开关信号产生模块、MOSFET开关及驱动模块、脉冲放电回路和脉冲电流测量模块；

所述MOSFET开关及驱动模块包括驱动单元和多个开关单元；

所述开关单元包括一个MOSFET开关管和两个第一电阻，所述两个第一电阻串联并接在开关单元的输入端和地电平之间，其串联点连接所述MOSFET开关管的栅极；

将所有所述开关单元中MOSFET开关管的漏极互连并连接MOSFET开关及驱动模块的第一输出端，将所有所述开关单元中MOSFET开关管的源极互连并连接MOSFET开关及驱动模块的第二输出端；

所述驱动单元的输入端连接所述开关信号产生模块产生的开关信号，其输出端连接所有所述开关单元的输入端；

所述脉冲放电回路包括超级电容器模组、脉冲成形电感和硅整流二级管；所述超级电容器模组的一端连接脉冲放电回路的第一控制端，其另一端连接所述脉冲成形电感的一端并连接地电平；所述硅整流二级管的阴极连接所述脉冲成形电感的另一端和脉冲放电回路的第二控制端，其阳极接地；所述脉冲放电回路的第一控制端和第二控制端分别连接所述MOSFET开关及驱动模块的第一输出端和第二输出端；

所述驱动单元根据所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所有所述开关单元中MOSFET开关管的导通和关断，从而控制所述脉冲放电回路产生脉冲电流；

所述脉冲电流测量模块用于将所述脉冲放电回路产生的脉冲电流转换为对应的电压信号并作为最终测试结果。

具体的，所述脉冲电流测量模块包括罗氏线圈、积分器和示波器，令所述脉冲放电回路产生的脉冲电流流过所述罗氏线圈，使得所述罗氏线圈两端电压信号发生变化，所述积分器将所述罗氏线圈两端电压信号放大后由所述示波器进行显示。

具体的，所述驱动单元包括型号为TLP250的光耦合器和第二电阻，TLP250光耦合器包括8个引脚，所述TLP250光耦合器的引脚2通过第二电阻后连接第一电源电压，其引脚3连接所述驱动单元的输入端，其引脚8连接第二电源信号，其引脚6和引脚7连接所述驱动单元的输出端，其引脚5接地；所述TLP250光耦合器的引脚2和引脚3之间连接有光发射二极管，当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管导通时，所述TLP250光耦合器的引脚7和引脚8之间导通，所述TLP250光耦合器的引脚5和引脚6之间断开，所述驱动单元的输出端输出高电平的信号；当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管不导通时，所述TLP250光耦合器的引脚5和引脚6之间导通，所述TLP250光耦合器的引脚7和引脚8之间断开，所述驱动单元的输出端输出低电平的信号。

具体的，所述开关单元中的MOSFET开关管为N沟道型的MOSFET，则当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管导通时，所有所述开关单元中的MOSFET开关管导通，控制所述脉冲放电回路的回路闭合；当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管不导通时，所有所述开关单元中的MOSFET开关管断开，控制所述脉冲放电回路的回路断开。

具体的，所述脉冲放电回路还包括限流电阻，所述硅整流二级管的阳极通过所述限流电阻后再接地。

本发明的有益效果是：本发明提出一种小型化的针对超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，利用简单的结构和小型化的器件就能够实现超级电容器模组的脉冲放电控制与电流测试，降低了设备成本，提高了设备便携性。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1是本发明提出的一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置中MOSFET开关及驱动模块的结构示意图，其中图1(a)为开关单元，图1(b)为驱动单元。

图2是本发明提出的一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置中脉冲放电回路的电路示意图。

图3是本发明提出的一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置进行脉冲放电测试原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，包括开关信号产生模块、MOSFET开关及驱动模块、脉冲放电回路和脉冲电流测量模块；其中如图1所示，MOSFET开关及驱动模块包括驱动单元和多个开关单元；每个开关单元都包括一个MOSFET开关管和两个第一电阻，两个第一电阻串联并接在开关单元的输入端和地电平之间，其串联点连接MOSFET开关管的栅极，如图1中(a)所示，MOSFET开关管Q1以及第一电阻R1和R5构成第一个开关单元，MOSFET开关管Q2以及第一电阻R2和R6构成第二个开关单元，MOSFET开关管Q3以及第一电阻R3和R7构成第三个开关单元，依次类推。

