一种超级电容器模组内能量转移的均衡装置及方法与流程

1.本发明涉及超级电容器领域，尤其涉及一种超级电容器模组内能量转移的均衡装置及方法。


背景技术：

2.超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。超级电容器与蓄电池和传统物理电容器相比，其具有功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护、绿色环保等特点，因此其应用越来越广泛。在辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等领域，超级电容器以其优异的性能被认为是当前最有应用前景的储能方式之一，超级电容器一般要串联或并联使用，以提供更多的能量和更大的功率。由于超级电容器在制造过程中参数具有不一致性，在使用过程中这种不一致性会越来越明显。在超级电容器组充放电过程中，当任意一个超级电容器单体的电压过高或过低时都会影响整组电容器的使用寿命。由此可见，如果电容器组中的单体电容器电压不均衡，那么整组电容器的使用容量会大大降低，同时其寿命也会大大缩短，而目前提供的大多数电压均衡装置(即，使各超级电容器单体的电压保持一致的装置)或者均衡电路中，均是通过额外的外部电源或者电机给电压过低的超级电容器单体进行充电，或者通过均衡电路对电压过高的超级电容器单体进行主动或被动放电，其结构相对复杂、均衡过程中对超级电容器模组内的能量也消耗较大，而本发明提供了一种超级电容器模组内能量转移的均衡装置，其主要目的在于提高模组内超级电容器单体电压的一致性、增加超级电容器循环使用寿命的同时，降低模组内超级电容器在均衡过程中的能量消耗，且该装置结构简单明了，电路设计简洁，便于生产，节省了大量人力物力。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中通过额外的外部电源或者电机给电压过低的超级电容器单体进行充电，或者通过均衡电路对电压过高的超级电容器单体进行主动或被动放电，其均衡装置的结构相对复杂、且在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗较大的问题，本发明提出了一种超级电容器模组内能量转移的均衡装置，包括：
4.超级电容器模组、mcu模块、能量转移电路，其中，
5.超级电容器模组包括若干个超级电容器单体，一个超级电容器单体对应一个能量转移电路；
6.mcu模块，用于采集超级电容器模组中各超级电容器单体的单体电压，并在单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值时，输出控制信号控制对应的能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电。
7.进一步地，所述能量转移电路中包括能量转移模块，所述能量转移模块包括使能输入端en、正极输入端vin、接地端gnd、正极电压输出端vo 、负极电压输出端0v以及控制信
号输出端qd；
8.所述正极电压输出端vo 连接能量转移电路对应电容的正极；控制信号输出端qd通过第一电阻r1连接场效应管的栅极；负极电压输出端0v连接场效应管的源极，并通过第二电阻r2连接场效应管的栅极；场效应管的漏极连接能量转移电路对应电容的负极；使能输入端en连接mcu的控制信号输出端；正极输入端vin连接超级电容组的正极输出端；接地端gnd连接超级电容组的负极输出端。
9.进一步地，所述均衡装置还包括：供电电源，用于给均衡装置提供工作电源。
10.进一步地，所述mcu模块中，控制能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电，还包括：
11.通过mcu模块实时监测正在充电的超级电容器单体的单体电压，并在单体电压达到预设关闭阀值时，控制超级电容器单体对应的能量转移电路断开，以停止对该超级电容器单体进行充电。
12.进一步地，所述mcu模块中，可同时控制多个能量转移电路导通，并将超级电容器模组释放的能量通过各能量转移电路对其对应的超级电容器单体同时进行充电。
13.本发明还提出了一种超级电容器模组内能量转移的均衡方法，应用于权利要求2-5任一项所述的均衡装置，
14.进一步地，包括步骤：
15.s01：通过mcu模块实时获取超级电容器模组中各超级电容器单体的单体电压；
16.s02：判断单体电压是否小于模组内单体平均电压，若是，则判断单体电压与单体平均电压的差值是否大于预设电压阀值，若是，则通过mcu模块生成对应超级电容器单体的使能信号，并通过使能输入端en将使能信号传输至对应的能量转移模块；
17.s03：能量转移模块根据使能信号生成对应的控制信号，并通过控制信号输出端qd输出控制信号导通场效应管，以对该超级电容器单体进行充电。
18.进一步地，所述步骤s03后还包括步骤：
19.s04：通过mcu模块实时监测正在充电的超级电容器单体的单体电压；
20.s05：判断是否存在单体电压达到预设关闭阀值，若是，则通过mcu模块生成对应超级电容器单体的闭合信号，并通过使能输入端en将闭合信号传输至对应的能量转移模块；
21.s06：能量转移模块根据闭合信号生成对应的控制信号，并通过控制信号输出端qd输出控制信号断开场效应管，以停止对该超级电容器单体进行充电。
22.与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
23.(1)本发明通过超级电容器模组本身释放的能量对该超级电容器单体进行充电，降低了在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗，解决了现有技术中通过额外的外部电源或者电机给电压过低的超级电容器单体进行充电，或者通过现有的均衡电路对电压过高的超级电容器单体进行主动或被动放电，其均衡装置的结构相对复杂、且在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗较大的问题；
