CN202997597U

CN202997597U - 一种超级电容模组智能管理装置

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Publication number: CN202997597U
Application number: CN 201220546392
Authority: CN
Inventors: 冉建国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-10-24

Abstract

本实用新型公开了一种超级电容模组智能管理装置，所述超级电容模组内包括至少一个电容子模组，每个电容子模组内包括若干个串联的单体超级电容；所述超级电容模组智能管理装置包括：主控模块和至少一个电压检测及均衡模块；所述主控模块通过隔离的总线与各个电压检测及均衡模块相连；每个电压检测及均衡模块对应连接一个电容子模组。应用本实用新型，可实时或定时取得各个单体超级电容的电压值，通过电压检测及均衡模块实现主动均衡各个单体超级电容的电压值，使得各个单体超级电容的电压达到均衡。此外，还可以获得超级电容模组的总电压值、充放电电流值以及当前所处的温度等信息，可为后续应用、调度策略等提供必要的数据支持。

Description

一种超级电容模组智能管理装置

技术领域

本实用新型涉及超级电容技术领域，特别涉及一种超级电容模组智能管理装置。

背景技术

超级电容模组在实际应用中，是将多个单只超级电容串联起来组成模组使用。由于超级电容模组中各个单体超级电容的自放电流、内阻、容量存在差异，在多次、长时间的使用中，必然产生某些超级电容充电不足、某些超级电容过压的现象，过压对超级电容的损害是巨大的，会使电容的容量迅速减低，严重影响寿命，损坏的超级电容反过来对好电容造成损害，使整组电容的使用寿命大大降低。

现有技术采用“限压”法来限制单体超级电容的最高电压，当某个单体超级电容电压上升到设定值时(如2.6V)，限压模块通过旁路电阻泄放电流，达到阻止电压上升的目的。

限压方法只有在某个超级电容的电压达到设定值时才能开始限压，其并没有真正测量到单体超级电容的实际电压值，而且，在充电电流很大时需要非常大的放电电流才能限住电压。大电流放电实现有一定的难度，成本较高，放电时会产生大量热量，不容易快速散掉，高温环境对超级电容是不利的，会减低使用寿命。

利用现有的限压方法，无法获知超级电容模组在使用时单体超级电容的具体电压值，进而无法对单体超级电容的充放电过程进行实际有效的控制。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种超级电容模组智能管理装置，以获得超级电容模组在使用过程中单体超级电容的具体电压值，进而主动均衡超级电容模组内各个单体超级电容的电压值。

本实用新型实施例提供了一种超级电容模组智能管理装置，所述超级电容模组内包括至少一个电容子模组，每个电容子模组内包括若干个串联的单体超级电容；所述超级电容模组智能管理装置包括：主控模块和至少一个电压检测及均衡模块；

所述主控模块通过隔离的总线与各个电压检测及均衡模块相连；每个电压检测及均衡模块对应连接一个电容子模组；

所述主控模块，通过所述隔离的总线向每个电压检测及均衡模块发送电压检测指令，接收各个电压检测及均衡模块反馈的其对应的电容子模组中的单体超级电容的电压值，根据各个电压检测及均衡模块反馈的单体超级电容的电压值计算电压对比参数，将所述电压对比参数发送给每个电压检测及均衡模块；

所述电压检测及均衡模块，根据来自主控模块的电压检测指令，对其对应的电容子模组内的每个单体超级电容的电压分别进行检测，将检测到的每个单体超级电容的电压值上报给主控模块；接收来自主控模块的电压对比参数，判断出检测到的每个单体超级电容的电压值与所述电压对比参数之间满足预设条件时，启动单体超级电容电压均衡操作。

