一种超级电容模组充电电源的控制方法与流程

本发明属于油渍净化技术领域，特别是涉及一种超级电容模组充电电源的控制方法。

背景技术：

目前，人们的生活无法离开电力，普通家庭生活中的各种家电，每个企业中的办公设备以及制造设备，甚至是人们出行工具中的新能源电力汽车等等，越来越多的电力产品出现在各个领域。在这些电力产品中，充电电源显得必不可少。请参照图7，现有技术中的充电电源，一般包含有4个基本的部分：1)EMC处理电路，主要抑制差模与共模电磁的干扰；2)充电控制部分，主要进行电压与电流的限制控制；3)供电电源部分；4)状态指示。现有技术中的充电电源，其充电电压和充电电流一般固化在电源内部，无外部调节手段，只能满足固定需求充电电压和充电电流的超级电容组；且对充电电路无过热保护，在频繁充电时可能导致充电电路过热而烧毁；另外，对超级电容组充电时，可能在超级电容温升过高或绝对温度过高时充电引起超级电容寿命大大降低或引起超级电容爆炸。

因此，有必要提供一种新的超级电容模组充电电源的控制方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种超级电容模组充电电源的控制方法，可实现充电电压与充电电流的自动调节，且具有过载保护与高温保护，对充电设备具有保护功能。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种超级电容模组充电电源的控制方法，所述充电电源包括EMC处理电路模块、供电电源模块以及微处理器MCU，还包括对超级电容的充电最大电流和充电最大电压进行设置的充电调节设置模块、具有过热与过载保护的充电控制模块、温度采集电路模块以及状态指示电路模块；其包括以下步骤，

(1)所述充电调节设置模块读取设定电压、设定电流、超级电容最大工作温度与超级电容允许温升，并传输至所述微处理器MCU中；

(2)同时所述温度采集电路模块采集进行温度信号采集并传输至所述微处理器MCU；

(3)所述微处理器MCU将所述设定电压、所述设定电流、所述温度信号进行数模转换后输送至所述充电控制模块；

(4)所述充电控制模块进行过热、过载控制，该过程中所述充电控制模块分别比较所述设定电压与所述输出电压的大小、所述设定电流与所述输出电流的大小，以此确定是否过载，所述微处理器MCU比较所述温度信号与所述超级电容的最大工作温度的大小，以此确定是否过热，并将比较结果传输至所述充电控制模块；

(5)所述充电控制模块根据比较结果控制是否允许充电。

进一步的，所述温度信号包括所述充电控制电路的温度、环境温度、超级电容绝对温度。

进一步的，所述微处理器MCU内置有超级电容的温升-电流控制曲线。

进一步的，所述充电控制模块进行过热控制的步骤包括，

1)判断所述超级电容绝对温度是否大于所述超级电容最大工作温度；

2)若是，则将所述设定电流清零，所述状态指示电路模块中显示过热，否则，计算超级电容温升；

3)判断所述超级电容温升是否大于所述超级电容允许温升；

4)若是，则将所述设定电流清零，所述状态指示电路模块中显示过热，否则，根据超级电容的所述温升-电流控制曲线，找到所述超级电容温升对应的允许电流；

5)判断所述设定电流是否大于所述允许电流；

6)若是，则将所述设定电流更换成所述允许电流进行充电，否则，允许充电。

进一步的，所述超级电容温升为所述超级电容绝对温度与所述环境温度的差值。

与现有技术相比，本发明一种超级电容模组充电电源的控制方法的有益效果在于：

1)针对超级电容组的充电需求，可调节设置充电电压和充电电流，适用于不同容量和电压要求的超级电容组，可调节的充电电流适应于对不同超级电容组充电时间不同需求的场合；

2)可自动检测充电回路是否过载，过载时自动停止充电保护充电回路不受损坏，充分考虑充电电路可能过载的情况，提供过热自我保护，避免充电电流过大或频繁充电导致充电回路过载损坏；

3)通过检测超级电容的温度和温升，并依据超级电容温升-电流曲线对充电进行限流，同时在超级电容温升超限、绝对温度超限时停止充电，充电过程兼顾超级电容的温度特性，采用超级电容温升-电流曲线进行限制充电，同时监视超级电容温升过高和绝对温度过高并停止充电，避免继续充电导致温度极限升高造成超级电容寿命快速减小或发生爆炸。

【附图说明】

图1为本发明实施例的模块化电路控制原理示意图；

图2为本发明实施例的主控制逻辑流程示意图；

图3为图2中数据读取与参数设定转换的控制流程原理示意图；

图4为图2中超级电容温度与温升-电流控制的控制流程原理示意图；

图5为图2中电容充电控制与过载保护的控制流程原理示意图；

图6为图2中状态指示控制的控制流程原理示意图；

图7为现有技术的电路控制原理示意图。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1，本实施例为超级电容模组充电电源，其包括EMC处理电路模块a、充电调节设置模块b、充电控制模块c、温度采集电路模块d、供电电源模块e、状态指示电路模块f以及微处理器MCU。

