一種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，該超級電容模組包括多個帶有兩級式動態平衡電路的超級電容。其中上述兩級式動態平衡電路包括泄放采樣電路單元，泄放對比電路單元，泄放開關電路單元，泄放電路單元以及報警電路單元。當超級電容的電壓值超過規定值時，泄放電路單元對其過壓進行泄放，當已經發生泄放并且超級電容的電壓仍然超過規定值時，上述報警電路單元對外發出報警信號。本實用新型能夠實現精確的控制每一個超級電容的電壓值，減少系統的能耗，并且排除現有技術中的電壓達到規定值時的誤報警問題，以便降低風力發電系統的維護成本。
【專利說明】—種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種超級電容模組，尤其涉及一種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組。
【背景技術】
[0002]風力發電機組運行過程中，當風速、風向等發生變化時，需要通過變槳系統來改變槳距角等參數，以保證系統最優運行，安全運行。其中風力發電是指利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。變槳系統是指用于控制風車的葉片(槳葉)角度來達到控制風車的輸出功率或者停機的目的的一套控制系統。變槳系統需有儲能模組提供動力。目前主流儲能模組有蓄電池模組和超級電容器模組兩種，其中超級電容模組是指將許多超級電容通過串聯或并聯等方式組合在一起使用的組合。蓄電池模組充放電特性差、充放電電流不能太大、低溫特性差，循環壽命短，一般兩年就要維護，在100米高的風機上，維護成本極高。相較于蓄電池模組，超級電容器模組具有充放電特性很好、可大電流充放電，溫度特性好，循環壽命超長，可10年免維護的優點。因此超級電容模組已經慢慢成為應用主流。
[0003]由于每一個超級電容單體之間因為生產材料等種種原因會導致超級電容單體的容量、漏電流，等效電阻等參數有差異，以致在使用的過程中會使得不同單體之間出現電壓偏差，因此必需采取電壓均衡技術將所有超級電容的電壓保持均衡后方可投入實際應用。
[0004]針對上述問題，現有的解決方案有兩種:
[0005]( I)電阻或二極管均壓方案
[0006]在電阻均壓方案中，如圖1所示，當R1=R2時，可以使得兩個電容的電壓相等，電阻承擔了均壓和泄放通道的功能。
[0007]在二極管均壓方案中，如圖2所示，用穩壓二極管箝位或適當數量普通整流二極管串聯后并于超級電容，可以使得電容的電壓相等，二極管承擔均壓和泄放通道的功能。
[0008]上述方案的缺點是電阻或二極管持續消耗能量，二極管的導通電壓容易跟隨，視溫度變化而變化，不易控制電壓值。
[0009]( 2 )單級主動平衡式方案
[0010]如圖3所示，超級電容單體的電壓經分壓后送到可控精密穩壓源Ul的R端，當該分壓值在2.5V以下時，電路認定工作正常，不對充放電進行干預；當該分壓值大于等于
2.5V時，將通過三極管Q2對超級電容單體通過R9進行放電，從而達到泄放的目的。
[0011]上述方案的缺點是超級電容的電壓一旦超過規定值，就會引起系統過壓報警，從而需要人為干預判斷。風電場通常設計在環境較惡劣的地方，如果出現誤報警，需要人為到現場檢查，變槳系統安裝在距地面100米左右的高空，檢查極為不方便且成本高昂。
實用新型內容
[0012]本實用新型的目的在于提供一種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，以實現精確的控制每一個超級電容的電壓值，減少系統的能耗，并且排除現有技術中的電壓達到規定值時的誤報警問題，以便降低風力發電系統的維護成本。
