CN115712270A - 一种用于检测超级电容组间平衡的plc电路及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路及运行方法，包括：电源模块、参考电压电路、报警电路，以及三个分压电路、单电容组电压检测电路、电容组间压差检测电路、放大电路和窗口比较器电路；各单电容组电压检测电路分别接收并测量各分压电路分压后的超级电容中串联的单个电容组的电压；各电容组间压差检测电路用于计算各单电容组电压检测电路输出信号之间的电压差；各放大电路分别用于将分压后的电压信号还原，还原的电压信号分别经过各窗口比较器电路与参考电压电路输出的参考电压进行比较，报警电路判断是否需要报警；电源模块与各电路相连接并提供电源。本发明能够及时检测风电机组变桨系统中的超级电容组间电压平衡避免重大事故。

Description

一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路及运行方法

技术领域

本发明属于风电专用PLC检测技术领域，更具体地，涉及一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路及运行方法。

背景技术

近年来，风力发电行业迅速发展，在风力发电中风机机组电控系统是不可或缺的，其中变桨系统是风机机组电控系统的重要组成部分，所有部件都安装在轮毂上，机组正常运行时，所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制机组的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使机组安全停机。在市电正常时，变桨系统依赖市电供电，为保证市电停止后，变桨系统仍然可以工作一段时间，以确保机组在发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机(即叶片顺桨到90°)。

超级电容作为一种新兴的储能元件，在风力发电系统能够改善电能质量，因此超级电容的安全运行在风力发电过程中则显得尤为重要。而超级电容的在组间其中一组或几组发生故障很有可能导致在市电停止情况下使得变桨系统无法安全停机，从而发生重大事故。

为了避免超级电容组间不平衡所带来的严重后果。需要对超级电容组间电压的平衡性进行实时监测，在发生故障后及时进行报警以便对超级电容进行维护。而现有的超级电容组间电容平衡技术方案中普遍需要使用到控制芯片，因此导致硬件成本较大，结构和生产过程复杂，且方案的可靠性不够高。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路及运行方法，能够及时发现超级电容故障，从而避免由于超级电容损坏导致的风机无法安全停机。

本发明采用如下的技术方案。

一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，包括：

电源模块、参考电压电路、第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路、第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路、第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路、第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路、第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路和报警电路；

其中，第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路分别接收并测量被第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路分压后的超级电容中串联的单个电容组的电压；

第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路分别接收并测量第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路的输出信号两两之间的电压差；

第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路分别用于将被第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路分压后的电压信号还原为真实电压值；

第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路输出的电压信号分别经过第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路与参考电压电路输出的参考电压进行比较，报警电路根据第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路的输出信号判断是否需要报警；

电源模块与各电路相连接，用于为各电路提供电源。

优选地，所述第一分压电路包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和稳压管DZ1，第一分压电阻R1的一端连接电容组，另一端串联第二分压电阻R2，第二分压电阻R2的另一端接地，稳压管DZ1与第二分压电阻R2并联；

所述第二分压电路、第三分压电路的电路结构与所述第一分压电路相同。

优选地，所述第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路中所使用第一分压电阻R1阻值和第二分压电阻R2阻值相同。

优选地，所述第一单电容组电压检测电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和运算放大器U1；

其中，第三电阻R3和第四电阻R4分别接第三电容C3的两端，第一电容C1的一端同时连接第三电阻R3和第三电容C3后与运算放大器U1的同相输入端相连接，第四电容C4的一端同时连接第四电阻R4和第三电容C3与运算放大器U1的反相输入端相连接，第一电容C1和第四电容C4的另一端均接地，第二电容C2的一端分别接电源模块的-12V电源和运算放大器U1的负模拟电源输入引脚，另一端分别接地和运算放大器U1的模拟电源地脚，第五电容C5一端分别接电源模块的+12V电源和运算放大器U1的正模拟电源输入脚，运算放大器U1的输出信号为第一单电容组电压检测电路的输出信号vo1，vo1为第一分压电路和第二分压电路输出信号之间的电压差；

所述第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路的电路结构与所述第一单电容组电压检测电路相同，且分别输出第二分压电路和第三分压电路输出信号之间的电压差vo2、第三分压电路输出电压和待测电容组串联的节点的电压vo3。

优选地，所述第一电容组间压差检测电路的输出信号为第一单电容组电压检测电路和为第二单电容组电压检测电路的输出信号之间的电压差，所述第二电容组间压差检测电路的输出信号为第二单电容组电压检测电路和为第三单电容组电压检测电路的输出信号之间的电压差，所述第三电容组间压差检测电路的输出信号为第三单电容组电压检测电路和第一单电容组电压检测电路的输出信号之间电压差。