24.(2)本发明通过mcu模块实时检测超级电容器模组内各电容器单体的电压，当存在单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值时，输出控制信号控制对应的能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电，提高了模组内超级电容器单体电压的一致性、增
加了超级电容器循环使用寿命的同时降低了在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗；
25.(3)本发明的能量转移电路中，包括设置有使能输入端en、正极输入端vin、接地端gnd、正极电压输出端vo 、负极电压输出端0v以及控制信号输出端qd的能量转移模块，该模块的功能主要是：为其对应的超级电容器单体进行能量补充使超级电容器模组内超级电容器单体电压趋于一致达到均衡效果；
26.本发明中mcu模块的功能主要是：对超级电容器模组中超级电容器单体的电压进行实时检测，根据单体电压生成相应的控制信号，控制单体电压小于模组内单体平均电压且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值，或者单体电压达到预设关闭阀值的超级电容器单体对应的能量转移模块工作，此控制可开启一路或多路能量转移模块均衡功能；
27.超级电容器模组内的能量转移电路以mcu模块为技术支持，以整组超级电容器为电源输入，以能量转移模块为核心，以模组中电压偏低的单体为输出对象。通过mcu模块对超级电容器模组内各超级电容单体的电压信息进行实时检测，当发现某一或多个单体的电压过低时，通过mcu模块开启相对应的能量转移模块对其进行充电，使该超级电容器单体电压得以补充提高。从而使超级电容器模组中各超级电容器单体电压保持平衡。此均衡方法的实质就是不断把整组超级电容器发出的能量补充给该超级电容器模组中单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值的超级电容器单体，从而促进模组内各超级电容器单体的电压均衡；
28.本发明通过mcu模块与能量转移电路的结合降低了目前的均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗，且通过将能量转移模块应用在能量转移电路中，极大的简化了电路的设计；
29.(4)本发明的均衡装置，结构简单明了，电路设计简洁，便于生产，节省了大量人力物力。
附图说明
30.图1为一种超级电容器模组内能量转移的均衡装置的电路结构图；
31.图2为一种超级电容器模组内能量转移的均衡方法的流程图。
具体实施方式
32.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
33.实施例一
34.目前的现有技术中，对超级电容器模组中的单体进行电压均衡，其主要是通过额外的外部电源或者电机给电压过低的超级电容器单体进行充电，其均衡结构相对复杂；或者对电压过高的超级电容器单体进行主动或被动放电，该方式在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗较大，为了解决上述技术问题，如图1所示，本发明提出了一种超级电容器模组内能量转移的均衡装置，包括：
35.超级电容器模组、mcu模块、能量转移电路，其中，
36.超级电容器模组包括若干个超级电容器单体，一个超级电容器单体对应一个能量转移电路；
37.mcu模块，用于采集超级电容器模组中各超级电容器单体的单体电压，并在单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值时，输出控制信号控制对应的能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电。
38.需要说明的是，在输出控制信号控制对应的能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电之前，还需要判断单体电压是否大于工作电压阀值(以保证模块可正常工作)，若是，则开始充电。
39.所述能量转移电路中包括能量转移模块，所述能量转移模块包括使能输入端en、正极输入端vin、接地端gnd、正极电压输出端vo 、负极电压输出端0v以及控制信号输出端qd；
40.所述正极电压输出端vo 连接能量转移电路对应电容的正极；控制信号输出端qd通过第一电阻r1连接场效应管的栅极；负极电压输出端0v连接场效应管的源极，并通过第二电阻r2连接场效应管的栅极；场效应管的漏极连接能量转移电路对应电容的负极；使能输入端en连接mcu的控制信号输出端；正极输入端vin连接超级电容组的正极输出端；接地端gnd连接超级电容组的负极输出端。
41.需要说明的是，一个超级电容器单体对应一个能量转移电路，一个能量转移电路包含一个能量转移模块。
42.本均衡装置的工作原理是：mcu模块实时获取超级电容器模组中各超级电容器单体的单体电压，并在单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值时，则通过mcu模块生成对应超级电容器单体的使能信号，并通过使能输入端en将使能信号传输至对应的能量转移模块；能量转移模块根据使能信号生成对应的控制信号，并通过控制信号输出端qd输出控制信号导通场效应管，以对该超级电容器单体进行充电。