[0013]為實現上述目的，本實用新型提出了一種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，該超級電容模組包括多個帶有兩級式動態平衡電路的超級電容，其中所述兩級式動態平衡電路包括泄放采樣電路單元，泄放對比電路單元，泄放開關電路單元以及泄放電路單元，其中:
[0014]泄放采樣電路單元，被配置為對上述超級電容進行電壓采樣，并對泄放對比電路單元發送采樣得到的第一采樣電壓；
[0015]泄放對比電路單元，被配置為提供第一基準電壓，將來自泄放采樣電路單元的第一采樣電壓與該第一基準電壓進行比較，并且在第一采樣電壓大于該第一基準電壓時產生針對泄放開關電路單元的第一觸發信號；
[0016]泄放開關電路單元，被配置為接收來自泄放對比電路單元的第一觸發信號，并根據該第一觸發信號使其開關電路導通以為泄放電路單元提供泄放觸發信號；
[0017]泄放電路單元，被配置為接收來自泄放開關電路單元的泄放觸發信號，并根據該泄放觸發信號對上述超級電容進行能量的泄放。
[0018]本實用新型的該方案的有益效果在于通過上述泄放采樣電路單元，能夠對上述超級電容進行電壓采樣，并且當該超級電容的電壓值超過規定值時，本實用新型所涉及的泄放電路單元能夠對其進行能量的泄放，從而實現了對其電壓的精確控制。
[0019]優選的是，所述泄放采樣電路單元包括第一電阻，第二電阻，第三電阻，其中第一電阻，第二電阻與第三電阻串聯，該串聯電路的兩端分別連接至上述超級電容的正極以及負極，從第二電阻與第三電阻之間引出連線連接至泄放對比電路單元。
[0020]優選的是，泄放對比電路單元包括第一可控精密穩壓源，其中第一可控精密穩壓源的輸入端連接至上述超級電容的負極，第一可控精密穩壓源的輸出端連接至泄放開關電路單元，第一可控精密穩壓源能夠提供精準的第一基準電壓。
[0021]優選的是，從第二電阻與第三電阻之間引出第一電容連接至第一可控精密穩壓源的輸出端，該第一電容用于濾波，起防干擾作用。
[0022]優選的是，泄放開關電路單元包括第四電阻，第五電阻，第六電阻，第七電阻，第八電阻，第九電阻，第十電阻，第一三極管和第一發光二極管，其中第四電阻與上述超級電容的正極相連，并通過第五電阻連接至第一三極管的基極，并且從第一三極管的基極引出第六電阻連接至上述超級電容的負極，第一三極管的發射極連接至上述超級電容的正極，第一三極管的集電極通過第八電阻以及第一發光二極管連接至上述超級電容的負極，從泄放采樣電路單元的第二電阻與第三電阻之間引出的第七電阻連接至第一三極管的集電極，之后通過第十電阻連接至第一達林頓晶體管的基極，并且從第七電阻與第十電阻的連接處引出第九電阻連接至上述超級電容的負極，本方案中的第一發光二極管用于當上述超級電容過壓時，發光報警。
[0023]優選的是，泄放電路單元包括第十一電阻，第十二電阻，第一達林頓晶體管，第
二三極管，其中
[0024]第一達林頓晶體管的基極與上述第十電阻相連，第一達林頓晶體管的集電極連接至上述超級電容的正極，第一達林頓晶體管的發射極通過并聯的第十一電阻和第十二電阻連接至上述超級電容的負極，第二三極管的基極連接至第一達林頓晶體管的發射極，第二三極管的集電極連接至第一達林頓晶體管的基極，第二三極管的發射極連接至上述超級電容的負極，本方案中的第二三極管對第一達林頓晶體管進行控制，實現動態調節泄放電流的功能，第一達林頓晶體管成本較低，具有放大作用且其上限電流值較大，能夠滿足本系統的要求。
[0025]優選的是，還包括報警電路單元，該報警電路單元連接在上述超級電容的正極與負極之間，該報警電路單元包括告警部分；
[0026]報警采樣電路部分，被配置為對上述超級電容進行電壓采樣，并對報警對比電路部分發送采樣得到的第二采樣電壓，該第二采樣電壓小于同一時刻的第一采樣電壓；
[0027]報警對比電路部分，被配置為提供第二基準電壓，將來自報警采樣電路部分的第二采樣電壓與該第二基準電壓進行比較，并且在第二采樣電壓大于第二基準電壓時對報警開關電路部分發送第二觸發信號；