优选地，所述第一放大电路包括第二通用运算放大器U3、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11，第九电阻R9的一端接输入信号，输入信号为各电容组间压差检测电路的输出信号，第九电阻R9的另一端接入第二通用运算放大器U3的同相输入端，第十电阻R10的一端接地，另一端与第十一电阻R11的一端相连接并接入第二通用运算放大器U3的反相输入端，第十一电阻R11的另一端与第二通用运算放大器U3的输出端相连接；

所述第二放大电路和第三放大电路的的电路结构与所述第一放大电路相同。

优选地，所述第一窗口比较器电路包括第三通用运算放大器U4、第十二电阻R12、、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一二极管D1和第二二极管D2，第三通用运算放大器U4还包括第一运算放大器U4a和第二运算放大器U4b；

输入信号分别接入第十三电阻R13和第十四电阻R14的一端，第十三电阻R13的另一端连接第一通用运算放大器U4a的同相输入端，第十四电阻R14的另一端连接第二通用运算放大器U4b的反相输入端，参考电压电路输出的参考电压包括正参考电压+Vref和负参考电压-Vref，第一通用运算放大器U4a的反相输入端通过第十二电阻R12与正参考电压+Vref相连接，第二通用运算放大器U4b的同相输入端通过第十五电阻R15与负参考电压-Vref相连接，第一通用运算放大器U4a的输出端和第二通用运算放大器U4b的输出端连接至并联的第一二极管D1和第二二极管D2的负极，并联的第一二极管D1和第二二极管D2的正极输出为第一窗口比较器电路的输出信号；

所述第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的电路结构与所述第一窗口比较器电路相同。

优选地，对于所述第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路：

当其输入信号的电压值大于正参考电压+Vref或小于负参考电压-Vref时，该窗口比较器电路的输出信号电压为低电平-12V；

当其输入信号的电压值在负参考电压-Vref以上且在正参考电压+Vref以下时，该窗口比较器电路的输出电压信号为高电平+12V。

优选地，所述报警电路的输入电压信号分别为第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出电压信号v10、v11、v12；

当报警电路的输入信号v10、v11、v12中存在任意一个输入信号为低电平-12V时，报警电路启动，否则报警电路不工作。

优选地，所述电源模块包括LDO芯片U8、宽输入电压DC/DC电源芯片U9、隔离DC/DC电源芯片U10、保险丝F1、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、电解电容E1、TVS管(瞬态二极管)D4、电感L1、共轭电感L2；

其中，第十电容C10的一端连接待检测超级电容，第十电容C10、第十一电容C11、第十七电容C17、第十九电容C19的串联电压信号依次经过电感L1、共轭电感L2滤波后接入宽输入电压DC/DC电源芯片U9的输入端，宽输入电压DC/DC电源芯片U9的输出端经过并联的第十四电容C14、电解电容E1和TVS管D4输出+12V_D电压，宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D电压和数字地端DGND经过跨接在隔离DC/DC电源芯片U10的输入端1、2脚的第十六电容C16接入隔离DC/DC电源芯片U10，隔离DC/DC电源芯片U10输出+12V_A和-12V_A电压，隔离DC/DC电源芯片U10输出的-12V_A和+12V_A分别连接第十二电容C12和第十八电容C18对模拟地端AGND进行滤波，LDO芯片U8的1脚为接地脚，接数字地端DGND，宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D接LDO芯片U8的输入端3脚，且宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D经过滤波电容第十三电容C13接数字地端DGND，第十三电容C13的两端分别连接LDO芯片U8的输入端3脚和接地脚1脚，滤波电容第十五电容C15的一端接数字地端DGND，另一端接LDO芯片U8的输出端2、4脚，LDO芯片U8的输出端输出5V电压。

一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路的运行方法，包括以下步骤：

步骤1，第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路对超级电容中的各电容组进行分压，得到分压后超级电容中串联的单个电容组的电压；

步骤2，通过第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路对单个电容组的电压进行测量；

步骤3，基于第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路测量第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路的输出信号两两之间的电压差；

步骤4，将步骤3得到的各电压差信号经过放大电路进行相对应的信号放大，得到差值信号；

步骤5，将放大后的各差值信号输入各窗口比较器电路中，并与参考电压电路输出的正参考电压+vref及负参考电压-vref进行比较，并根据比较结果输出信号；

步骤6，报警电路接收第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出电压信号，并判断报警电路是否工作。

