CN207835135U - 一种超级电容保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超级电容保护电路，包括若干超级电容器SCn串联而成的超级电容器组，安装在超级电容器组与充电电源或负载之间的保险丝F1及充放电保护模块，安装在每个超级电容器上的单体均衡和保护模块，安装在超级电容器组负极与地之间的过温保护模块。本实用新型全方位超级电容保护措施，有利于增强超级电容模组的可靠性和稳定性。安全防护到位。针对可能产生的多种安全隐患进行了预防和限制，可充分提高超级电容模组允许的安全性。与外部监控设备或模块对接的告警信号输出功能，可实时监控超级电容模组的运行状态，提前预防和发现超级电容模组工作异常事件，可提早发现并解决应用过程中相关问题。

Description

一种超级电容保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种保护电路，尤其涉及一种超级电容保护电路。

背景技术

当前，由超级电容单体串并联构成的不同规格的模组应用越来越广泛。随着超级电容模组内部串并联单体数量的增加，对超级电容模组及内部单体的保护愈发重要。可是，现有的多数超级电容模组单体的保护电路并不健全，甚至只有简单的单体电压平衡电路。

由于保护电路不健全，导致超级电容模组及其单体会因为过压、过温、过流等故障而损坏，并且无法将超级电容模组及其单体的工作状态实时反馈到关联控制和管理模块。这些都导致了超级电容模组应用的可靠性、稳定性和安全性不高。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种超级电容保护电路。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术手段是：一种超级电容保护电路，包括若干超级电容器SCn串联而成的超级电容器组，安装在超级电容器组与充电电源或负载之间的保险丝F1及充放电保护模块，安装在每个超级电容器上的单体均衡和保护模块，安装在超级电容器组负极与地之间的过温保护模块。

进一步的，所述充放电保护模块包括与保险丝F1一端连接的稳压二极管ZD2的负极，电阻R9的一端和PMOS管Q4的D端，电阻R9的另一端连接二极管D2的负极，PMOS管Q4的S端连接稳压二级管ZD1的负极，以及电容C1、电阻R4的一端和PMOS管Q1的S端，PMOS管Q1的D端连接超级电容器组的正极，二级管D2的正极，以及电阻R1的一端，PMOS管Q1的G端连接电容C1、电阻R4的另一端以及稳压二极管ZD1的正极和电阻R5的一端，电阻R5连接三极管Q2的C极，稳压二极管ZD2的正极连接电阻R3，电阻R3的另一端连接二极管D1的正极和电压比较器U1的输出端，二极管D1的负极连接三极管Q2的B极，三极管Q2的E极接地，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接电压比较器U1的基准输入端，电阻R2的另一端接地。

进一步的，所述过温保护模块由并联的限流电阻RS1和PTC功率热敏电阻RT1组成，连接在地与超级电容器组的负极之间。

进一步的，所述单体均衡和保护模块包括对应安装在超级电容器SCn上的二极管DnA，二极管DnA的正极连接超级电容器SCn的负极，二极管DnA的负极连接超级电容器SCn的正极，电压比较器CnA安装在超级电容器SCn两端，输出端连接电阻Rn3A和电阻Rn1A，电阻Rn3A另一端连接NMOS管QnA的G端，电阻Rn1A另一端连接光耦UnA，NMOS管QnA的D端通过电阻Rn2A与超级电容器SCn的正极连接，NMOS管QnA的S端与光耦UnA的另一端以及超级电容器SCn的负极连接。

更进一步的，所述超级电容保护电路还包括故障告警模块，故障告警模块连接单体均衡和保护模块。

更进一步的，所述故障告警模块包括与单体均衡和保护模块光耦UnA对应的光耦UnB， C极连接三极管Q3的B极和电阻R6的一端，三极管Q3的C极连接电阻R7的一端和过压告警信号输出端OV，电阻R6、R7的另一端连接外部电压输入端EXVCC，电阻R8的一端连接外部电压输入端EXVCC，另一端连接温度开关Kt和过压告警信号输出端OT，光耦UnB内部光敏三极管的E极连接三极管Q3的E极并连接共地SG端，温度开关Kt的另一端连接共地SG端。