[0028]報警開關電路部分，被配置為接收來自報警對比電路部分的第二觸發信號，并根據該第二觸發信號使其開關電路導通以驅動告警部分。
[0029]優選的是，所述報警電路單元包括:第十三電阻，第十四電阻，第十五電阻，第十六電阻，第十七電阻，第十八電阻，第十九電阻，第二可控精密穩壓源，第二發光二極管，第
三三極管，第一連接端和第二連接端，其中
[0030]第十三電阻，第十四電阻，第十五電阻串聯，該串聯電路連接在上述超級電容的正極與負極之間，從第十四電阻與第十五電阻之間引出第二可控精密穩壓源，第二可控精密穩壓源的輸入端連接至第二連接端，第二可控精密穩壓源的輸出端通過第十六電阻連接至上述超級電容的正極，從第二可控精密穩壓源的輸出端與第十六電阻之間引出第十七電阻連接至第三三極管的基極，并且從第三三極管的基極引出第十八電阻連接至第二連接端，第三三極管的發射極連接至上述超級電容的正極，第三三極管的集電極通過第二發光二極管以及第十九電阻連接至第一連接端。
[0031]優選的是，從第十四電阻與第十五電阻之間引出第二電容連接至第二可控精密穩壓源的輸出端，該第二電容用于濾波，起防干擾作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1示出了現有技術中的阻容均壓電路圖。
[0033]圖2示出了現有技術中的二極管均壓電路圖，其中(a)示出了穩壓二極管均壓電路圖；(b)示出了普通二極管均壓電路圖。
[0034]圖3示出了現有技術中的常用單級主動平衡式均壓電路圖。
[0035]圖4示出了本實用新型涉及的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容的框圖。
[0036]圖5示出了本實用新型的【具體實施方式】涉及的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步說明。
[0038]如圖4所示，依照本實用新型的【具體實施方式】涉及超級電容10，泄放采樣電路單元20，泄放對比電路單元30，泄放開關電路單元40，泄放電路單元50以及報警電路單元60。其中報警電路單元60包括第一連接端601和第二連接端602。
[0039]在具體的實施過程中，如圖5所示，泄放采樣電路單元20包括第一電阻Rl，第二電阻R2，第三電阻R3。第一電阻Rl，第二電阻R2，第三電阻R3串聯，該串聯電路的兩端連接至超級電容10的正極和超級電容10的負極，第二電阻R2與第三電阻R3之間的A點連接至第一可控精密穩壓源Ul。
[0040]泄放對比電路單元30包括第一可控精密穩壓源Ul。第一可控精密穩壓源Ul的輸入端連接至上述超級電容10的負極，第一可控精密穩壓源Ul的輸出端通過第四電阻R4連接至超級電容10的正極。
[0041 ] 泄放采樣電路單元20與泄放對比電路單元30之間還連接了第一電容COl，該第一電容COl連接在A點與B點之間，其中B點在第一可控精密穩壓源Ul的輸出端與第四電阻R4之間。
[0042]泄放開關電路單元40包括第四電阻R4，第五電阻R5，第六電阻R6，第七電阻R7，第八電阻R8，第九電阻R9，第十電阻R10，第一三極管Ql和第一發光二極管LEDl。
[0043]從B點引出第五電阻R5連接至第一三極管Ql的基極，并且從第一三極管Ql的基極引出第六電阻R6連接至超級電容10的負極，第一三極管Ql的發射極連接至超級電容10的正極，第一三極管Ql的集電極通過第八電阻R8以及第一發光二極管LEDl連接至超級電容10的負極，從A點連接出的第七電阻R7連接至第一三極管Ql的集電極，之后通過第十電阻RlO連接至第一達林頓晶體管Q2的基極，并且從第七電阻R7與第十電阻RlO的連接處引出第九電阻R9連接至超級電容10的負極。
[0044]泄放電路單元50包括第十一電阻RlI，第十二電阻R12，第一達林頓晶體管Q2和
第二三極管Q3。
