一種超級電容充電主監控系統的制作方法
【專利摘要】一種超級電容充電主監控系統，包括主監控系統、經電力線與主監控系統相連的單體超級電容監測子系統；主監控系統為一個，單體超級電容監測子系統為一個或串連有多個；其中主監控系統包括充電電路、電源單元、主單片機、載波通訊模塊、人機界面、存儲單元和RS—232模塊；單體超級電容監測子系統包括單體超級電容、電源單元、從單片機、載波通訊模塊、電壓、電流、溫度等檢測單元和存儲單元；主監控系統通過電力線、充電電路對超級電容器組進行充電。在串聯超級電容組充電過程中，由于超級電容單體之間的微小差異，很容易發生過充現象，進而影響超級電容的壽命，該監控系統實時掌握超級電容器組中各個單體超級電容的荷電狀態，避免過充現象的發生。
【專利說明】一種超級電容充電主監控系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種充電監控系統，特別是一種超級電容充電主監控系統。
【背景技術】
[0002]超級電容具有超級儲電能力，可提供強大的脈沖功率的物理二次電源，具有可靠性高、超低溫特性好、環保無污染的特點，是一種新型儲能系統，是解決現有電池充電功率不足問題的有效途徑，同時也在新能源汽車、電力、電梯、煤礦和工程機械等各行業得到了廣泛應用。
[0003]電力線載波通信以輸電線路為載波信號的傳輸媒介的電力系統通信。輸電線路具備十分牢固的支撐結構，在輸電線輸送工頻電流的同時，用之傳送載波信號，既經濟又十分可靠。
[0004]為監控電池電源系統的各個單體電池的電容狀態信息，目前電池管理系統主要采用主從設計。一個主控系統負責收集多個從模塊傳來的單體電池的狀態信息，再進行分析。然而，串聯超級電容器的充電過程，符合“木桶原理”，故障的爆發點通常是某一個單體電容，采用集中監控既降低了效率，又增加了系統負載。
[0005]因此，本實用新型提出一種分布式決策的監控策略，并利用電力線載波進行數據通信，既提高了監控系統的工作效率，保證了充電可靠性，又減輕了通信網絡的負載。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的是針對已有技術中存的問題，提供一種提高監控系統的工作效率、即可保證充電可靠性、又可減輕通信網絡的超級電容充電主監控系統。
[0007]本實用新型的監控系統包括主監控系統、經電力線與主監控系統相連的單體超級電容監測子系統；主監控系統為一個，單體超級電容監測子系統為一個或串連有多個；
[0008]所述的主監控系統包括電源單元、主單片機、載波通訊模塊PL2102、人機界面模塊、存儲單元、RS-232模塊和充電電路；主單片機分別與電源單元、載波通訊模塊PL2102、人機界面模塊、存儲單元、RS-232模塊串口相連和充電電路相連，通過RS-232模塊串口與計算機相連接；
[0009]所述的單體超級電容監測子系統包括單體超級電容、電源單元、從單片機、載波通訊模塊、電壓、電流、溫度檢測單元和存儲單元；其中:單體超級電容的輸出端分別與電壓、電流、溫度檢測單元的輸入端相連接，電源單元、電壓、電流、溫度檢測單元的輸出端與從單片機的輸入端相連接，從單片機與存儲單元連接，存儲數據，從單片機連接載波通訊模塊，經電力線與主監控系統相連。
[0010]有益效果，由于采用了上述方案，超級電容充電監控系統的各個單體超級電容監測子系統利用采集到的實時電壓、電流、溫度值，通過卡爾曼濾波算法，計算超級電容的荷電狀態(SOC)值及其變化率；當單體超級電容的荷電狀態(SOC)在預設閾值范圍內時，單體超級電容監控子系統不向主監控系統發送具體數據；當單體超級電容的荷電狀態(SOC)不在預設閾值范圍內時，從機分類分級的向主監控系統中的主單片機發送數據；此時，子系統利用基于優先級的CSMA/CA策略競爭信道，在獲得使用權后，載波通訊模塊PL2102將單片機MSP430發來的數字信號，通過內部差分移相鍵控載波后輸出發送到驅動電路，經變壓器耦合到直流電力線上。