本实用新型的有益效果是：

1）全方位超级电容保护措施。对常见的超级电容模组过流、过压、过温、开路、短路等故障均可起到保护作用，有效弥补简易保护措施单一的不足，有利于增强超级电容模组的可靠性和稳定性。

2）安全防护到位。超级电容模组是一种新型储能器件，一旦防护不到位，极有可能引发起火、爆炸、闪弧等安全问题。本设计针对可能产生的多种安全隐患进行了预防和限制，可充分提高超级电容模组允许的安全性。

3）外部状态可见。很多超级电容模组最终故障时，往往与早期运行过程中对故障的监测不到位有直接关系。本设计提供与外部监控设备或模块对接的告警信号输出功能，可实时监控超级电容模组的运行状态，提前预防和发现超级电容模组工作异常事件，可提早发现并解决应用过程中相关问题。

4）简单可靠。相比较复杂的超级电容储能管理系统，该电路相对简洁，这一方面可以简化超级电容管理系统的电路设计，另一方面也可以大幅降低超级电容管理系统的成本，具有很高的市场价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的阐述。

图1 为本实用新型电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种超级电容保护电路，包括若干串联的超级电容器SCn，安装在超级电容与充电电源或负载之间的保险丝F1及充放电保护模块，安装在每个超级电容上的单体均衡和保护模块，安装在超级电容器组与地之间的过温保护模块。

所述充放电保护模块包括与保险丝F1一端连接的稳压二极管ZD2的负极，电阻R9的一端和PMOS管Q4的D端，电阻R9的另一端连接二极管D2的负极，PMOS管Q4的S端连接稳压二级管ZD1的负极，以及电容C1、电阻R4的一端和PMOS管Q1的S端，PMOS管Q1的D端连接超级电容器组的正极，二级管D2的正极，以及电阻R1的一端，PMOS管Q1的G端连接电容C1、电阻R4的另一端以及稳压二极管ZD1的正极和电阻R5的一端，电阻R5连接三极管Q2的C极，稳压二极管ZD2的正极连接电阻R3，电阻R3的另一端连接二极管D1的正极和电压比较器U1的输出端，二极管D1的负极连接三极管Q2的B极，三极管Q2的E极接地，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接电压比较器U1的基准输入端，电阻R2的另一端接地。

所述过温保护模块由并联的限流电阻RS1和PTC功率热敏电阻RT1组成，连接在地与超级电容器组的负极之间。

所述单体均衡和保护模块包括对应安装在超级电容器SCn上的二极管DnA，二极管DnA的正极连接超级电容器SCn的负极，二极管DnA的负极连接超级电容器SCn的正极，电压比较器CnA安装在超级电容器SCn两端，输出端连接电阻Rn3A和电阻Rn1A，电阻Rn3A另一端连接n-MOS管QnA的G端，电阻Rn1A另一端连接光耦UnA，n-MOS管QnA的D端通过电阻Rn2A与超级电容器SCn的正极连接，n-MOS管QnA的S端与光耦UnA的另一端以及超级电容器SCn的负极连接。

所述超级电容保护电路还包括故障告警模块，故障告警模块连接单体均衡和保护模块。

所述故障告警模块包括与单体均衡和保护模块光耦UnA对应的光耦UnB， C极连接三极管Q3的B极和电阻R6的一端，三极管Q3的C极连接电阻R7的一端和过压告警信号输出端OV，电阻R6、R7的另一端连接外部电压输入端EXVCC，电阻R8的一端连接外部电压输入端EXVCC，另一端连接温度开关Kt和过压告警信号输出端OT，光耦UnB内部光敏三极管的E极连接三极管Q3的E极并连接共地SG端，温度开关Kt的另一端连接共地SG端。