[0045]第一達林頓晶體管Q2的基極與第十電阻RlO相連，第一達林頓晶體管Q2的集電極連接至超級電容10的正極，第一達林頓晶體管Q2的發射極通過并聯的第十一電阻Rll和第十二電阻R12連接至超級電容10的負極，第二三極管Q3的基極連接至第一達林頓晶體管Q2的發射極，第二三極管Q3的集電極連接至第一達林頓晶體管Q2的基極，第二三極管Q3的發射極連接至超級電容10的負極。
[0046]報警電路單元60包括第十三電阻R13，第十四電阻R14，第十五電阻R15，第十六電阻R16，第十七電阻R17，第十八電阻R18，第十九電阻R19，第二可控精密穩壓源U2，第二電容C02，第二發光二極管D1，第三三極管Q4，第一連接端601和第二連接端602。
[0047]第十三電阻R13，第十四電阻R14，第十五電阻R15串聯，第十四電阻R14與第十五電阻R15之間的C點連接至第二可控精密穩壓源U2，第二可控精密穩壓源U2的輸入端連接至第二連接端602，第二可控精密穩壓源U2的輸出端通過第十六電阻R16連接至超級電容10的正極，第二電容C02連接在C點與D點之間。其中D點在第二可控精密穩壓源U2的輸出端與第十六電阻R16之間。從D點引出第十七電阻R17連接至第三三極管Q4的基極，并且從第三三極管Q4的基極引出第十八電阻R18連接至第二連接端602，第三三極管Q4的發射極連接至超級電容10的正極，第三三極管Q4的集電極通過第二發光二極管Dl以及第十九電阻R19連接至第一連接端601。[0048]報警電路單元60也能夠像前述電路一樣劃分報警采樣電路部分，報警對比電路部分以及報警開關電路部分。
[0049]在具體的實施過程中，超級電容不能使其充電電壓超過規定的使用上限值。如果超過該上限值，超級電容將會發生損壞，同時為了使超級電容的容量能夠最大限度的利用，一般在使用時，都會把超級電容的最大電壓設定在接近其最大使用值附近，因此需要對超級電容進行精準的電壓控制。
[0050]充電機對超級電容進行充電時，采用恒流直充和恒壓浮充的方式，在超級電容的電壓較低時，用恒流大電流充電，當超級電容的電壓接近規定值時，改用恒壓浮充的方式，本實用新型采用的電流在恒流充電階段僅檢測電壓，因此基本沒有功率損耗。當超級電容的電壓接近規定值時，將智能判斷充電情況，然后決定是否需要泄放能量。其具體的實施過程如下:
[0051]第一電阻R1，第二電阻R2和第三電阻R3對超級電容10的電壓進行分壓，對超級電容10的電壓進行米樣，之后將米樣得到的A點的第一米樣電壓與第一可控精密穩壓源Ul提供的高精度第一基準電壓進行對比，當超級電容10的電壓值超過規定值時，該第一采樣電壓會高于第一基準電壓，使得第一可控精密穩壓源Ul導通,拉低B點電壓值,使得第一三極管Ql導通，進而使得第一達林頓晶體管Q2導通，將第十一電阻Rll與第十二電阻R12組成的并聯電路接于超級電容10的兩端，構成泄放回路。當第一三極管Ql導通時，會使得第一發光二極管LEDl發光報警，但是此條支路的報警僅用于內部測試時使用。對于泄放電流大小的控制可通過第二三極管Q3控制第一達林頓晶體管Q2來實現，之所以采用第一達林頓晶體管Q2是因為其成本較低并且該器件具有放大作用，且其上限電流值較大，滿足本實用新型的需求。當超級電容10的電壓超過規定電壓很大時，第二三極管Q3的集電極給第一達林頓晶體管Q2的基極反饋第一控制電壓，使得泄放電流升高；當超級電容10的電壓超過規定電壓較小時，第二三極管Q3的集電極給第一達林頓晶體管Q2的基極反饋第二控制電壓，使得泄放電流降低，實現了動態調整泄放電流的目的。同時根據系統的最大充電電流，設定了最大泄放電流。
[0052]當對超級電容10的過電壓進行泄放之后，超級電容10的電壓仍然超過規定值，說明該超級電容10或是上述電路發生了過壓故障，此時運用報警電路單元60輸出報警信號，其過程是:通過第十三電阻R13，第十四電阻R14，第十五電阻R15對該過電壓進行分壓，對超級電容10的過電壓進行采樣，之后將采樣得到的C點的第二采樣電壓與第二可控精密穩壓源U2提供的高精度第二基準電壓進行對比，當超級電容10的電壓值超過規定值時，該第二采樣電壓會高于第二基準電壓，第二可控精密穩壓源U2導通，拉低D點電壓值，使得第三三極管Q4導通，進而使得第二發光二極管Dl發光報警，該報警信號將通過第一連接端601和第二連接端602輸出。