其中，所述智能管理装置还包括：

模组参数检测模块，通过隔离的总线与主控模块连接；根据来自主控模块的模组参数检测指令，对超级电容模组状态进行检测，获得模组参数，将所述模组参数反馈给主控模块。

其中，所述智能管理装置还包括：

至少一个通讯隔离模块，每个通讯隔离模块串联在所述各个电压检测及均衡模块与主控模块之间的总线上，及所述模组参数检测模块与主控模块之间的总线上，形成隔离的总线。

其中，所述智能管理装置还包括：

上位机，与所述主控模块连接，接收来自所述主控模块的模组参数及各个单体超级电容的电压值。

其中，所述每个电压检测及均衡模块包括：

若干个减法器，减法器的数量与电容子模组内单体超级电容的数量相同，每个减法器的两个输入端分别与单体超级电容的正负极分别连接，输出所述单体超级电容的电压信号；

滤波器，将所述减法器输出的电压信号滤波后传送给多路开关；其中，所述滤波器的个数与所述减法器的个数相同；

多路开关，将来自滤波器的电压信号传送给第一单片机；

第一单片机，根据所述主控模块实时或定时发送的电压检测指令，通过多路开关选择与所述检测指令对应的来自滤波器的电压信号，将所述电压信号进行模数转换后传送给主控模块；接收来自主控模块的电压对比参数，判断出所述来自滤波器的电压信号与所述电压对比参数之间满足预设条件时，启动直流/直流双向转换模块；

直流/直流双向转换模块，比较相邻电容的电压，并使电压高的电容向电压低的电容充电。

其中，所述模组参数包括：模组总电压值、充放电电流值以及环境温度值；

所述模组参数检测模块包括：

电压信号调理单元，将检测到的模组总电压进行调理后作为模组总电压值传送给电压和充放电电流检测模块；

霍尔传感器，根据电流方向输出表示充放电电流值的电压，将所输出的电压作为充放电电流值传送给电压和充放电电流检测模块；

电压和充放电电流检测模块，将来自电压信号调理单元的模组总电压，和来自霍尔传感器的表示充放电电流值的电压进行模数转换后传送给第二单片机；

温度传感器，将检测到的温度数据作为环境温度值传送给第二单片机；

第二单片机，根据来自主控模块的信号，将模组总电压值、充放电电流值以及环境温度值反馈给主控模块。

其中，所述电压对比参数包括：所有单体超级电容的最高电压值、平均电压值和最低电压值。

其中，所述主控模块为dsPIC30F6010A单片机；所述通讯隔离模块为高速光隔6N137。

其中，所述滤波器为阻容滤波器。

其中，所述电压和充放电电流检测模块为AD7321芯片；所述温度传感器为DS18B20。

综上，应用本实用新型实施例所提供的超级电容模组智能管理装置，可实时或定时取得各个单体超级电容的电压值，通过电压检测及均衡模块实现主动均衡各个单体超级电容的电压值，使得各个单体超级电容的电压达到均衡。

本实用新型实施例还通过引入用于监测模组参数的模组参数检测模块，可以获得超级电容模组的总电压值、充放电电流值以及当前所处的温度等信息，可为后续应用、调度策略等提供必要的数据支持。

本实用新型实施例能够将单体超级电容电压主动均衡，模组总电压、温度及充放电电流检测组合为一体，并将检测到的数据上传到上位机，为上位机的控制提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的超级电容模组智能管理装置结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的电压检测及均衡模块的原理结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的模组参数检测模块的原理结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，其是根据本实用新型实施例的超级电容模组智能管理装置结构示意图，本实施例的超级电容模组智能管理装置用于对超级电容模组进行管理，其中，每个超级电容模组内包括至少一个电容子模组，每个电容子模组内包括若干个单体超级电容。例如，在一个可能的实施例中每个电容子模组内可以包括8只串联的单体超级电容，对于多于8只电容的模组，通过电容子模组级联的方式扩展。图1所述超级电容模组智能管理装置具体包括：主控模块100、至少一个电压检测及均衡模块200，以及隔离的总线300，其中，主控模块100通过隔离的总线300与各个电压检测及均衡模块200相连；每个电压检测及均衡模块200对应连接一个电容子模组；

主控模块100，通过所述隔离的总线300向每个电压检测及均衡模块200发送电压检测指令，接收各个电压检测及均衡模块200反馈的其对应的电容子模组中的单体超级电容的电压值，根据各个电压检测及均衡模块200反馈的单体超级电容的电压值计算电压对比参数，将所述电压对比参数发送给每个电压检测及均衡模块200；

每个电压检测及均衡模块200，根据来自主控模块100的电压检测指令，对其对应的电容子模组内的每个单体超级电容的电压分别进行检测，将检测到的每个单体超级电容的电压值上报给主控模块100；接收来自主控模块100的电压对比参数，判断出检测到的每个单体超级电容的电压值与所述电压对比参数之间满足预设条件时，启动单体超级电容电压均衡操作。