EMC处理电路模块a包括火线连接端L、零线连接端N、接地端EARTH、第一电容CX、第二电容CY1、第三电容CY2以及共模电感L1。第一电容CX与共模电感L1并联在火线连接端L与零线连接端N之间。第二电容CY1的一端与火线连接端L连接且另一端与接地端EARTH连接。第三电容CY2的一端与零线连接端N连接且另一端与接地端EARTH连接。零线连接端N与第一电容CX的输出端之间设置有光敏电阻RT。EMC处理电路模块a主要作用是对充电电源对共模干扰和差模干扰的进行抑制。对于共模干扰，使用了第二电容CY1、第三电容CY2和共模电感L1进行抑制；对于差模干扰，采用了第一电容CX进行抑制。EMC处理部分还抑制了对超级电容充电过程中充电控制部分由于开关管的高频工作导致的过压，过流等电磁干扰对系统电源的影响。

充电调节设置模块b包括第一电位器W1与第二电位器W2，第一电位器W1与第二电位器W2独立设置。第一电位器W1与第二电位器W2的一端接入电源且另一端接地。第一电位器W1的滑动臂与微处理器模块MCU连接，主要用于调节充电电流。第二电位器W2的滑动臂与微处理器模块MCU连接，主要用于调节充电电压。

微处理器MCU包括模拟数字转换器(ADC)、第一电压输出端PMW1、第二电压输出端PMW2以及温度信号输出端T_ctl。所述模拟数字转换器(ADC)与第一电位器W1、第二电位器W2连接。第一电压输出端PMW1、第二电压输出端PMW2以及温度信号输出端T_ctl均与充电控制模块c连接。

充电控制模块c包括直流桥B、开关降压电路模块以及电压电流比较电路模块。直流桥B的一个输入端与共模电感L1的一个输出端连接、直流桥B的一个输出端与共模电感L1的一个输入端连接，直流桥B的作用是将交流电压整流成直流电压。直流桥B的一个输入端与一个输出端之间连接有第四电容C1，其作用是滤波，将直流的脉动电压滤出一定的谐波。

开关降压电路模块包括开关管Q、高频变压器T、二极管D、第一电阻R1、第二电阻R2以及电流采样电阻RS。电压电流比较电路模块包括第一比较器A1、第二比较器A2、第三比较器A3、或门以及与门。开关管Q设置在高频变压器T与直流桥B连通的线路上，用于控制两者的导通与切断。开关管Q的开关控制端与所述与门的输出端连接，其输入端与高频变压器T的一个输出端连接，其输出端与直流桥B的一个输入端连接。二极管D的输入端与高频变压器T的另一个输出端连接。二极管D的输出端连接有第五电容C2，第五电容C2的输出端接地，其作用是保护二极管D。二极管D的输出端与第一电阻R1的输入端连接，第一电阻R1的输出端与第二电阻R2的输入端连接，第二电阻R2的输出端与高频变压器T的另一个输入端连接，第一电阻R1与第二电阻R2串联设置。第一电阻R1的输出端与第一比较器A1输入端连接，第一比较器A1的另一个输入端与第一电压输出端PMW1连接，且该连接处设置有接地保护。第一比较器A1的输出端与所述或门的输入端连接，所述或门的另一个输入端连接与第二比较器A2的输出端连接。第二比较器A2的一个输入端与第二电压输出端PMW2连接，且该连接处设置有接地保护。第二比较器A2的另一个输入端与电流采样电阻RS的输入端连接，电流采样电阻RS的输出端与第二电阻R2的输出端连接。所述或门的输出端与第三比较器A3的输入端连接，第三比较器A3的另一个输入端连接有固定电阻。第三比较器A3的输出端与所述与门的一个输入端连接，所述与门的另一个输入端与温度信号输出端T_ctl连接，所述与门的输出端与开关管Q的开关控制端连接，用于控制开关管Q的连通或断开。电流采样电阻RS的输入端构成本实施例超级电容模组充电电源的负极；二极管D的输出端构成本实施例超级电容模组充电电源的正极。

温度采集电路模块d包括若干温度传感器，具体包括第一温度传感器t1、第二温度传感器th以及第三温度传感器tc。第一温度传感器t1设置在高频变压器T旁，主要测量充电控制部分的温度，如果温度过高可能导致充电部分热损坏。第二温度传感器th设置在充电控制模块c内，主要用于检测环境温度用于计算超级电容的温升状况。第三温度传感器tc设置在超级电容上，主要用于检测超级电容模组的绝对温度。超级电容的温升为：第三温度传感器tc检测到的温度减去第二温度传感器th测得的环境温度。保护超级电容不过热损伤，主要是保证绝对温度和温升都不超超级电容的参数。

