串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路屬于化學(xué)電源領(lǐng)域，特別涉及超級電容技術(shù)領(lǐng)域。所述的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路包括單體電容過壓、單體電容極性反轉(zhuǎn)、整體電容組合欠壓、過熱、短路等各種異常情況下的保護(hù)。適用于多組超級電容器集成的電源系統(tǒng)或超級電容器與其它儲能元器件組成的復(fù)合電源系統(tǒng)。
【專利說明】
串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路屬于化學(xué)電源領(lǐng)域，特別涉及超級電容技術(shù)領(lǐng)域。所述的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路包括單體電容過壓、單體電容極性反轉(zhuǎn)、整體電容組合欠壓、過熱、短路等各種異常情況下的保護(hù)。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容具有比二次電池更長的使用壽命，但它的使用壽命并不是無限的，超級電容基本失效的形式是電容等效內(nèi)阻增加或電容容量的降低，電容實際的失效形式往往與用戶的應(yīng)用有關(guān)，長期過熱、過壓、欠壓、極性反轉(zhuǎn)，或者頻繁過流放電都會導(dǎo)致電容等效內(nèi)阻的增加或容量減小。在規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)使用超級電容可以有效的延長超級電容的壽命，并大幅提尚工作可靠性。
[0003]現(xiàn)有的超級電容組合的保護(hù)電路技術(shù)中，對超級電容在應(yīng)用中使各個物理參數(shù)處于合理運行范圍的保護(hù)不完全。
[0004]例如專利申請?zhí)?01220546392.8中，公開了超級電容模組的保護(hù)裝置，其對單體電容的過壓信號、過溫信號進(jìn)行了處理，但是沒有對超級電容模組的單體電容極性反轉(zhuǎn)、組合整體欠壓、過流、短路等異常情況進(jìn)行處理。
[0005]例如專利申請?zhí)?01120563467.9中，公開了超級電容器儲能模組的管理系統(tǒng)，其具有超級電容器管理單元，可對單體電容的電壓和溫度進(jìn)行檢測，但是沒有給出電路實現(xiàn)技術(shù)方案，也沒有對超級電容組合的單體電容極性反轉(zhuǎn)、組合整體欠壓、過流、短路等異常情況進(jìn)行處理，也未能包含均衡功能。
[0006]本發(fā)明人在深入研究超級電容組合在應(yīng)用中的可能各種異常情況后，創(chuàng)造性地發(fā)明出可靠性的保護(hù)電路，以使得串聯(lián)超級電容組合能夠可靠的應(yīng)用，各種物理參數(shù)運行在合理范圍。本發(fā)明的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，包含串聯(lián)超級電容組合單體電容過壓、串聯(lián)超級電容組合單體電容極性反轉(zhuǎn)、串聯(lián)超級電容整體電容組合欠壓、串聯(lián)超級電容整體電容組合過熱、串聯(lián)超級電容整體電容組合短路等各種異常情況下的保護(hù)功能，以及包含有單體電容電阻耗能式均衡功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是解決超級電容器組合模塊保護(hù)電路的上述欠缺，提供一種超級電容組合的保護(hù)電路。
[0008]本發(fā)明解決上述問題采用的技術(shù)方案如下:串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路包括單體電容的過壓保護(hù)電路、單體電容的極性反轉(zhuǎn)保護(hù)電路、單體電容電阻耗能式均衡電路、總電壓欠壓信號檢測電路、總電壓極性反轉(zhuǎn)檢測電路、過熱信號檢測電路、過流信號檢測電路以及短路信號檢測電路、微處理器、放電開關(guān)和充電開關(guān)，其中，微處理器包括監(jiān)控單元和執(zhí)行單元，單體電容過壓保護(hù)電路、單體電容的極性反轉(zhuǎn)保護(hù)電路、單體電容電阻耗能式均衡電路、總電壓欠壓信號檢測電路、總電壓極性反轉(zhuǎn)檢測電路、過熱信號檢測電路、過流信號檢測電路和短路信號檢測電路同微處理器的監(jiān)控單元連接，微處理器的執(zhí)行單元同充電開關(guān)和放電開關(guān)相連；