上述电路的工作原理是：

一、充电保护

当R1和R2构成的分压电阻检测到超级电容模组端电压低于额定电压时，电压比较器U1输出高电平，即高阻抗状态，不会吸收Q2基极驱动电流，此时，SCM+端流经ZD2、R3和D1的电流驱动Q2导通。Q2导通后，Q1和Q4的源极和栅极正电压达到阈值开启电压而导通，即充电回路导通。ZD1可防止p-MOS管Q1的源极和栅极免受高压损坏。

充电过程中，若充电电流过大，同限流电阻RS1并联的PTC功率热敏电阻阻值升高，进而限制充电电流上升，起到过流保护作用。

充电过程中，若充电电源短路，则保险丝F1熔断，切断充电回路。

正常充电到额定电压后，电压比较器U1输出低电平，即吸收Q2基极驱动电流，Q2截止，p-MOS管Q1的源极和栅极保持同电位，Q1截止，充电回路自动切断。

二、放电保护

当超级电容模组开始给负载供电时，若超级电容模组电压低于额定电压时，放电二极管D1和Q1，Q4均保持开通，由于Q1上的压降远小于D1和R9串联回路，由Q1承担大部分放电电流。

若超级电容模组开始给负载供电时，模组电压高于，二极管D1优先导通，此时，与D1串联的限流电阻R9限制模组输出电流，同时，由R9的承担部分电压，使输出到SCM+的端电压不超过,待模组电压下降至低于时，Q1，Q4和D1同时导通，正常进行放电。

若超级电容模组放电过程中电流过大，与限流电阻RS1并联的PTC热敏电阻RT1阻值升高，限制放电电流上升，起到过流保护作用。

若输出负载短路，同样将F1熔断，切断放电回路。

三、开路保护

SCn中任何一只超级电容单体开路时，充电回路自动切断，同时与开路超级电容单体反向并联的二极管DnA承担开路高电压，避免因开路高电压构成的闪弧、击穿等风险。模组放电过程中，与开路超级电容单体反向并联的二极管自然导通，不影响模组正常放电。

四、过温保护

超级电容模组充放电过程中，均通过RS1和RT1并联构成限流电阻限制最大工作电流，从而将超级电容模组的工作电流限制在合理的区间内。

当超级电容模组充放电电流过大或者频度较高时，PTC功率热敏电阻RT1发热阻值升高，进一步将充放电电流降低，避免模组整体温升过高。

五、单体均衡和保护

超级电容模组内每一只单体均配备电压均衡和保护电路，当模组内任意一只超级电容单体电压超出额定电压时，电压比较器CnA输出高电平，驱动n-MOS管QnA导通，进而通过功率电阻Rn2A对超级电容单体进行放电。当过压超级电容单体电压重新下降到额定电压内时，电压比较器CnA输出电平跳转为低电平，进而n-MOS管QnA关断，停止对该单体进行放电。以此类推，充电完成时，模组内单体电压均可维持在额定电压左右，保持模组内部单体电压平衡，并对模组内单体进行过压保护。

六、告警信号输出

除上述保护动作外，该超级电容模组保护电路还提供故障告警信号输出，主要包含以下两种： ①过压告警信号。超级电容模组整体过压或者模组内任意一只单体过压时，电压比较器CnA输出电平变高，通过Rn1A驱动光耦UnA内部二极管点亮，进而UnB内部光敏三极管导通，吸收Q3基极电流，Q3截止，在施加外部电压EXVCC时，过压告警信号OV输出为高电平，表示超级电容模组过压故障。

当超级电容模组内部单体电压正常时，电压比较器CnA输出电平维持低电平，光耦UnA内部二极管未点亮，进而UnB内部光敏三极管截止，EXVCC经过R6驱动Q3导通，在施加外部电压EXVCC时，过压告警信号OV输出为低电平，表示超级电容模组电压正常。

②过温告警信号。超级电容模组内置温度开关Kt，用以检测其工作温度。当超级电容模组工作温度正常时，温度开关Kt处于常闭状态，在施加外部电压EXVCC时，过压告警信号OT输出为低电平，表示超级电容模组工作温度正常。