[0011]主監控系統中主單片機接收處于發送狀態的單體超級電容監測子系統發送的數據；主監控系統處于接收狀態時，直流電力線上的擴頻信號通過耦合變壓器，經過接收選頻網絡，送到載波通訊模塊PL2102進行解調輸入到單片機DSP;此時，單體超級電容的充電狀態出現異常，主監控系統就會發出報錯指令，產生報警信號，中斷充電過程，并在人機界面上顯示出對應的單體超級電容的序列號。
[0012]優點:超級電容本身具有節能環保、可靠耐用等良好的性能，是解決現有電池問題的一個良好途徑。在串聯超級電容組充電過程中，由于超級電容單體之間的微小差異，很容易發生過充現象，進而影響超級電容的壽命，該監測系統實時掌握超級電容器組中各個單體超級電容的荷電狀態，避免過充現象的發生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為超級電容充電主監控系統的結構示意圖。
[0014]圖中，1、單體超級電容；2、充電電路；3、載波通訊模塊；4、主單片機；5、人機界面模塊；6、存儲單元；7、電源單元；8、RS-232模塊；9、電壓、電流檢測單元；10、溫度檢測單元；11、從單片機。
【具體實施方式】
[0015]實施例1:
[0016]超級電容充電監測系統，其具體包括電力線、單體超級電容監測子系統、主監控系統共3個部分。其中主監控系統包括充電電路2、載波通訊模塊3、主單片機4、人機界面模塊5、存儲單元6、電源單元7和RS-232模塊8。電源單元給主單片機供電，主單片機與載波通訊模塊PL2102連接，以電力線為媒介，利用電力線載波實現單體超級電容監測子系統和主監控系統的通訊；主單片機連接人機界面模塊，以實現報警、顯示；主單片機與存儲單元相連，通過RS-232串口連接計算機；主單片機連接充電電路，并根據充電狀態控制充電電路輸出大小不同的電流；主監控系統中主單片機接收處于發送狀態的單體超級電容監測子系統發送的數據；主監控系統處于接收狀態時，直流電力線上的擴頻信號通過耦合變壓器，經過接收選頻網絡，送到載波通訊模塊PL2102進行解調輸入到單片機的數字信號處理器；此時，單體超級電容的充電狀態出現異常，主監控系統了出報錯指令，產生報警信號，中斷充電過程，并在人機界面上顯示出對應的單體超級電容的序列號。所述的存儲單元6為存儲器模塊。所述的單片機的數字信號處理器，英文縮寫為DSP。
[0017]單體超級電容監測子系統包括單體超級電容1、電源單元7、從單片機11、載波通訊模塊3、電壓、電流檢測單元9、溫度檢測單元10、存儲單元6。電力線連接單體超級電容監測子系統和主監控系統。電源單元負責供電；電壓、電流、溫度檢測單元連接從單片機MSP430,從單片機MSP430不斷檢測各端口傳送來的電壓、電流、溫度信息，計算超級電容的荷電狀態SOC ;從單片機MSP430與存儲單元連接，存儲數據，并將數據發送給主監控系統的主單片機；其中，單體超級電容監測子系統和主監控系統之間通過載波通訊模塊PL2102和電力線來完成數據傳送。所述的計算超級電容的荷電狀態的英文縮寫為SOC。
[0018]主監控系統通過電力線、充電電路2對超級電容器組進行充電，同時電力線也是通訊媒介；主監控系統和單體超級電容監測子系統之間的通訊就是依靠載波通訊模塊和電力線來完成的；主監控系統為一個，單體超級電容監測子系統為一個或多個；每一個單體超級電容監測子系統的地址不同，其序列號由從單片機決定。
[0019]主從監控系統均采用電源單元7輸入直流電，提供主、從單片機3.3V的電壓，供給載波通訊模塊5V的電壓，供給載波功放電路12V的電壓。
[0020]在單體超級電容監測子系統中，從機MSP430根據超級電容的型號規格預設多級報警閾值，其中計算超級電容的荷電狀態SOC的最大容許值為閾值1，SOC變化率的最大容許值為閾值2。其中，計算超級電容的荷電狀態SOC變化率定義為相鄰計算超級電容的荷電狀態SOC值的差異與采樣間隔的比值。
[0021]在單體超級電容監測子系統中，溫度檢測單元10采用高精度溫度傳感器，可以準確的測出實際溫度，電壓、電流檢測單元9連接超級電容兩端，準確測量電壓、電流值，從單片機MSP430不斷檢測各端口傳送來的電壓、電流、溫度值，利用卡爾曼濾波算法，計算超級電容的荷電狀態SOC及其變化率。