优选地，所述步骤5中：

当各窗口比较器电路输入信号的电压值大于正参考电压+Vref或小于负参考电压-Vref时，窗口比较器电路的输出信号电压为低电平-12V；当输入信号的电压值在负参考电压-Vref以上且在正参考电压+Vref以下时，窗口比较器电路的输出电压信号为高电平+12V。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过检测超级电容组间电压差大小，及时检测判断电容组间电压是否平衡，使得能够及时发现超级电容故障，从而避免由于超级电容损坏导致的风机无法安全停机，且本发明采用被检测的超级电容作为供电来源，使该PLC电路无需额外设置电源。

附图说明

图1为本发明实施例中的用于检测电容组间平衡的PLC电路的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中的分压电路的结构图；

图3为本发明实施例中的单电容组电压检测电路的结构图；

图4为本发明实施例中的电容组间压差检测电路的结构图；

图5为本发明实施例中的放大电路的结构图；

图6为本发明实施例中的窗口比较器电路的结构图；

图7为本发明实施例中的窗口比较器电路信号输入输出关系图；

图8为本发明实施例中的报警电路的结构图；

图9为本发明实施例中的电源模块的结构图。

图10为本发明实施例中的参考电压电路的结构图；

图11为本发明实施例中的用于检测电容组间平衡的PLC电路工作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种用于检测超级电容组间平衡的PLC系统，系统中包括：电源模块、参考电压电路、第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路、第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路、第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路、第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路、第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路和报警电路。

其中，第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路分别接收并测量被第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路分压后的超级电容中串联的单个电容组的电压；

第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路分别接收并测量第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路的输出信号两两之间的电压差。

第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路分别用于将被第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路分压后的电压信号还原为真实电压值；

第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路输出的电压信号分别经过第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路与参考电压电路的参考电压进行比较，报警电路根据第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路的输出信号判断是否需要报警；

电源模块与待测超级电容相连接，并与各电路相连接，用于为各电路提供电源。

需要说明的是，在描述本发明具体实施方式时可将被检测物超级电容简化为三个电容组串联所构成的模型，如图1虚线框中所示，被检测的超级电容简化为三个串联电容组后包括四个节点：节点A、节点B、节点C和节点D，分别为构成超级电容的串联电容组两端节点和中间的连接节点。

如图2所示，图2为分压电路的电路结构示意图，本实施例中第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路采用相同的分压电路结构和电路元件参数。

具体的，以第一分压电路的电路结构为例，第一分压电路包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和稳压管DZ1，第一分压电阻R1的一端连接电容组，另一端串联第二分压电阻R2，第二分压电阻R2的另一端接地，稳压管DZ1与第二分压电阻R2并联，第一分压电路的输出电压满足：

vin1＝V1×R2/(R1+R2)

其中，第一分压电路输入电压V1为第一分压电阻R1与待测电容组串联节点电压，第一分压电路输出电压vin1为第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和稳压管DZ1连接点的电压，且第一分压电阻R1、第二分压电阻R2可以进行参数修改以满足实际信号需求，输入电压V1、输出电压vin1并不指代某一特定电信号，第一分压电路的输入电压V1为电容组串联的节点A，第二分压电路的输入电压V1为电容组串联的节点B，第三分压电路的输入电压V1为待测的串联电容组的节点C。

优选的，第一分压电阻R1的阻值和第二分压电阻R2的阻值相同。

可以理解的是，采用上述第一分压电路输出电压vin1的计算方法可以得到第二分压电路输出电压vin2和第三分压电路输出电压vin3。

如图3所示，图3为单电容组电压检测电路的电路结构示意图，本实施例中第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路的电路结构和电路原件参数均相同。

具体的，以第一单电容组电压检测电路为例，第一单电容组电压检测电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和运算放大器U1，其中，运算放大器U1的类型为精密仪表放大器，芯片型号可选为INA188，从而使测量到的超级电容中串联的单个电容组的电压精准。

将第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和运算放大器U1按照图3中所示连接。

具体的，第三电阻R3和第四电阻R4分别接第三电容C3的两端，第一电容C1的一端同时连接第三电阻R3和第三电容C3后与运算放大器U1的同相输入端相连接，第四电容C4的一端同时连接第四电阻R4和第三电容C3与运算放大器U1的反相输入端相连接，第一电容C1和第四电容C4的另一端均接地，第二电容C2的一端分别接电源模块的-12V电源和运算放大器U1的负模拟电源输入引脚4脚，另一端分别接模拟地AGND和运算放大器U1的模拟电源地脚5脚，第五电容C5一端分别接电源模块的+12V电源和运算放大器U1的正模拟电源输入引脚7脚，运算放大器U1的输出信号为第一单电容组电压检测电路的输出信号vo1。