将所有开关单元中MOSFET开关管的漏极互连并连接MOSFET开关及驱动模块的第一输出端，将所有开关单元中MOSFET开关管的源极互连并连接MOSFET开关及驱动模块的第二输出端，使得所有开关单元中MOSFET开关管全部并联。并联的MOSFET开关管个数可以根据允许通过脉冲放电回路的第一控制端和第二控制端之间的最大电流决定，可允许通过的电流越大，可以并联更多的MOSFET开关管。

开关信号产生模块用于产生特定频率及脉宽的触发信号作为开关信号，开关信号通过驱动单元后用于控制所有MOSFET开关管的导通与关断时间，而所有并联的MOSFET开关管接在脉冲放电回路，用于控制脉冲放电回路中超级电容器模组放电主回路的通断，实现脉冲放电，从而产生所需的脉冲电流。开关信号产生模块可以根据实际所需的脉冲电流来设计其产生的开关信号的频率及脉宽，一些实施例中开关信号产生模块包括单片机电路和图腾柱放大电路。

驱动单元用于根据开关信号产生模块输出的开关信号产生所有MOSFET开关管的栅极控制信号，如图1中(b)所示，实施例中驱动单元包括型号为TLP250的光耦合器和第二电阻R0，TLP250光耦合器通常包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，为8脚双列封装结构。其中TLP250光耦合器的引脚2通过第二电阻R0后连接第一电源电压，其引脚3连接驱动单元的输入端，其引脚8连接第二电源信号，其引脚6和引脚7连接驱动单元的输出端，其引脚5接地，本实施例中取第一电源信号为+5V，第二电源信号为+12V。

光发射二极管接在TLP250光耦合器的引脚2和引脚3之间，引脚3连接开关信号产生模块输出的开关信号，通过这个开关信号控制光发射二极管的导通和断开，当开关信号控制TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管导通时，TLP250光耦合器的引脚7和引脚8之间导通，TLP250光耦合器的引脚5和引脚6之间断开，引脚7产生的高电平的信号(如本实施例是12V的直流电压)输出到所有开关单元的输入端，由开关单元中两个第一电阻进行分压后在MOSFET开关管栅极产生一个高于MOSFET开关管导通电压的电压信号，来实现对开关单元中MOSFET开关管的通断控制。当开关信号控制TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管不导通时，TLP250光耦合器的引脚5和引脚6之间导通，TLP250光耦合器的引脚7和引脚8之间断开，引脚7输出低电平的信号。

当MOSFET开关管为N沟道型的MOSFET开关管时，驱动单元输出的高电平信号能够控制其导通、低电平信号能够控制其断开；当MOSFET开关管为P沟道型的MOSFET开关管时，驱动单元输出的低电平信号能够控制其导通、高电平信号能够控制其断开。

如图2所示，脉冲放电回路包括超级电容器模组C、脉冲成形电感L1和硅整流二级管D；超级电容器模组C的一端连接脉冲放电回路的第一控制端，其另一端连接脉冲成形电感L1的一端并连接地电平；硅整流二级管D的阴极连接脉冲成形电感L1的另一端和脉冲放电回路的第二控制端，其阳极接地。一些实施例中，脉冲放电回路还设置了限流电阻R1，令硅整流二级管D的阳极通过限流电阻R1后再接地。图2中Lr是电路分布电感，r是电路分布电阻，均为电路本身特性。

脉冲放电回路的第一控制端和第二控制端之间连接的本质上是一个开关器件K，这个开关器件K就是MOSFET开关及驱动模块中所有并联的MOSFET开关管，通过将脉冲放电回路的第一控制端和第二控制端分别连接MOSFET开关及驱动模块的第一输出端和第二输出端实现。当MOSFET开关管为N沟道型的MOSFET开关管时，通常需要将MOSFET开关管的源端(S)接地；当MOSFET开关管为P沟道型的MOSFET开关管时则进行反接，将MOSFET开关管的漏端(D)接地。这样当所有开关单元中的MOSFET开关管导通时，会将脉冲放电回路的回路闭合；所有开关单元中的MOSFET开关管断开时，会将脉冲放电回路的回路断开。