上述电压对比参数包括所有单体超级电容的最高电压值、平均电压值和最低电压值。需要说明的是，上述电压对比参数并不限于此，可根据实际需求增加或减少。

在一个可能的实施例中，主控模块可实时或定时向每个电压检测及均衡模块发送电压检测指令。

在一个可能的实施例中，主控模块计算电压对比参数的步骤包括计算所有单体超级电容的最高电压值、平均电压值和最低电压值。

在一个可能的实施例中，上述主控模块采用Microchip的dsPIC30F6010A单片机，该单片机带有2个CAN口，2个全双工串口。

由于每个电压检测及均衡模块检测一个电容子模组内串联的电容，例如一个电容子模组内八只相邻的串联电容，且每个电容子模组内的单体超级电容是串联的，因而每个单体超级电容的地电位有很大差异，因此控制模块与电压检测及均衡模块之间还可以串联通讯隔离模块，以实现隔离的总线。

在一个可能的实施例中，上述通讯隔离模块为高速光隔6N137。

仍参见图1，在一个可能的实施例中，还可以包括至少一个通讯隔离模块400，每个电压检测及均衡模块200通过通讯隔离模块400及总线300与主控模块100连接；也即，每个通讯隔离模块400串联在各个电压检测及均衡模块200与主控模块100之间的总线上，形成隔离的总线。

应用本实用新型实施例所提供的超级电容模组智能管理装置，可实时或定时取得各个单体超级电容的电压值，通过电压检测及均衡模块实现主动均衡各个单体超级电容的电压值，使得各个单体超级电容的电压达到均衡。

“主动均衡”是在电容充放电过程中，主动对电压较高的电容电压进行限制，达到各个单体超级电容电压基本一致，避免单体过压。而现有技术的“限压”，是等电压达到设定值时再放电，其不是在充放电过程中实时平衡电压，因此，使用本实用新型提供的方案，使得整组电容电压的一致性更好，所需均衡电流更小，还可以根据不同的运行场合灵活变更控制策略。

对于图1所述的超级电容模组智能管理装置，还可以包括：模组参数检测模块500，此时，通讯隔离模块400串联在所述模组参数检测模块400与主控模块100之间的总线上；模组参数检测模块500根据来自主控模块100的模组参数检测指令，对超级电容模组状态进行检测，获得模组参数，将所述模组参数反馈给主控模块100。其中，所述模组参数包括：模组总电压值、充放电电流值以及环境温度值等等。这样，主控模块100可以获得超级电容模组的总电压值、充放电电流值以及当前所处的温度，可为后续应用、策略等提供必要的数据支持。

在一个可能的实施例中，主控模块可实时或定时向模组参数检测模块发送模组参数检测指令，模组参数检测模块根据实时或定时的模组参数检测指令执行相应操作。

对于图1所示的超级电容模组智能管理装置，还可以包括：上位机(图未示)，其通过串行通讯接口与主控模块100连接，接收来自主控模块的模组参数及各个单体超级电容的电压值。这样，可以将所有检测到的所有数据上传到上位机，为上位机的后续控制提供基础数据支持。

在一个可能的实施例中，主控模块通过CAN、485或RS232接口与上位机进行通讯，可实时上传数据。

综上，应用本实用新型实施例所提供的超级电容模组智能管理装置，可以将电压主动均衡，电压、温度及充放电电流检测组合为一体，并将检测到的数据上传到上位机，为上位机的控制提供依据。

参见图2，其是根据本实用新型实施例的电压检测及均衡模块的原理结构示意图。该电压检测及均衡模块200包括：若干个减法器210、滤波器220、多路开关230，第一单片机240，以及直流/直流双向转换模块(DC/DC双向转换模块)250，其中，

减法器210的数量与电容子模组内单体超级电容的数量相同，每个减法器的两个输入端分别与单体超级电容的正负极分别连接，输出所述单体超级电容的电压信号。

仍参见图2，本实施例中，每个减法器可采用精密运算放大器来实现，例如，可以采用LM324芯片来实现，具体的，该芯片的1号引脚作为减法器的输出端，2号引脚作为减法器的负极输入端，该负极输入端通过第一电阻R1与一只单体超级电容的负端连接，并且，该2号引脚还通过第二电阻R12连接至1号引脚；上述芯片的3号引脚为减法器的正极输入端，该正极输入端通过第三电阻R3与上述单体超级电容的正端连接，并且，该3号引脚还通过第四电阻R4与地(GND)连接；上述芯片的4号引脚与24V电源连接；上述芯片的11号引脚与GND连接。