其中，第三电阻R3与第四电阻R4的阻值相同，对于第一单电容组电压检测电路，其输出信号vo1满足：vo1＝vin1-vin2，vo1表示第一单电容组电压检测电路的输出信号，vin1、vin2是单电容组电压检测电路的输入信号，分别表示第一分压电路输出电压和第二分压电路输出电压。

本实施例中，对于第二单电容组电压检测电路，其输出信号vo2满足vo2＝vin2-vin3，vin2、vin3分别表示第二分压电路输出电压和第三分压电路输出电压；对于第三单电容组电压检测电路，其输出信号vo3满足vo3＝vin3-vind，vin3、vind分别表示第三分压电路输出电压和电容组串联的节点D电压。

如图4所示，图4为电容组间压差检测电路的电路结构示意图，本实施例中第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路和第三电容组间压差检测电路的电路结构和电路原件参数均相同。

具体的，如图4所示，以第一电容组间压差检测电路为例，第一电容组间压差检测电路包括第一通用运算放大器U2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9，按照图4中所示连接，构成减法器电路。

具体的，第六电容C6的两端分别连接第六电阻R6的一端和接地，第六电容C6的一端接地，另一端与第六电阻R6的一端相连接，第六电阻R6的另一端与第五电阻R5的一端相连接并接入第一通用运算放大器U2的同相输入端，第五电阻R5的另一端接地；第八电容C8的一端接地，另一端与第七电阻R7的一端相连接，第七电阻R7的另一端与第八电阻R8相连接并接入第一通用运算放大器U2的反相输入端，第八电阻R8的另一端连接第一通用运算放大器U2的输出端，第七电容C7的一端分别连接电源模块的-12V电源和第一通用运算放大器U2的负模拟电源输入引脚4脚，另一端接地，第九电容C9的一端分别连接电源模块的+12V电源和第一通用运算放大器U2的正模拟电源地引脚8脚，另一端接模拟地AGND，构成减法器电路。

在第一电容组间压差检测电路中，第一电容组间压差检测电路的输出信号vo1经过第六电容C6对地滤波连接至第六电阻R6，第二单电容组电压检测电路的输出信号vo2经过第八电容C8对地滤波连接至第七电阻R7；

其中，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8的阻值相等，对于第一电容组间压差检测电路，其电压信号输入输出关系为vo4＝vo1-vo2，其中vo3表示第一电容组间压差检测电路的输出信号，vo1为第一单电容组电压检测电路的输出信号，vo2为第二单电容组电压检测电路的输出信号；

对于第二电容组间压差检测电路，其电压信号输入输出关系为vo5＝vo2-vo3，其中，vo2为第二单电容组电压检测电路的输出信号，vo3为第三单电容组电压检测电路的输出信号；

对于第三电容组间压差检测电路，其电压信号输入输出关系为vo6＝vo3-vo1，其中，vo3为第三单电容组电压检测电路的输出信号，vo1为第一单电容组电压检测电路的输出信号。

如图5所示，图5为本发明中放大电路的结构示意图，放大电路包括第二通用运算放大器U3、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11，且第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路的电路结构和电路原件参数均相同。

以第一放大电路为例，其电路结构按照图5所示连接，第九电阻R9的一端接输入信号，输入信号为各电容组间压差检测电路的输出信号，第九电阻R9的另一端接入第二通用运算放大器U3的同相输入端，第十电阻R10的一端接地，另一端与第十一电阻R11的一端相连接并接入第二通用运算放大器U3的反相输入端，第十一电阻R11的另一端与第二通用运算放大器U3的输出端相连接，构成放大电路。

其中，放大电路中第十一电阻R11和第十电阻R10的阻值比值与分压电路中第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值比值一致，即满足R11/R10＝R1/R2。

对于第一放大电路的输出电压信号，其电压信号输入输出关系为：

vo7＝(R11+R10)/R10×vo4

其中，vo7为第一放大电路的输出信号，vo4为第一电容组间压差检测电路的输出信号；

对于第二放大电路电压信号，其电压信号输入输出关系为：

vo8＝(R11+R10)/R10×vo5

其中，vo8为第二放大电路的输出信号，vo5为第二电容组间压差检测电路的输出信号；

对于第三放大电路电压信号，其电压信号输入输出关系为：

vo9＝(R11+R10)/R10×vo6

其中，vo9为第三放大电路的输出信号，vo6为第三电容组间压差检测电路的输出信号。

如图6所示，图6为本发明中窗口比较器电路的电路结构示意图，本实施例中第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的电路结构和电路原件参数均相同。