[0009]過熱信號檢測電路采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、雙金屬片溫度開關(guān)、有機型溫度保險絲或合金型溫度保險絲進(jìn)行溫度檢測。
[0010]單體電容過壓保護(hù)電路和單體電容電阻耗能式均衡電路的電壓檢測采用精密電壓檢測芯片TL431或TLV431集成芯片；
[0011]充電開關(guān)和放電開關(guān)米用P型Mosfet功率管或達(dá)林頓晶體管。
[0012]串聯(lián)超級電容器組合的保護(hù)電路的保護(hù)方法如下:
[0013]串聯(lián)超級電容組合中單體電容的過壓保護(hù)，是由精密電壓檢測芯片比較單體電容兩端電壓并給出單體過壓信號，單體電容的過壓范圍設(shè)定在1.0?4.0V之間；
[0014]串聯(lián)超級電容組合中單體電容的極性反轉(zhuǎn)保護(hù)，是通過比較三極管基極發(fā)射極導(dǎo)通電壓與單體電容兩端電壓，并給出單體電容極性反轉(zhuǎn)信號；
[0015]串聯(lián)超級電容組合中單體電容的總電壓欠壓保護(hù)，是比較參考電壓和串聯(lián)電容組合整體電壓的分壓值，并給出組合整體的欠壓信號；
[0016]串聯(lián)超級電容組合中單體電容的過熱保護(hù)，是由溫度傳感單元感知串聯(lián)超級電容組合的溫度，并與設(shè)定溫度比較后給出過熱信號，設(shè)定溫度范圍為45°C?120°C之間；
[0017]串聯(lián)超級電容組合中單體電容的過流保護(hù)，通過檢測分流器上電壓與設(shè)定的參考電壓大小，并給出過流信號；
[0018]串聯(lián)超級電容組合中單體電容的短路保護(hù)，通過檢測分流器上電壓與設(shè)定的參考電壓大小，并給出短路信號；
[0019]單體電容電阻耗能式均衡，是由精密電壓檢測芯片比較單體電容兩端電壓并給出均衡信號，打開放電開關(guān)使得均衡電流通過均衡電阻，單體電容的均衡電壓設(shè)定在2.0?
3.5V之間。
[0020]當(dāng)串聯(lián)超級電容組合的過壓信號形成、過熱信號形成，由微處理器給出信號執(zhí)行充電控制開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)極性反轉(zhuǎn)信號、欠壓信號、過熱信號、過流信號、短路信號形成，由微處理器給出信號執(zhí)行放電控制開關(guān)關(guān)斷。
[0021]本發(fā)明公開的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，包括過壓信號處理單元，通過接受串聯(lián)超級電容組合單體電容過壓信號，并進(jìn)行邏輯或的處理，形成一個總單體過壓信號，傳送給微處理監(jiān)控單元。
[0022]本發(fā)明公開的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，包括極性反轉(zhuǎn)信號處理單元，通過接受串聯(lián)超級電容組合單體電容極性反轉(zhuǎn)信號，并進(jìn)行邏輯或的處理，形成一個總單體極性反轉(zhuǎn)信號，傳送給微處理監(jiān)控單元。
[0023]本發(fā)明公開的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，包括微處理器監(jiān)控單元，用于接受總單體電容過壓信號、總單體電容極性反轉(zhuǎn)信號、串聯(lián)超級電容組合總電壓欠壓信號、串聯(lián)超級電容組合過熱信號、串聯(lián)超級電容組合過流信號、串聯(lián)超級電容組合短路信號等。
[0024]本發(fā)明公開的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，包括信號執(zhí)行單元，微處理器監(jiān)控單元接受各種異常工作情況后，通過分析、判斷后給出信號，用于在充電異常情況下控制開關(guān)的關(guān)斷，或用于在放電異常情況下的控制開關(guān)的關(guān)斷。
[0025]本發(fā)明公開的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，包括單體電容電阻耗能式均衡，是由精密電壓檢測芯片比較單體電容兩端電壓并給出均衡信號，打開放電開關(guān)使得均衡電流通過均衡電阻，單體電容的均衡電壓設(shè)定在2.0?3.5V之間。
[0026]本發(fā)明公開的串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，可大幅提高串聯(lián)超級電容組合的工作可靠性、延長串聯(lián)超級電容組合的使用壽命。