可以理解的是，每个LM324芯片可提供四个减法器，如果有多个单体超级电容，可采用多个LM324芯片来实现。当然，本申请中并不对实现减法器所使用的具体芯片做限定，只要能够具备减法器功能的芯片都可应用于本申请中。

滤波器220，将所述减法器输出的电压信号滤波后传送给多路开关230；其中，所述滤波器的个数与所述减法器的个数相同。

仍参见图2，本实施例中，采用阻容滤波器来实现，具体的，阻容滤波器包括第五电阻R5和第一电容C1，其中，第五电阻R5的一端与减法器的输出端即LM324芯片的1号引脚连接，第五电阻R5的另一端与第一电容C1的正极连接，第一电容C1的负极接GND；第一电容C1的正极作为阻容滤波器的输出端，连接至多路开关230。

需要说明的是，本申请中并不对滤波器的具体实现形式做限定，任何可以消除高频纹波的滤波器都可应用于本申请中。

多路开关230，将来自滤波器的电压信号传送给第一单片机；

第一单片机240，根据所述主控模块实时或定时发送的电压检测指令，通过多路开关选择与所述检测指令对应的来自滤波器的电压信号，将来自多路开关的电压信号进行模数转换后传送给主控模块；接收来自主控模块的电压对比参数，判断出所述来自滤波器的电压信号与所述电压对比参数之间满足预设条件时，启动直流/直流双向转换模块。

上述预定条件可以根据实际需求确定，例如，一种可能的实现方案是，电压对比参数为单体超级电容的平均电压值；单片机判断出来自滤波器的电压信号与所述单体超级电容的平均电压值的差值超过预设的启动阈值后，启动均衡操作即启动直流/直流双向转换模块250。

直流/直流双向转换模块250，比较相邻电容的电压，并使电压高的电容向电压低的电容充电，其中，直流/直流双向转换模块250的比单体超级电容个数少一个。

综上，应用图2所述实施例，要检测电容子模组中串联的单电容的电压，并要保证足够的检测精度，可采用精密运算放大器组成减法器实现单体超级电容的电压检测。每个减法器的输入端输入一只单体超级电容的正负极，输出为该单体超级电容电压。通过设定电阻的比例可使输出电压等于R1/R2(V2-V1)。运放的输出通过阻容滤波器进行滤波，以消除高频纹波对电压测量的影响，再通过模拟多路器将每个电容的电压输入到单片机的A/D转换端进行A/D变换。单片机的I/O端口用来选通模拟多路器和控制均衡电路的启停。

直流/直流双向转换模块采用双向DC/DC变换的方式传递能量，使电压高的电容能量转移到电压低的电容中，从而实现电压均衡。每个DC/DC双向转换模块输入有三根线，为相邻电容的总正、总负和两个电容正负极连接点，如一个直流/直流双向转换模块接入电容组的V1，V2，V3电压。如果单片机启动均衡操作，该直流/直流双向转换模块自动比较相邻单体超级电容的电压，并使电压高的电容向电压低的电容充电，电压高的电容能量向电压低的电容流动，从而使相邻单体超级电容电压趋于一致。

每个电压检测及均衡模块包含七个直流/直流双向转换模块，负责八只电容的均衡，第七个直流/直流双向转换模块与下一电压检测及均衡模块的第一个直流/直流双向转换模块对应同一电容，以便通过该电容达到两个电压检测及均衡模块之间的能量流动，最终使整组电容电压达到均衡。这里，直流/直流双向转换模块本身为现有技术，在此不再详细说明。

参见图3，其是根据本实用新型实施例的模组参数检测模块的原理结构示意图。该模组参数检测模块500包括：电压信号调理单元510，霍尔传感器520，电压和充放电电流检测模块530，温度传感器540以及第二单片机550，其中，

电压信号调理单元510，将检测到的模组总电压进行调理后作为模组总电压值传送给电压和充放电电流检测模块530；

上述调理操作包括对电压信号进行电平变化、限压保护、缓冲等处理；根据实际处理的需求，电压信号调理单元可以包括用于电平变化的分压电阻、用于滤波的滤波电容、用于进行限压保护的限压二极管、用于缓冲的运放等等。具体采用哪些器件可根据实际需求而定，本文对此并不进行限定。具体的搭建方式也是常规的现有技术，这里也不再做详细说明。