[0053]在具體的實施過程中，第一可控精密穩壓源Ul和第二可控精密穩壓源U2可用TL431，第一三極管Ql和第三三極管Q4可用MMBT5401，第一達林頓晶體管Q2可用MID122，第二三極管Q3可用MMBT3904。
[0054]本實用新型涉及的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，是將多個帶有兩級式動態平衡電路的超級電容10通過串聯或并聯等方式組合在一起使用的組合，本實用新型可以實現對每一個超級電容10的電壓進行精準測量；對于超級電容10的充電過程，只在超級電容10的電壓接近規定值時，才會造成一些能量損耗，因為在超級電容10的電壓接近規定值時，將智能判斷充電情況，然后決定是否需要泄放能量，在泄放的過程中，還能動態調整泄放電流，從而使得整體方案的能耗相較于現有技術大大降低；針對現有技術中的誤報警情況，即:只要充電電壓達到規定值，就要執行:一方面啟動泄放電路，另一方面立即向系統發送一個過壓信號，從而需要人為的干預，看超級電容10是否發生損壞或者其它故障情況，本實用新型采用了報警電路單元60，使得泄放回路的啟動信號和對外的報警信號分開，只有當已經發生了泄放并且超級電容10的電壓值仍然超過規定值的情況下，才說明確實是發生了過壓故障，從而大大降低了誤報警的概率。因為就泄放采樣電路單元20，泄放對比電路單元30，泄放開關電路單元40以及泄放電路單元50而言，發生上述誤報警的可能性非常高，基本上只要充電到達就會報警。
[0055]本實用新型涉及的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，不管采用何種方式，只要將上述泄放電路單元50與報警電路單元60分開進行處理，從而達到防止誤報警的目的，并且采用本實用新型所涉及的動態平衡電路或類似控制電路的超級電容模組均屬本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，該超級電容模組包括多個帶有兩級式動態平衡電路的超級電容，其中所述兩級式動態平衡電路包括泄放采樣電路單元，泄放對比電路單元，泄放開關電路單元以及泄放電路單元，其中: 泄放采樣電路單元，被配置為對上述超級電容進行電壓采樣，并對泄放對比電路單元發送采樣得到的第一采樣電壓； 泄放對比電路單元，被配置為提供第一基準電壓，將來自泄放采樣電路單元的第一采樣電壓與該第一基準電壓進行比較，并且在第一采樣電壓大于該第一基準電壓時產生針對泄放開關電路單元的第一觸發信號； 泄放開關電路單元，被配置為接收來自泄放對比電路單元的第一觸發信號，并根據該第一觸發信號使其開關電路導通以為泄放電路單元提供泄放觸發信號； 泄放電路單元，被配置為接收來自泄放開關電路單元的泄放觸發信號，并根據該泄放觸發信號對上述超級電容進行能量的泄放。
2.根據權利要求1所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:所述泄放采樣電路單元包括第一電阻，第二電阻，第三電阻，其中第一電阻，第二電阻與第三電阻串聯，該串聯電路的兩端分別連接至上述超級電容的正極以及負極，從第二電阻與第三電阻之間引出連線連接至泄放對比電路單元。
3.根據權利要求1所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:泄放對比電路單元包括第一可控精密穩壓源，其中第一可控精密穩壓源的輸入端連接至上述超級電容的負極，第一可控精密穩壓源的輸出端連接至泄放開關電路單元。
