CN203813486U - 串联超级电容器自动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本专利的串联超级电容器自动均衡电路，包括电阻R1，R2，R3，R4，电压检测单元，N沟道MOS管Q1，NPN型三极管Q2，光耦Q3，光耦Q4，控制单元，电阻R1、R2的一端分别连接Q3的输入阳极、阴极，另一端均连接超级电容器C1的正极,电阻R3的一端连接C1的正极，另一端连接Q4的输出集电极，电阻R4的一端连接C1的正极，另一端连接Q2的集电极，电压检测单元输入端1管脚、2管脚并联在C1的正、负极之间，输出端3管脚连接Q1的栅极，Q1的漏极连接Q3的输入阴极，Q1的源极、Q2的发射极均连接C1的负极，Q2的基极与Q4的输出发射极连接,实现串联超级电容器电压的自动均衡。

Description

串联超级电容器自动均衡电路

【技术领域】

本实用新型涉及集成电路领域，具体涉及一种串联超级电容器自动均衡电路。

【背景技术】

目前超级电容器的单体电压都很低，一般低于3V，在实际应用中需要大量的串联使用，由于在应用中需要进行大电流充放电使用，因此串联的各超级电容器单体电压是否一致至关重要的。因串联超级电容器模组中各超级电容器单体的容量偏差，内阻的不一致性和漏电流的影响，会导致各超级电容器单体在模组中存在电压的不均衡，影响使用。严重的会使整个超级电容器模组损坏。

现有的一种均衡方式为在各串联超级电容器单体两端并联一个电阻进行均压，如图1，这种均衡方式的效果很差，不能有效的均衡，因电阻上会产生一定的漏电流，使整个超级电容器模组的漏电流增大，极大的影响应用。

另外一种串联超级电容器模组均衡电路的方式是：对每一个单体预设一个电压值，一但超级电容器的电压达到预设值时，会对超级电容器单体进行一定的放电，使其电压降低，从而达到保护超级电容器的目的，见图2。此电路的缺点为：放电的电流较小，均衡能力不足，效果不明显。同时因放电电流产生的热量会影响超级电容器的寿命。

【实用新型内容】

为了解决上述问题，本实用新型提供一种串联超级电容器自动均衡电路。

本实用新型采用的技术方案是，构造串联超级电容器自动均衡电路，包括电阻R1，R2，R3，R4，电压检测单元，N沟道MOS管Q1，NPN型三极管Q2，光耦Q3，光耦Q4，控制单元，电阻R1、R2的一端分别连接光耦Q3的输入阳极、阴极，另一端均连接超级电容器的正极,电阻R3的一端连接超级电容器的正极，另一端连接光耦Q4的输出集电极，电阻R4的一端连接超级电容器的正极，另一端连接NPN型三极管Q2的集电极，电压检测单元的输入端1管脚、2管脚并联在超级电容器的正、负极之间，输出端3管脚连接N沟道MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极连接光耦Q3的输入阴极，N沟道MOS管Q1的源极、NPN型三极管Q2的发射极均连接超级电容器的负极，NPN型三极管Q2的基极与光耦Q4的输出发射极连接，光耦Q3的输出端、光耦Q4的输入端均与控制单元连接；

还可以采用另一种方案，串联超级电容器自动均衡电路包括电阻R1，R2，R3，R4，电压检测单元，P沟道MOS管Q1，PNP型三极管Q2，光耦Q3，光耦Q4，控制单元，电阻R1、R2的一端分别连接光耦Q3的输入阴极、阳极，另一端均连接超级电容器的负极,电阻R3的一端连接超级电容器的负极，另一端连接光耦Q4的输出发射极，电阻R4的一端连接超级电容器的负极，另一端连接PNP型三极管Q2的集电极，电压检测单元的输入端1管脚、2管脚并联在超级电容器的正、负极之间，输出端3管脚连接P沟道MOS管Q1的栅极，P沟道MOS管Q1的漏极连接光耦Q3的输入阳极，P沟道MOS管Q1的源极、PNP型三极管Q2的发射极均连接超级电容的正极，PNP型三极管Q2的基极与光耦Q4的输出集电极连接，光耦Q3的输出端、光耦Q4的输入端均与控制单元连接。 