霍尔传感器520，根据电流方向输出表示充放电电流值的电压，将所输出的电压作为充放电电流值传送给电压和充放电电流检测模块530；

电压和充放电电流检测模块530，将来自电压信号调理单元510的模组总电压，和来自霍尔传感器520的表示充放电电流值的电压进行模数转换后传送给第二单片机550；

在一种可能的实施例中，电压和充放电电流检测模块530为12位的AD7321芯片；当然，本申请并不限定电压和充放电电流检测模块所采用芯片的具体型号，只要能实现上述功能的任何芯片都可以应用于本申请中。

温度传感器540，将检测到的温度数据作为环境温度值传送给第二单片机550；

在一种可能的实施例中，温度传感器540采用数字温度传感器DS18B20；当然，本申请并不限定温度传感器的具体型号，只要能实现上述功能的任何温度传感器都可以应用于本申请中。

第二单片机550，根据来自主控模块的信号，将模组总电压值、充放电电流值以及环境温度值反馈给主控模块。

综上，应用图3所述实施例，AD7321芯片与第二单片机通过I2C总线相连，将检测的超级电容模组的模组总电压传给第二单片机。电流检测通过霍尔传感器，根据电流的方向霍尔传感器输出+4V或-4V的电压，将霍尔传感器的输出电压输入AD7321芯片的输入端，转换成数字信号，通过I2C通讯线传给第二单片机。超级电容模组总电压通过电压信号调理单元对电压信号进行电平变化、限压保护、缓冲等处理，再输入给AD7321芯片。环境温度检测采用数字温度传感器DS18B20，直接与第二单片机通过I2C总线相连，读取温度数据到第二单片机。

参见图1-图3，一种可能的控制流程如下：

主控模块通过一个CAN口连接隔离的总线，通过该隔离的总线与电压检测及均衡模块和模组参数检测模块通讯；主控模块实时或定时向所有电压检测及均衡模块发送电压检测指令，向模组参数检测模块发出模组参数检测指令，各个模块同时开始检测，这样可以保证单体超级电容电压是同时检测的。延时0.1秒后，主控模块向电压检测及均衡模块发出传送检测电压的指令，得到各个单体超级电容的电压；向模组参数检测模块发指令取得模组参数。之后，主控模块可以计算所有单体超级电容的平均电压值，最高电压值、最低电压值，然后将这些数据发送给每个电压检测及均衡模块，根据预设条件，每个模块将检测的电压值与这些接收的数值比较。例如，如果预设条件为判断单体超级电容的电压值过与单体超级电容的平均值的差值是否超过设定的启动值阈值，则当根据该条件判断结果为是时启动均衡操作。

另外，主控模块还可以通过另一个CAN口或RS485、RS232等串口上传数据至上位机。

主控模块还将获得的检测结果，如电容组参数、各个单体超级电容的电压、温度等对超级电容模组状态作出分析预测，将检测到的数据和/或分析预测全部上传给上位机，供后续控制使用。

应用本实用新型实施例所提供的超级电容模组智能管理装置，将电容子模组内单体超级电容电压主动均衡，模组总电压、温度、电流快速检测组合为一体，并将检测数据上传到上位机，为上位机的控制提供依据。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他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、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种超级电容模组智能管理装置，其特征在于，所述超级电容模组内包括至少一个电容子模组，每个电容子模组内包括若干个串联的单体超级电容；所述超级电容模组智能管理装置包括：主控模块和至少一个电压检测及均衡模块；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述智能管理装置还包括：

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述智能管理装置还包括：

4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述智能管理装置还包括：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述每个电压检测及均衡模块包括：

多路开关，将来自滤波器的电压信号传送给第一单片机；

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述模组参数包括：模组总电压值、充放电电流值以及环境温度值；

所述模组参数检测模块包括：

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压对比参数包括：所有单体超级电容的最高电压值、平均电压值和最低电压值。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述主控模块为dsPIC30F6010A单片机；所述通讯隔离模块为高速光隔6N137。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述滤波器为阻容滤波器。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述电压和充放电电流检测模块为AD7321芯片；

所述温度传感器为DS18B20。