[0022]當單體超級電容的SOC值和變化率均在預設閾值范圍內時，單體超級電容監測子系統僅向主監控系統發送I字節握手信息，其優先級定義為I;當計算超級電容的荷電狀態SOC值在閾值I范圍內、計算超級電容的荷電狀態SOC變化率超出閾值2時，單體超級電容監測子系統向主監控系統發送I字節的握手信息和2字節的計算超級電容的荷電狀態SOC變化率，優先級定義為2 ;當單體超級電容的SOC變化率在閾值2范圍內、計算超級電容的荷電狀態SOC值超出閾值I時，單體超級電容監測子系統向主監控系統發送I字節的握手信息和2字節的SOC值，優先級定義為3 ;當單體超級電容的SOC值及其變化率均超出預設閾值時，單體超級電容監測子系統向主監控系統發送I字節的握手信息、2字節的SOC值和2字節的SOC變化率，優先級定義為4。
[0023]當從機MSP430處于發送狀態時，載波通訊模塊PL2102將單片機MSP430發來的數字信號，通過內部DPSK載波后輸出發送到驅動電路，經變壓器耦合到直流電力線上。所述的載波通訊模塊PL2102差分移相鍵控的英文縮寫為DPSK。
[0024]系統采用基于優先級的CSMA/CA策略，來應對有多個子監控系統同時請求發送數據的情況。當從機準備發送數據時，先檢測通信線路上是否有該頻段的信號，若有則等待一定時間后，再次檢測線路，直到檢測到線路空閑或檢測次數已達最大值為止。當檢測到線路空閑時，從機向主機發送數據；當檢測次數達最大值時，為了保證數據的時效性，從機丟棄數據，選擇新數據發送，并重復上述過程。其中等待時間定義為退避時間，容許的最大檢測次數定義為最大退避次數。在本系統中，從機的退避時間和最大退避次數根據所需發送數據的優先級確定，優先級越高，退避時間越短，最大退避次數小。在實際應用中，具體退避時間和最大退避次數根據系統精度要求、單體電容參數確定。
[0025]主監控系統中主單片機的作用是接收處于發送狀態的單體超級電容監測子系統發送的數據。主監控系統處于接收狀態時，直流電力線上的擴頻信號通過耦合變壓器，經過接收選頻網絡，送到載波通訊模塊PL2102進行解調輸入到單片機DSP。
[0026]主監控系統根據接收到的子監控系統的信息，進行分類顯示，并通知操控人員。當信息的優先級大于2時，主監控系統直接中斷充電過程，并在人機界面上顯示出對應的單體超級電容的序列號。
[0027]存儲單元6在主監控系統和單體超級電容監測子系統中都有涉及，其是存儲數據、通過RS-232模塊串口上傳數據，方便日后進一步分析超級電容性能。
[0028]人機界面5實時顯示更新單體超級電容的充電狀態，當某一超級電容出現重要預警信息時，人機界面紅色報警燈閃爍，同時語音提醒。
【權利要求】
1.一種超級電容充電主監控系統，其特征是:監控系統包括主監控系統、經電力線與主監控系統相連的單體超級電容監測子系統；主監控系統為一個，單體超級電容監測子系統為一個或串連有多個； 所述的主監控系統包括電源單元、主單片機、載波通訊模塊PL2102、人機界面模塊、存儲單元、RS-232模塊和充電電路；主單片機分別與電源單元、載波通訊模塊PL2102、人機界面模塊、存儲單元、RS-232模塊串口相連和充電電路相連，通過RS-232模塊串口與計算機相連接； 所述的單體超級電容監測子系統包括單體超級電容、電源單元、從單片機、載波通訊模塊、電壓、電流、溫度檢測單元和存儲單元；其中:單體超級電容的輸出端分別與電壓、電流、溫度檢測單元的輸入端相連接，電源單元、電壓、電流、溫度檢測單元的輸出端與從單片機的輸入端相連接，從單片機與存儲單元連接，存儲數據，從單片機連接載波通訊模塊，經電力線與主監控系統相連。
【文檔編號】H02J7/00GK203951214SQ201420227513
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】王后連, 周公博, 李洋, 朱真才, 李偉, 曹國華 申請人:中國礦業大學, 徐州市恒源電器有限公司