[0027]本發(fā)明的有益效果:采用本發(fā)明的串聯(lián)超級電容的保護(hù)電容，對超級電容器單體和組合具有短路、過熱、過流、過壓、欠壓、極性反轉(zhuǎn)的保護(hù)功能，大大提高串聯(lián)超級電容組合的安全性和可靠性，提尚串聯(lián)超級電容組合的使用壽命。
【附圖說明】
[0028]圖1單體電容過壓保護(hù)、極性反轉(zhuǎn)保護(hù)和電阻耗能式均衡電路
[0029]圖2串聯(lián)超級電容組合總電壓欠壓信號檢測電路
[0030]圖3串聯(lián)超級電容組合總電壓極性反轉(zhuǎn)檢測電路
[0031]圖4串聯(lián)超級電容組合過熱信號檢測電路
[0032]圖5串聯(lián)超級電容組合過流信號檢測電路
[0033]圖6串聯(lián)超級電容組合短路信號檢測電路
[0034]圖7串聯(lián)超級電容保護(hù)電路總框圖
【具體實施方式】
[0035]下面將結(jié)合本發(fā)明中所給出的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性技術(shù)成果前，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0036]參見圖1，充電均衡電路的實現(xiàn)方法是采用TL431作為單體電容的電壓檢測芯片，通過調(diào)節(jié)R6、R12的阻值可設(shè)定單節(jié)電容均衡電壓，當(dāng)單節(jié)電壓超過預(yù)設(shè)定電壓值時導(dǎo)致TL431D4導(dǎo)通，使三極管或MOS管Ql導(dǎo)通，單體電容通過功耗電阻R15、R14降低單節(jié)電容電壓，直到其低于所設(shè)定單體電容均衡電壓，以達(dá)到均衡的目的。本發(fā)明中，當(dāng)均衡電壓取值為2.5V，電阻R6、R12的阻值可取100K。
[0037]參見圖1，單體電容過壓保護(hù)電路的實現(xiàn)方法是采用TL431作為單體電容的電壓檢測芯片，通過調(diào)節(jié)R7、R13的阻值設(shè)定單節(jié)過壓保護(hù)電壓，當(dāng)單節(jié)電壓超過預(yù)設(shè)定電壓值時，使三極管Q2導(dǎo)通，電流通過Q2到達(dá)C03檢測點，給出單體電容過壓信號。本發(fā)明中，當(dāng)設(shè)定充電保護(hù)電壓為2.6V，電阻R7的取值可為30K，電阻R13的取值可為27K。
[0038]參見圖1，單體電容極性反轉(zhuǎn)保護(hù)電路的實現(xiàn)方法，當(dāng)單體電容電壓低于三極管的導(dǎo)通電壓值時，三極管Q3關(guān)斷，導(dǎo)致三極管Q21關(guān)斷，電流通過電阻R3與二極管D2到達(dá)D03檢測點，給出單體電容極性反轉(zhuǎn)信號。本發(fā)明中采用三極管的發(fā)射極和基極之間的導(dǎo)通電壓，其數(shù)值在大概在0.1OV?0.65之間。電阻R8、R9、R3的阻值可取為1M。
[0039]參見圖2，過壓信號處理單元的實現(xiàn)方法，當(dāng)任意串聯(lián)超級電容組合例如第3串單體電容出現(xiàn)過壓信號，此時C03信號成立，導(dǎo)致三極管Q27導(dǎo)通，給出總單體電容過壓信號。各個單體電容過壓信號是一種邏輯或關(guān)系，即只要一個單體過壓信號成立，總單體電容過壓信號成立。
[0040]參見圖3，極性反轉(zhuǎn)信號處理單元的實現(xiàn)方法，當(dāng)任意串聯(lián)超級電容組合例如第3串單體電容出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)信號，此時D03信號成立，導(dǎo)致三極管Q28導(dǎo)通，給出總單體電容極性反轉(zhuǎn)信號。各個單體電容極性反轉(zhuǎn)信號是一種邏輯或關(guān)系，即只要一個單體極性反轉(zhuǎn)信號成立，總單體電容極性反轉(zhuǎn)信號成立。
[0041]參見圖4，過熱檢測單元的實現(xiàn)方法，檢測NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻上的分壓值，以判斷串聯(lián)超級電容組合是否處于過熱異常狀態(tài)。
[0042]參見圖5，過流保護(hù)檢測單元的實現(xiàn)方法，利用運算放大器比較電路，通過調(diào)節(jié)R70、R77的阻值設(shè)定過流保護(hù)電壓，從RS+端引入分流器上的檢測電壓，當(dāng)放電時RS+端電壓值高于設(shè)定的過流保護(hù)電壓值，使運算放大器(U2A) I腳輸出為低電平，過流信號成立。