43.本发明通过超级电容器模组本身释放的能量对该超级电容器单体进行充电，降低了在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗，解决了现有技术中通过对电压过高的超级电容器单体进行主动或被动放电，使得在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗较大的问题；且现有的均衡技术中对电压过高的超级电容器单体进行放电使其与电压过低的超级电容器单体的电压一致，其主要是将电能转换为热能以使各单体电压一致，而本发明是通过超级电容器模组本身释放的能量对该超级电容器单体进行充电，通过能量转移实现各单体电压的均衡，极大的降低了超级电容器模组的能量消耗；且本发明的装置以及能量转移电路结构简单，便于生产，节省了大量人力物力。
44.所述均衡装置还包括：供电电源，用于给均衡装置提供工作电源。
45.所述mcu模块中，控制能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电，还包括：
46.通过mcu模块实时监测正在充电的超级电容器单体的单体电压，并在单体电压达到预设关闭阀值时，控制超级电容器单体对应的能量转移电路断开，以停止对该超级电容器单体进行充电。
47.在充电过程中，通过mcu模块实时监测正在充电的超级电容器单体的单体电压，并判断是否存在单体电压达到预设关闭阀值，若是，则通过mcu模块生成对应超级电容器单体的闭合信号，并通过使能输入端en将闭合信号传输至对应的能量转移模块；能量转移模块根据闭合信号生成对应的控制信号，并通过控制信号输出端qd输出控制信号断开场效应管，以停止对该超级电容器单体进行充电。
48.所述mcu模块中，可同时控制多个能量转移电路导通，并将超级电容器模组释放的能量通过各能量转移电路对其对应的超级电容器单体同时进行充电。
49.本发明通过mcu模块实时检测超级电容器模组内各电容器单体的电压，当存在单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值时，输出控制信号控制对应的能量转移电路导通并将超级电容器模组释放的能量通过能量转移电路对该超级电容器单体进行充电，提高了模组内超级电容器单体电压的一致性、增加了超级电容器循环使用寿命的同时降低了在均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗。
50.实施例二
51.如图2所示，一种超级电容器模组内能量转移的均衡方法，应用于权利要求2-5任一项所述的均衡装置，包括步骤：
52.s01：通过mcu模块实时获取超级电容器模组中各超级电容器单体的单体电压；
53.s02：判断单体电压是否小于模组内单体平均电压，若是，则判断单体电压与单体平均电压的差值是否大于预设电压阀值，若是，则通过mcu模块生成对应超级电容器单体的使能信号，并通过使能输入端en将使能信号传输至对应的能量转移模块；
54.s03：能量转移模块根据使能信号生成对应的控制信号，并通过控制信号输出端qd输出控制信号导通场效应管，以对该超级电容器单体进行充电。
55.所述步骤s03后还包括步骤：
56.s04：通过mcu模块实时监测正在充电的超级电容器单体的单体电压；
57.s05：判断是否存在单体电压达到预设关闭阀值，若是，则通过mcu模块生成对应超级电容器单体的闭合信号，并通过使能输入端en将闭合信号传输至对应的能量转移模块；
58.s06：能量转移模块根据闭合信号生成对应的控制信号，并通过控制信号输出端qd输出控制信号断开场效应管，以停止对该超级电容器单体进行充电。
59.本发明的能量转移电路中，包括设置有使能输入端en、正极输入端vin、接地端gnd、正极电压输出端vo 、负极电压输出端0v以及控制信号输出端qd的能量转移模块，该模块的功能主要是：为其对应的超级电容器单体进行能量补充使超级电容器模组内超级电容器单体电压趋于一致达到均衡效果；
60.本发明中mcu模块的功能主要是：对超级电容器模组中超级电容器单体的电压进行实时检测，根据单体电压生成相应的控制信号，控制单体电压小于模组内单体平均电压且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值，或者单体电压达到预设关闭阀值的超级电容器单体对应的能量转移模块工作，此控制可开启一路或多路能量转移模块均衡功能；
61.超级电容器模组内的能量转移电路以mcu模块为技术支持，以整组超级电容器为电源输入，以能量转移模块为核心，以模组中电压偏低的单体为输出对象。通过mcu模块对
超级电容器模组内各超级电容单体的电压信息进行实时检测，当发现某一或多个单体的电压过低时，通过mcu模块开启相对应的能量转移模块对其进行充电，使该超级电容器单体电压得以补充提高。从而使超级电容器模组中各超级电容器单体电压保持平衡。此均衡方法的实质就是不断把整组超级电容器发出的能量补充给该超级电容器模组中单体电压小于模组内单体平均电压，且单体电压与单体平均电压的差值大于预设电压阀值的超级电容器单体，从而促进模组内各超级电容器单体的电压均衡；
62.本发明通过mcu模块与能量转移电路的结合降低了目前的均衡过程中对超级电容器模组内的能量消耗，且通过将能量转移模块应用在能量转移电路中，极大的简化了电路的设计。
63.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
64.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
65.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
66.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。