如图6所示，以第一窗口比较器电路为例，第一窗口比较器电路包括第三通用运算放大器U4、第十二电阻R12、、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一二极管D1和第二二极管D2，第三通用运算放大器U4还包括第一运算放大器U4a和第二运算放大器U4b，且本实施例中第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的电路结构和元件参数均一致。

按照图6所示连接，输入信号分别接入第十三电阻R13和第十四电阻R14的一端，第十三电阻R13的另一端连接第一通用运算放大器U4a的同相输入端，第十四电阻R14的另一端连接第二通用运算放大器U4b的反相输入端，第一通用运算放大器U4a的反相输入端通过第十二电阻R12与参考电压+Vref相连接，第二通用运算放大器U4b的同相输入端通过第十五电阻R15与参考电压-Vref相连接，第一通用运算放大器U4a的输出端和第二通用运算放大器U4b的输出端连接至并联的第一二极管D1和第二二极管D2的负极，并联的第一二极管D1和第二二极管D2的正极输出为第一窗口比较器电路的输出信号，构成窗口比较器电路。

其中，窗口比较器电路的输入信号来自放大电路的输出信号，负参考电压-Vref来自参考电压电路的负参考电压电路输出，正参考电压+Vref来自参考电压电路的正参考电压电路输出。具体的，窗口比较器电路用于将输入信号与正参考电压+Vref、负参考电压-Vref进行比较，如图7所示，当窗口比较器电路的输入信号的电压值大于正参考电压+Vref或小于负参考电压-Vref时，窗口比较器电路的输出信号电压为低电平-12V；当输入信号的电压值在负参考电压-Vref以上且在正参考电压+Vref以下时，窗口比较器电路的输出电压信号为高电平+12V。

基于第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路的输出信号，得到第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出信号v10、v11、v12。

如图8所示，为本发明报警电路的电路结构示意图，报警电路包括第一光耦U5、第二光耦U6、第三光耦U7、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、三极管Q1、第三二极管D3、继电器K1。按照图8所示进行连接，构成报警电路。

具体的，第十六电阻R16、第十九电阻R19和第二十一电阻R21的一端连接+12V电源电压，另一端分别连接第一光耦U5、第二光耦U6和第三光耦U7的输入LED正脚1脚，第一光耦U5、第二光耦U6和第三光耦U7的输入LED负脚2脚分别连接第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出信号v10、v11、v12，第一光耦U5、第二光耦U6和第三光耦U7的光耦内部光敏三极管发射极脚3脚均接地，第一光耦U5、第二光耦U6和第三光耦U7的光耦内部光敏三极管集电极脚4脚分别经过上拉电阻第十七电阻R17、第二十电阻R20和第二十二电阻R22接5V电源；第一光耦U5、第二光耦U6和第三光耦U7的光耦内部光敏三极管集电极脚4脚同时连接第十八电阻R18的一端，第十八电阻R18的另一端接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接5V电源，第三二极管D3为续流二极管，三极管Q1的集电极连接第三二极管D3的负极和继电器K1的线圈正脚1脚，第三二极管D3的正极接地且与继电器K1的线圈负脚10脚相连接。

报警电路中通过第一光耦U5、第二光耦U6、第三光耦U7用于将第一窗口比较器电路的输出信号、第二窗口比较器电路的输出信号和第三窗口比较器电路的输出信号与构成线与逻辑的继电器驱动信号进行隔离。

报警电路的输入电压信号分别为第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出电压信号v10、v11、v12；

当报警电路的输入信号v10、v11、v12都为高电平+12V时，光耦不导通，则三第一极管Q1工作在截止区，继电器K1不动作，常闭电NC与公共端COM闭合，常开点NO与公共端COM断开；

当报警电路的输入信号v10、v11、v12中存在任意一个输入信号为低电平-12V时，与输入信号为低电平-12V的光耦导通，该光耦输出低电平-12V电压信号，由于第一光耦U5、第二光耦U6、第三光耦U7构成线与电路，即任意一光耦输出为低电平时则第一三极管Q1基极为低电平，第一三极管Q1工作在饱和区，继电器K1动作，常闭端NC与公共端COM断开，常开端NO与公共端COM闭合，此时报警电路启动。

本领域技术人员应当理解的是，使用本发明所提出的PLC电路时可根据实际用途将模块公共端COM、常开端NO、常闭端NC连接到报警指示设备。

优选的，报警电路中第一光耦U5、第二光耦U6、第三光耦U7使用的光耦型号为TLP521；

优选的，报警电路中继电器K1使用的继电器型号为TQ2-5。

如图9所示，图9为本发明的电源模块，电源模块包括LDO芯片U8、宽输入电压DC/DC电源芯片U9、隔离DC/DC电源芯片U10、保险丝F1、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、电解电容E1、TVS管(瞬态二极管)D4、电感L1、共轭电感L2，按照图9中所示连接，