优选的，所述串联超级电容器自动均衡电路还包括与控制单元、超级电容器连接的开关元件。

优选的，所述NPN型三极管Q2型号是SS8050或所述PNP型三极管Q2型号是SS8550。

优选的，所述N沟道MOS管Q1型号是XP161A1355PR或所述P沟道MOS管Q1型号是FDZ661PZ。

优选的，所述电压检测单元型号是XC161AC12702MR。

优选的，所述光耦Q3、Q4型号是PC1817或TLP521-1。

优选的，所述控制单元型号是STC189C151RC1。

优选的，所述电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别是300Ω、10Ω、2.2KΩ、2.2KΩ。

优选的，所述开关元件是继电器或开关。

本实用新型还提供串联超级电容器自动均衡方法，包括如下步骤：

S1：电压检测单元监测超级电容器温度或其两端电压；

S2：判断超级电容器温度或其两端电压是否超范围,如超范围将进行步骤S3，如未超范围，进行步骤S4；

S3：控制单元切断超级电容器的供电，控制光耦Q4导通;

S4：控制单元判断光耦Q4当前状态是否导通，如导通进行步骤S5，如未导通进行步骤S1;

S5：控制单元恢复超级电容器的供电，控制光耦Q4断开。

通过上述方案可见，通过电压检测单元实时对超级电容器的电压进行监测，对电压超过一定偏差时发出指令并隔离传送到处理器，由处理器通过预设程序进行处理；监测串联超级电容器模组中各超级电容器单体电压、模组电压，根据系统即时工作电流、环境温度分析件所处的工作点，当器件工作点偏离正常值时进行旁路、补电等均衡措施，严重时停机进行所有器件集体均衡，达到超级电容器模组中每一个单体的初始化的目的，能保证器件长期稳定地工作在正常范围之内。

【附图说明】

图1 阻容均压的串联超级电容器均衡电路原理图；

图2 带放电回路的串联超级电容器均衡电路原理图；

图3 实施例一中的串联超级电容器自动均衡电路原理图；

图4 实施例二中的串联超级电容器自动均衡电路原理图；

图5 串联超级电容器自动均衡流程图；

【具体实施方式】

为了使本实用新型的技术方案，技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

实施例一：

如图1，超级电容器C1至Cn的容值相同，彼此串联，每个超级电容器连接有相同的均衡电路。本实施例中的串联超级电容器自动均衡电路，包括电阻R1，R2，R3，R4，电压检测单元，控制单元，N沟道MOS管Q1，NPN型三极管Q2，光耦Q3、Q4。电阻R1、R2的一端分别连接光耦Q3的输入阳极、输入阴极，另一端均连接超级电容C1正极,电阻R3的一端和超级电容C1正极连接，另一端连接光耦Q4的输出集电极，电阻R4的一端连接超级电容C1正极，另一端连接NPN型三极管Q2的集电极C1，电压检测单元的输入端1管脚、2管脚分别连接超级电容器C1的正极、负极，输出端3管脚连接N沟道MOS管Q1的栅极G，MOS管Q1的漏极D连接光耦Q3的输入阳极，MOS管Q1的源极S、三极管Q2的发射极E均连接超级电容C1的负极，三极管Q2的基极B与光耦Q4的输出发射极连接，光耦Q3的输出端、光耦Q4的输入端均与控制单元连接。同时在供电端设有继电器K，继电器K和一端控制单元电连接，另一端和超级电容器C1连接。本实施例中的NPN型三极管型号是SS8050，N沟道MOS管型号是XP161A1355PR，电压检测单元型号是XC161AC12702MR，光耦型号Q3，Q4型号是PC1817或TLP521-1，控制单元型号是STC189C151RC1，电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别是300Ω、10Ω、2.2KΩ、2.2KΩ,超级电容器C1的容值10～3000pF。