[0043]參見圖6，短路保護(hù)檢測單元的實現(xiàn)方法，利用運算放大器比較電路，通過調(diào)節(jié)R99、R101的阻值設(shè)定短路保護(hù)電壓，從RS+端引入分流器上的檢測電壓，當(dāng)放電時RS+端電壓值高于設(shè)定的短路保護(hù)電壓值，使運算放大器(UlB) 7腳輸出為低電平，短路信號成立。
[0044]參見圖7，串聯(lián)超級電容保護(hù)電路總框圖，微處理器監(jiān)控單元分別監(jiān)控來自過壓信號處理單元的總單體過壓信號、來自極性反轉(zhuǎn)信號處理單元的總單體極性反轉(zhuǎn)信號、組合整體總電壓欠壓信號、過熱信號、過流信號、短路信號，經(jīng)過分析判斷后，輸出信號執(zhí)行正確的動作，例如當(dāng)總單體過壓信號或過熱信號成立，驅(qū)動充電開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)總單體極性反轉(zhuǎn)信號或組合整體總電壓欠壓信號或過熱信號或過流信號或短路信號成立，按照微處理器內(nèi)部正確的指示，驅(qū)動放電開關(guān)的關(guān)斷。
【主權(quán)項】
1.串聯(lián)超級電容組合的保護(hù)電路，其特征是該串聯(lián)超級電容組合保護(hù)電路包括單體電容的過壓保護(hù)電路、單體電容的極性反轉(zhuǎn)保護(hù)電路、單體電容電阻耗能式均衡電路、總電壓欠壓信號檢測電路、總電壓極性反轉(zhuǎn)檢測電路、過熱信號檢測電路、過流信號檢測電路以及短路信號檢測電路、微處理器、放電開關(guān)和充電開關(guān)，其中，微處理器包括監(jiān)控單元和執(zhí)行單元，單體電容過壓保護(hù)電路、單體電容的極性反轉(zhuǎn)保護(hù)電路、單體電容電阻耗能式均衡電路、總電壓欠壓信號檢測電路、總電壓極性反轉(zhuǎn)檢測電路、過熱信號檢測電路、過流信號檢測電路和短路信號檢測電路同微處理器的監(jiān)控單元連接，微處理器的執(zhí)行單元同充電開關(guān)和放電開關(guān)相連； 過熱信號檢測電路采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、雙金屬片溫度開關(guān)、有機型溫度保險絲或合金型溫度保險絲進(jìn)行溫度檢測。 單體電容過壓保護(hù)電路和單體電容電阻耗能式均衡電路的電壓檢測采用精密電壓檢測芯片TL431或TLV431集成芯片； 充電開關(guān)和放電開關(guān)米用P型Mosfet功率管或達(dá)林頓晶體管。2.一種如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)超級電容器組合的保護(hù)電路的保護(hù)方法，其特征是該保護(hù)方法如下: 串聯(lián)超級電容組合中單體電容的過壓保護(hù)，是由精密電壓檢測芯片比較單體電容兩端電壓并給出單體過壓信號，單體電容的過壓范圍設(shè)定在1.0?4.0V之間； 串聯(lián)超級電容組合中單體電容的極性反轉(zhuǎn)保護(hù)，是通過比較三極管基極發(fā)射極導(dǎo)通電壓與單體電容兩端電壓，并給出單體電容極性反轉(zhuǎn)信號； 串聯(lián)超級電容組合中單體電容的總電壓欠壓保護(hù)，是比較參考電壓和串聯(lián)電容組合整體電壓的分壓值，并給出組合整體的欠壓信號； 串聯(lián)超級電容組合中單體電容的過熱保護(hù)，是由溫度傳感單元感知串聯(lián)超級電容組合的溫度，并與設(shè)定溫度比較后給出過熱信號，設(shè)定溫度范圍為45°C?120°C之間； 串聯(lián)超級電容組合中單體電容的過流保護(hù)，通過檢測分流器上電壓與設(shè)定的參考電壓大小，并給出過流信號； 串聯(lián)超級電容組合中單體電容的短路保護(hù)，通過檢測分流器上電壓與設(shè)定的參考電壓大小，并給出短路信號； 單體電容電阻耗能式均衡，是由精密電壓檢測芯片比較單體電容兩端電壓并給出均衡信號，打開放電開關(guān)使得均衡電流通過均衡電阻，單體電容的均衡電壓設(shè)定在2.0?3.5V之間。 當(dāng)串聯(lián)超級電容組合的過壓信號形成、過熱信號形成，由微處理器給出信號執(zhí)行充電控制開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)極性反轉(zhuǎn)信號、欠壓信號、過熱信號、過流信號、短路信號形成，由微處理器給出信號執(zhí)行放電控制開關(guān)關(guān)斷。
【文檔編號】H02H7/18GK105896478SQ201410778405
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月17日
【發(fā)明人】邱景義, 曹高萍, 余仲寶
【申請人】中國人民解放軍63971部隊