具体的，第十电容C10的一端连接待检测的超级电容节点A，第十电容C10、第十一电容C11、第十七电容C17、第十九电容C19的串联电压信号依次经过电感L1、共轭电感L2滤波后接入宽输入电压DC/DC电源芯片U9的输入端，宽输入电压DC/DC电源芯片U9的输出端经过并联的第十四电容C14、电解电容E1和TVS管D4输出+12V_D电压，宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D电压和数字地端DGND经过跨接在隔离DC/DC电源芯片U10的输入端1、2脚的第十六电容C16接入隔离DC/DC电源芯片U10，隔离DC/DC电源芯片U10输出+12V_A和-12V_A电压，其中，隔离DC/DC电源芯片U10输出的-12V_A和+12V_A分别连接第十二电容C12和第十八电容C18对模拟地端AGND进行滤波，LDO芯片U8的1脚为接地脚，接数字地端DGND，宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D接LDO芯片U8的输入端3脚，且宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D经过滤波电容第十三电容C13接数字地端DGND，第十三电容C13的两端分别连接LDO芯片U8的输入端3脚和接地脚1脚，滤波电容第十五电容C15的一端接数字地端DGND，另一端接LDO芯片U8的输出端2、4脚，LDO芯片U8的输出端输出5V电压。

进一步的，电源模块的输入电压来自待测的超级电容，即本发明使用待测的超级电容用于供电，不需另外提供外部直流电源。电源模块的输入电压VIN为待检测的超级电容节点A的输出，即利用待检测的超级电容作为电源输入电压。电源模块中输出的+12V_A和+12V_D的电压值为12V，-12V_A和-12V_D的电压值为-12V。

将隔离DC/DC电源芯片U10、第十六电容C16、第十二电容C12、第十八电容C18按照图9所示连接，隔离DC/DC电源芯片U10的输入电压为12V，输出为±12V，输入电源与输出电源为隔离状态。

电源模块中隔离DC/DC电源芯片U10的输出电压±12V为参考电压电路、第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路、第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路、第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路、第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路、第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路、报警电路提供所需电源。

进一步的，将LDO芯片U8、第十三电容C13、第十五电容C15按照图9中所示连接，LDO芯片U8的输入电压为12V，输出电压为5V，输出电压为报警电路中继电器驱动电路及光耦输出侧供电。

如图10所示，图10为本发明中参考电压电路的结构示意图。参考电压电路还包括正电压参考电压电路和负电压参考电压电路，正电压参考电压电路包括第一电压基准电源U12、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十七电阻R27，具体的，正电压参考电压电路的连接还包括：第一电压基准电源U12的正极接模拟地端AGND，第一电压基准电源U12的参考端连接第二十五电阻R25和第二十七电阻R27的一端，第二十七电阻R27的另一端接模拟地端AGND，第二十五电阻R25的另一端接第一电压基准电源U12的负极和第二十四电阻R24的一端，第二十四电阻R24的另一端接电压+12V_A，第一电压基准电源U12的负极输出正参考电压+Vref；

正电压参考电压电路输出的正参考电压+Vref满足：

+Vref＝2.5V*(1+R25/R27)

负电压参考电压电路包括第二电压基准电源U11、第二十三电阻R23、第二十六电阻R26、第二十八电阻R28，具体的，电压参考电压电路的连接还包括：第二电压基准电源U11的正极接电压-12V_A，第二电压基准电源U11的参考端接第二十六电阻R26和第二十八电阻R28的一端，第二十八电阻R28的另一端接电压-12V_A，第二十六电阻R26的另一端接第二电压基准电源U11的负极和第二十三电阻R23的一端，第二十三电阻R23的另一端接模拟地端AGND，第二电压基准电源U11输出负参考电压-Vref。

负电压参考输出的负参考电压-Vref满足：

-Vref＝-12V+2.5V×(1+R26/R28)

参考电压电路中的正负输出电压+Vref、-Vref为第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路提供用于比较的参考电压。

进一步的，在参考电源模块中，可以根据实际应用时对电容组间压差要求调整第二十五电阻R25与第二十七电阻R27的阻值比值来调整正参考电压大小，调整第二十六电阻R26与第二十八电阻R28的阻值比值来调整负参考电压大小，从而用于调整第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路中的窗口电压范围。

优选的，参考电压电路使用的电压基准电源的芯片型号为TL431。

本发明还提出了一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路的运行方法，上述用于检测超级电容组间平衡的PLC电路能够基于该方法实现，具体的，该方法包括以下步骤：