当超级电容模组工作温度超出时，温度开关Kt处于常开状态，在施加外部电压EXVCC时，过压告警信号OT输出为高电平，表示超级电容模组工作温度异常。

本实用新型与现有技术相比：

1）全方位超级电容保护措施。对常见的超级电容模组过流、过压、过温、开路、短路等故障均可起到保护作用，有效弥补简易保护措施单一的不足，有利于增强超级电容模组的可靠性和稳定性。

2）安全防护到位。超级电容模组是一种新型储能器件，一旦防护不到位，极有可能引发起火、爆炸、闪弧等安全问题。本设计针对可能产生的多种安全隐患进行了预防和限制，可充分提高超级电容模组允许的安全性。

3）外部状态可见。很多超级电容模组最终故障时，往往与早期运行过程中对故障的监测不到位有直接关系。本设计提供与外部监控设备或模块对接的告警信号输出功能，可实时监控超级电容模组的运行状态，提前预防和发现超级电容模组工作异常事件，可提早发现并解决应用过程中相关问题。

4）简单可靠。相比较复杂的超级电容储能管理系统，该电路相对简洁，这一方面可以简化超级电容管理系统的电路设计，另一方面也可以大幅降低超级电容管理系统的成本，具有很高的市场价值。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种超级电容保护电路，其特征在于：包括若干超级电容器SCn串联而成的超级电容器组，安装在超级电容器组与充电电源或负载之间的保险丝F1及充放电保护模块，安装在每个超级电容器上的单体均衡和保护模块，安装在超级电容器组负极与地之间的过温保护模块。

2.根据权利要求1所述的超级电容保护电路，其特征在于：所述充放电保护模块包括与保险丝F1一端连接的稳压二极管ZD2的负极，电阻R9的一端和PMOS管Q4的D端，电阻R9的另一端连接二极管D2的负极，PMOS管Q4的S端连接稳压二级管ZD1的负极，以及电容C1、电阻R4的一端和PMOS管Q1的S端，PMOS管Q1的D端连接超级电容器组的正极，二级管D2的正极，以及电阻R1的一端，PMOS管Q1的G端连接电容C1、电阻R4的另一端以及稳压二极管ZD1的正极和电阻R5的一端，电阻R5连接三极管Q2的C极，稳压二极管ZD2的正极连接电阻R3，电阻R3的另一端连接二极管D1的正极和电压比较器U1的输出端，二极管D1的负极连接三极管Q2的B极，三极管Q2的E极接地，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接电压比较器U1的基准输入端，电阻R2的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的超级电容保护电路，其特征在于：所述过温保护模块由并联的限流电阻RS1和PTC功率热敏电阻RT1组成，连接在地与超级电容器组的负极之间。

4.根据权利要求1所述的超级电容保护电路，其特征在于：所述单体均衡和保护模块包括对应安装在超级电容器SCn上的二极管DnA，二极管DnA的正极连接超级电容器SCn的负极，二极管DnA的负极连接超级电容器SCn的正极，电压比较器CnA安装在超级电容器SCn两端，输出端连接电阻Rn3A和电阻Rn1A，电阻Rn3A另一端连接NMOS管QnA的G端，电阻Rn1A另一端连接光耦UnA，NMOS管QnA的D端通过电阻Rn2A与超级电容器SCn的正极连接，NMOS管QnA的S端与光耦UnA的另一端以及超级电容器SCn的负极连接。

5.根据权利要求4所述的超级电容保护电路，其特征在于：所述超级电容保护电路还包括故障告警模块，故障告警模块连接单体均衡和保护模块。

6.根据权利要求5所述的超级电容保护电路，其特征在于：所述故障告警模块包括与单体均衡和保护模块光耦UnA对应的光耦UnB， C极连接三极管Q3的B极和电阻R6的一端，三极管Q3的C极连接电阻R7的一端和过压告警信号输出端OV，电阻R6、R7的另一端连接外部电压输入端EXVCC，电阻R8的一端连接外部电压输入端EXVCC，另一端连接温度开关Kt和过压告警信号输出端OT，光耦UnB内部光敏三极管的E极连接三极管Q3的E极并连接共地SG端，温度开关Kt的另一端连接共地SG端。