4.根據權利要求2所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:從第二電阻與第三電阻之間引出第一電容連接至第一可控精密穩壓源的輸出端。
5.根據權利要求1所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:泄放開關電路單元包括第四電阻，第五電阻，第六電阻，第七電阻，第八電阻，第九電阻，第十電阻，第一三極管和第一發光二極管，其中第四電阻與上述超級電容的正極相連，并通過第五電阻連接至第一三極管的基極，并且從第一三極管的基極引出第六電阻連接至上述超級電容的負極，第一三極管的發射極連接至上述超級電容的正極，第一三極管的集電極通過第八電阻以及第一發光二極管連接至上述超級電容的負極，從泄放采樣電路單元的第二電阻與第三電阻之間引出的第七電阻連接至第一三極管的集電極，之后通過第十電阻連接至第一達林頓晶體管的基極，并且從第七電阻與第十電阻的連接處引出第九電阻連接至上述超級電容的負極。
6.根據權利要求5所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:泄放電路單元包括第十一電阻，第十二電阻，第一達林頓晶體管，第二三極管，其中第一達林頓晶體管的基極與上述第十電阻相連，第一達林頓晶體管的集電極連接至上述超級電容的正極，第一達林頓晶體管的發射極通過并聯的第十一電阻和第十二電阻連接至上述超級電容的負極，第二三極管的基極連接至第一達林頓晶體管的發射極，第二三極管的集電極連接至第一達林頓晶體管的基極，第二三極管的發射極連接至上述超級電容的負極。
7.根據權利要求1所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:還包括報警電路單元，該報警電路單元連接在上述超級電容的正極與負極之間，該報警電路單元包括告警部分；報警采樣電路部分，被配置為對上述超級電容進行電壓采樣，并對報警對比電路部分發送采樣得到的第二采樣電壓，該第二采樣電壓小于同一時刻的第一采樣電壓； 報警對比電路部分，被配置為提供第二基準電壓，將來自報警采樣電路部分的第二采樣電壓與該第二基準電壓進行比較，并且在第二采樣電壓大于第二基準電壓時對報警開關電路部分發送第二觸發信號； 報警開關電路部分，被配置為接收來自報警對比電路部分的第二觸發信號，并根據該第二觸發信號使其開關電路導通以驅動告警部分。
8.根據權利要求7所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:所述報警電路單元包括:第十三電阻，第十四電阻，第十五電阻，第十六電阻，第十七電阻，第十八電阻，第十九電阻，第二可控精密穩壓源，第二發光二極管，第三三極管，第一連接端和第二連接端，其中 第十三電阻，第十四電阻，第十五電阻串聯，該串聯電路連接在上述超級電容的正極與負極之間，從第十四電阻與第十五電阻之間引出第二可控精密穩壓源，第二可控精密穩壓源的輸入端連接至第二連接端，第二可控精密穩壓源的輸出端通過第十六電阻連接至上述超級電容的正極，從第二可控精密穩壓源的輸出端與第十六電阻之間引出第十七電阻連接至第三三極管的基極，并且從第三三極管的基極引出第十八電阻連接至第二連接端，第三三極管的發射極連接至上述超級電容的正極，第三三極管的集電極通過第二發光二極管以及第十九電阻連接至第一連接端。
9.根據權利要求8所述的帶有兩級式動態平衡電路的超級電容模組，其特征在于:從第十四電阻與第十五電阻之間引出第二電容連接至第二可控精密穩壓源的輸出端。
【文檔編號】G08B21/18GK203398779SQ201320404557
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2013年7月8日
【發明者】婁永偉, 張明軍, 陳 全, 張小龍, 楊宗林 申請人:浙江光匯照明電子有限公司