步骤1，第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路对超级电容中的各电容组进行分压，得到分压后超级电容中串联的单个电容组的电压；

步骤2，通过第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路对单个电容组的电压进行测量；

步骤3，基于第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路测量第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路的输出信号两两之间的电压差；

步骤4，将步骤3得到的各电压差信号经过放大电路进行相对应的信号放大，得到差值信号；

步骤5，将放大后的各差值信号输入各窗口比较器电路中，并与参考电压电路输出的正参考电压+vref及负参考电压-vref进行比较；

具体的，当各窗口比较器电路输入信号的电压值大于正参考电压+Vref或小于负参考电压-Vref时，窗口比较器电路的输出信号电压为低电平-12V；当输入信号的电压值在负参考电压-Vref以上且在正参考电压+Vref以下时，窗口比较器电路的输出电压信号为高电平+12V。

步骤6，报警电路接收第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出电压信号，并判断报警电路是否工作，即是否需要进行报警。

具体的，当第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路输入报警电路的信号中存在任意一个信号为低电平-12V，报警电路启动，否则报警电路不启动。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过检测超级电容组间电压差大小，判断电容组间电压是否平衡，使得能够及时发现超级电容故障，从而避免由于超级电容损坏导致的风机无法安全停机。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，包括：

电源模块、参考电压电路、第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路、第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路、第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路、第一放大电路、第二放大电路、第三放大电路、第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路和报警电路；

其中，第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路分别接收并测量被第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路分压后的超级电容中串联的单个电容组的电压；

第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路分别接收并测量第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路的输出信号两两之间的电压差；

第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路分别用于将被第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路分压后的电压信号还原为真实电压值；

第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路输出的电压信号分别经过第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路与参考电压电路输出的参考电压进行比较，报警电路根据第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路、第三窗口比较器电路的输出信号判断是否需要报警；

电源模块与各电路相连接，用于为各电路提供电源。

2.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述第一分压电路包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和稳压管DZ1，第一分压电阻R1的一端连接电容组，另一端串联第二分压电阻R2，第二分压电阻R2的另一端接地，稳压管DZ1与第二分压电阻R2并联；

所述第二分压电路、第三分压电路的电路结构与所述第一分压电路相同。

3.根据权利要求2所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路中所使用第一分压电阻R1阻值和第二分压电阻R2阻值相同。

4.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述第一单电容组电压检测电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和运算放大器U1；

其中，第三电阻R3和第四电阻R4分别接第三电容C3的两端，第一电容C1的一端同时连接第三电阻R3和第三电容C3后与运算放大器U1的同相输入端相连接，第四电容C4的一端同时连接第四电阻R4和第三电容C3与运算放大器U1的反相输入端相连接，第一电容C1和第四电容C4的另一端均接地，第二电容C2的一端分别接电源模块的-12V电源和运算放大器U1的负模拟电源输入引脚，另一端分别接地和运算放大器U1的模拟电源地脚，第五电容C5一端分别接电源模块的+12V电源和运算放大器U1的正模拟电源输入脚，运算放大器U1的输出信号为第一单电容组电压检测电路的输出信号vo1，vo1为第一分压电路和第二分压电路输出信号之间的电压差；

所述第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路的电路结构与所述第一单电容组电压检测电路相同，且分别输出第二分压电路和第三分压电路输出信号之间的电压差vo2、第三分压电路输出电压和待测电容组串联的节点的电压vo3。

5.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述第一电容组间压差检测电路的输出信号为第一单电容组电压检测电路和为第二单电容组电压检测电路的输出信号之间的电压差，所述第二电容组间压差检测电路的输出信号为第二单电容组电压检测电路和为第三单电容组电压检测电路的输出信号之间的电压差，所述第三电容组间压差检测电路的输出信号为第三单电容组电压检测电路和第一单电容组电压检测电路的输出信号之间电压差。

6.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述第一放大电路包括第二通用运算放大器U3、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11，第九电阻R9的一端接输入信号，输入信号为各电容组间压差检测电路的输出信号，第九电阻R9的另一端接入第二通用运算放大器U3的同相输入端，第十电阻R10的一端接地，另一端与第十一电阻R11的一端相连接并接入第二通用运算放大器U3的反相输入端，第十一电阻R11的另一端与第二通用运算放大器U3的输出端相连接；

所述第二放大电路和第三放大电路的的电路结构与所述第一放大电路相同。

7.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述第一窗口比较器电路包括第三通用运算放大器U4、第十二电阻R12、、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一二极管D1和第二二极管D2，第三通用运算放大器U4还包括第一运算放大器U4a和第二运算放大器U4b；