开关信号通过控制所有MOSFET开关管的导通和关断来控制脉冲放电回路产生脉冲电流后，利用脉冲电流测量模块进行测量，通过将脉冲放电回路产生的脉冲电流转换为对应的电压信号的方式获得最终测试结果。一些实施例中脉冲电流测量模块包括罗氏线圈、积分器和示波器，罗氏线圈可以接在脉冲放电回路中，比如可以接在脉冲放电回路的第二控制端至地之间，使脉冲放电回路产生的脉冲电流流过罗氏线圈，导致罗氏线圈两端电压信号发生变化；积分器将罗氏线圈两端电压信号放大后由示波器进行显示。具体工作过程为：罗氏线圈进行脉冲电流信号采样，脉冲电流流过罗氏线圈，利用互感原理产生电压信号，积分器将电压信号放大后通过示波器将瞬间的电压信号显示出来，利用互感电压与脉冲电流的比例关系就可以得出超级电容器模组脉冲放电的电流。

本实施例的整体工作流程见图3所示，首先由开关信号产生模块的单片机根据实际所需的脉冲电流来设计其产生的开关信号的频率及脉宽，然后将开关信号输出至TLP250光耦合器对应输入引脚3，TLP250光耦合器的输出引脚6或7产生控制MOSFET开关及驱动模块中各个MOSFET开关管的栅极控制信号，通过MOSFET开关管的通道控制脉冲放电回路的通断，从而产生脉冲电流，最后由罗氏线圈获取脉冲电流信息并转换为电压信号由示波器示出。

综上所述，本发明为测试超级电容器模组在指定电流等级下的放电能力，通过脉冲成型电感构成脉冲放电回路，调整电感负载的大小，研制了小型化的控制器件，并通过罗氏线圈将放电过程电流的瞬时变化转变为电压的瞬时变化，从而实现超级电容器模组的脉冲放电控制与电流测试。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，其特征在于，包括开关信号产生模块、MOSFET开关及驱动模块、脉冲放电回路和脉冲电流测量模块；

所述MOSFET开关及驱动模块包括驱动单元和多个开关单元；

所述脉冲放电回路包括超级电容器模组、脉冲成形电感和硅整流二极管；所述超级电容器模组的一端连接脉冲放电回路的第一控制端，其另一端连接所述脉冲成形电感的一端并连接地电平；所述硅整流二极管的阴极连接所述脉冲成形电感的另一端和脉冲放电回路的第二控制端，其阳极接地；所述脉冲放电回路的第一控制端和第二控制端分别连接所述MOSFET开关及驱动模块的第一输出端和第二输出端；

2.根据权利要求1所述的超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，其特征在于，所述脉冲电流测量模块包括罗氏线圈、积分器和示波器，令所述脉冲放电回路产生的脉冲电流流过所述罗氏线圈，使得所述罗氏线圈两端电压信号发生变化，所述积分器将所述罗氏线圈两端电压信号放大后由所述示波器进行显示。

3.根据权利要求1或2所述的超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，其特征在于，所述驱动单元包括型号为TLP250的光耦合器和第二电阻，TLP250光耦合器包括8个引脚，所述TLP250光耦合器的引脚2通过第二电阻后连接第一电源电压，其引脚3连接所述驱动单元的输入端，其引脚8连接第二电源信号，其引脚6和引脚7连接所述驱动单元的输出端，其引脚5接地；所述TLP250光耦合器的引脚2和引脚3之间连接有光发射二极管，当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管导通时，所述TLP250光耦合器的引脚7和引脚8之间导通，所述TLP250光耦合器的引脚5和引脚6之间断开，所述驱动单元的输出端输出高电平的信号；当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管不导通时，所述TLP250光耦合器的引脚5和引脚6之间导通，所述TLP250光耦合器的引脚7和引脚8之间断开，所述驱动单元的输出端输出低电平的信号。

4.根据权利要求3所述的超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，其特征在于，所述开关单元中的MOSFET开关管为N沟道型的MOSFET，则当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管导通时，所有所述开关单元中的MOSFET开关管导通，控制所述脉冲放电回路的回路闭合；当所述开关信号产生模块产生的开关信号控制所述TLP250光耦合器引脚2和引脚3之间的光发射二极管不导通时，所有所述开关单元中的MOSFET开关管断开，控制所述脉冲放电回路的回路断开。

5.根据权利要求1或4所述的超级电容器模组脉冲放电的电流测试装置，其特征在于，所述脉冲放电回路还包括限流电阻，所述硅整流二极管的阳极通过所述限流电阻后再接地。