电压检测单元的可实时采样超级电容器C1的温度和其两端的电压，如温度或电压超出超级电容器C1的工作温度、充电电压额定参数一个绝对值范围时，输出一个逻辑高电平“1”给MOS管，MOS管导通，超级电容器C1，电阻R2，MOS管形成第一放电回路，实现了均衡超级电容器电压的目的，在电荷泄放的过程中，R2两端的压降使光耦Q3中的发光二极管导通发光，输出逻辑低电平“0”给控制单元，同时控制单元控制断开继电器K，切断超级电容器C1的充电电压。根据光耦Q3的低电平输出，控制单元输出逻辑高电平给光耦Q4，Q4导通发光而使三极管Q2饱和导通，超级电容C1，R4，三极管Q2形成第二放电回路，也均衡了超级电容器的电压，随着超级电容两端的电压迅速降低，自身温度也随之快速降低；当第一放电回路和第二放电回路的双重作用使超级电容C1的温度或其两端的电压降至目标范围后，电压检测单元输出逻辑低电平信号给MOS管, MOS管截止，从而光耦Q3也截止，控制单元根据Q3的高电平输出，断开光耦Q4，控制继电器K闭合，恢复超级电容器C1的供电。本实施例中的继电器K可以是其他开关元器件，譬如开关。

任一超级电容器过压时，控制单元可自动控制每个超级电容器的单体电压达到相同值。

实施例二：

如图4，该实施例中的N沟道MOS管还可以替换成P沟通MOS管，NPN型三极管还可以替换成PNP型三极管，只需将超级电容器的正、负极位置互换，光耦Q3的输入阳极、阴极连接位置互换，光耦Q4的输出集电极，发射极连接位置互换，电压检测单元输出逻辑低电平信号给MOS管，控制单元输出逻辑高电平给光耦Q4，同样可实现多个超级电容器电压均衡功能，具体工作过程不再赘述。此实施例中的PNP型三极管型号是SS8550,P沟道MOS管型号是FDZ661PZ,其他元器件型号参数与实施例一中的相同。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.串联超级电容器自动均衡电路，包括电阻R1，R2，R3，R4，电压检测单元，N沟道MOS管Q1，NPN型三极管Q2，光耦Q3，光耦Q4，控制单元，电阻R1、R2的一端分别连接光耦Q3的输入阳极、阴极，另一端均连接超级电容器的正极,电阻R3的一端连接超级电容器的正极，另一端连接光耦Q4的输出集电极，电阻R4的一端连接超级电容器的正极，另一端连接NPN型三极管Q2的集电极，电压检测单元的输入端1管脚、2管脚并联在超级电容器的正、负极之间，输出端3管脚连接N沟道MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极连接光耦Q3的输入阴极，N沟道MOS管Q1的源极、NPN型三极管Q2的发射极均连接超级电容器的负极，NPN型三极管Q2的基极与光耦Q4的输出发射极连接，光耦Q3的输出端、光耦Q4的输入端均与控制单元连接；

或者包括电阻R1，R2，R3，R4，电压检测单元，P沟道MOS管Q1，PNP型三极管Q2，光耦Q3，光耦Q4，控制单元，电阻R1、R2的一端分别连接光耦Q3的输入阳极、阴极，另一端均连接超级电容器的负极,电阻R3的一端连接超级电容器的负极，另一端连接光耦Q4的输出发射极，电阻R4的一端连接超级电容器的负极，另一端连接PNP型三极管Q2的集电极，电压检测单元的输入端1管脚、2管脚并联在超级电容器的正、负极之间，输出端3管脚连接P沟道MOS管Q1的栅极，P沟道MOS管Q1的漏极连接光耦Q3的输入阳极，P沟道MOS管Q1的源极、PNP型三极管Q2的发射极均连接超级电容的正极，PNP型三极管Q2的基极与光耦Q4的输出集电极连接，光耦Q3的输出端、光耦Q4的输入端均与控制单元连接。

2.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述串联超级电容器自动均衡电路还包括与控制单元、超级电容器连接的开关元件。

3.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述NPN型三极管Q2型号是SS8050或所述PNP型三极管Q2型号是SS8550。

4.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述N沟道MOS管Q1型号是XP161A1355PR或所述P沟道MOS管Q1型号是FDZ661PZ。

5.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述电压检测单元型号是XC161AC12702MR。

6.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述光耦Q3、Q4型号是PC1817或TLP521-1。

7.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述控制单元型号是STC189C151RC1。

8.根据权利要求1中所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征在是所述电阻R1、R2、R3、R4的阻值分别是300Ω、10Ω、2.2KΩ、2.2KΩ。

9.根据权利要求2所述的串联超级电容器自动均衡电路，其特征是所述开关元件是继电器或开关。