输入信号分别接入第十三电阻R13和第十四电阻R14的一端，第十三电阻R13的另一端连接第一通用运算放大器U4a的同相输入端，第十四电阻R14的另一端连接第二通用运算放大器U4b的反相输入端，参考电压电路输出的参考电压包括正参考电压+Vref和负参考电压-Vref，第一通用运算放大器U4a的反相输入端通过第十二电阻R12与正参考电压+Vref相连接，第二通用运算放大器U4b的同相输入端通过第十五电阻R15与负参考电压-Vref相连接，第一通用运算放大器U4a的输出端和第二通用运算放大器U4b的输出端连接至并联的第一二极管D1和第二二极管D2的负极，并联的第一二极管D1和第二二极管D2的正极输出为第一窗口比较器电路的输出信号；

所述第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的电路结构与所述第一窗口比较器电路相同。

8.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

对于所述第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路：

当其输入信号的电压值大于正参考电压+Vref或小于负参考电压-Vref时，该窗口比较器电路的输出信号电压为低电平-12V；

当其输入信号的电压值在负参考电压-Vref以上且在正参考电压+Vref以下时，该窗口比较器电路的输出电压信号为高电平+12V。

9.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述报警电路的输入电压信号分别为第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出电压信号v10、v11、v12；

当报警电路的输入信号v10、v11、v12中存在任意一个输入信号为低电平-12V时，报警电路启动，否则报警电路不工作。

10.根据权利要求1所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路，其特征在于，

所述电源模块包括LDO芯片U8、宽输入电压DC/DC电源芯片U9、隔离DC/DC电源芯片U10、保险丝F1、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、电解电容E1、TVS管(瞬态二极管)D4、电感L1、共轭电感L2；

其中，第十电容C10的一端连接待检测超级电容，第十电容C10、第十一电容C11、第十七电容C17、第十九电容C19的串联电压信号依次经过电感L1、共轭电感L2滤波后接入宽输入电压DC/DC电源芯片U9的输入端，宽输入电压DC/DC电源芯片U9的输出端经过并联的第十四电容C14、电解电容E1和TVS管D4输出+12V_D电压，宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D电压和数字地端DGND经过跨接在隔离DC/DC电源芯片U10的输入端1、2脚的第十六电容C16接入隔离DC/DC电源芯片U10，隔离DC/DC电源芯片U10输出+12V_A和-12V_A电压，隔离DC/DC电源芯片U10输出的-12V_A和+12V_A分别连接第十二电容C12和第十八电容C18对模拟地端AGND进行滤波，LDO芯片U8的1脚为接地脚，接数字地端DGND，宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D接LDO芯片U8的输入端3脚，且宽输入电压DC/DC电源芯片U9输出的+12V_D经过滤波电容第十三电容C13接数字地端DGND，第十三电容C13的两端分别连接LDO芯片U8的输入端3脚和接地脚1脚，滤波电容第十五电容C15的一端接数字地端DGND，另一端接LDO芯片U8的输出端2、4脚，LDO芯片U8的输出端输出5V电压。

11.一种基于权利要求1～10任意一项权利要求所述用于检测超级电容组间平衡的PLC电路的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一分压电路、第二分压电路、第三分压电路对超级电容中的各电容组进行分压，得到分压后超级电容中串联的单个电容组的电压；

步骤2，通过第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路和第三单电容组电压检测电路对单个电容组的电压进行测量；

步骤3，基于第一电容组间压差检测电路、第二电容组间压差检测电路、第三电容组间压差检测电路测量第一单电容组电压检测电路、第二单电容组电压检测电路、第三单电容组电压检测电路的输出信号两两之间的电压差；

步骤4，将步骤3得到的各电压差信号经过放大电路进行相对应的信号放大，得到差值信号；

步骤5，将放大后的各差值信号输入各窗口比较器电路中，并与参考电压电路输出的正参考电压+vref及负参考电压-vref进行比较，并根据比较结果输出信号；

步骤6，报警电路接收第一窗口比较器电路、第二窗口比较器电路和第三窗口比较器电路的输出电压信号，并判断报警电路是否工作。

12.根据权利要求11所述的用于检测超级电容组间平衡的PLC电路的运行方法，其特征在于，

所述步骤5中：

当各窗口比较器电路输入信号的电压值大于正参考电压+Vref或小于负参考电压-Vref时，窗口比较器电路的输出信号电压为低电平-12V；当输入信号的电压值在负参考电压-Vref以上且在正参考电压+Vref以下时，窗口比较器电路的输出电压信号为高电平+12V。

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