充电调节设置模块b主要负责对超级电容的充电电流进行设置、充电最高电压进行设置。充电电流和电压调节采用电位器方式进行连续调节。当调节第一电位器W1与第二电位器W2时，经过所述模拟数字转换器(ADC)转换得到的ADC_I和ADC_U的电压信号会被增大或减小，微处理器MCU采集到信号后，会对程序进行调节，改变第一电压输出端PMW1与第二电压输出端PMW2的输出电压，与比较器进行比较来限制充电电流和充电电压。

充电控制模块c主要对超级电容进行充电控制。直流桥B将交流电压整流成直流电压，电容C1作用是滤波，将直流的脉动电压滤出一定的谐波。开关管Q和高频变压器T与二极管D构成了开关降压电路。

充电电压的限制通过第一电阻R1、第二电阻R2串联分压获得的输出电压反馈给第一比较器A1，微处理器MCU的第一电压输出端PMW1输出的电压信号(此信号依据充电调节设置电路的充电电压变换后输出)也反馈给第一比较器A1，第一比较器A1对两个电压进行比较，当充电电路输出的电压(即第二电阻R2输入端的电压)高于设定电压(即第一电压输出端PMW1的输出电压)，第一比较器A1翻转，控制所述或门、第三比较器A3以及所述与门使开关管Q断开，停止对超级电容的充电。充电电流的限制时通过将电流采样电阻RS输出端的电压反馈给第二比较器A2，微处理器MCU的第二电压输出端PMW2输出的电压信号也反馈给第二比较器A2，第二比较器A2对两个电压进行比较，当电流采样电阻RS上的电压高于第二电压输出端PMW2的输出电压，第二比较器A2翻转，控制所述或门、第三比较器A3以及所述与门使开关管Q断开，停止对超级电容的充电。其中第一温度传感器t1，主要测量充电控制部分的温度，当控制充电部分温度过高时，防止充电部分过热损坏。当t1温度超过设置值后，温度信号输出端T_ctl的控制信号会经过微处理器MCU直接输出到所述与门，控制开关管Q停止充电，温度降低到安全设置值后，温度信号输出端T_ctl的控制信号会关断，开关管Q才会允许工作。

供电电源模块e包括电源处理模块AC/DC以及降压元件LDO，电源处理模块AC/DC的输出端设置有弱电输出端VCC，降压元件LDO的输出端设置有弱电降压输出端ECC。电源处理模块AC/DC的一个输入端与共模电感L1的一个输出端连接，另一个输入端与降压元件LDO的输出端连接，电源处理模块AC/DC的一个输出端与共模电感L1的一个输入端连接，且另一个输出端与降压元件LDO的输入端连接。供电电源模块e主要负责给微处理器MCU、状态指示电路模块f以及充电调节设置模块b供电，具体的，将市电经过EMC处理电路模块a处理后，经过电源处理模块AC/DC将电压变换成弱电，微处理器MCU供电需要更低的电压，并且对纹波要求低，因此采用降压元件LDO对VCC进行降压，并降低电压的纹波变换为ECC给微处理器MCU和状态指示电路模块f供电。

状态指示电路模块f包括并联连接的若干LED灯，每个LED灯均串联有一个电阻。本实施例中所述LED灯组包括运行监控灯LED1、充电监控灯LED2、过热监控灯LED3以及过载监控灯LED4。所述电阻包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六电阻R6。每个所述LED的输入端均与供电电源模块e中的弱电降压输出端ECC连接，且输出端均与微处理器MCU连接。状态指示电路模块f主要包括：1)运行指示，当装置上电并且无任何异常时，运行监控灯LED1常亮；2)充电指示，当电源对超级电容模组进行充电时，充电监控灯LED2每500ms闪烁一次，当停止充电时充电监控灯LED2熄灭；3)过热指示，当检测到超级电容的绝对温度或温升超过设定值时，过热监控灯LED3点亮，当温度降低到安全值后过热监控灯LED3熄灭；4)过载指示，当检测到充电控制电路温度过高，停止充电时过载监控灯LED4点亮，当充电控制电路的温度降低到安全值后，过载监控灯LED4熄灭。

本实施例的电源由火线连接端L、零线连接端N输入市电，接地端EARTH为接大地屏蔽。市电经过EMC处理电路模块a，该模块的第一电容CX是抑制差模干扰，而共模电感L1和第二电容CY1是抑制共模干扰。经过EMC处理电路模块a后，分别给供电电源模块e为整个装置内部供电、给充电控制模块c为超级电容充电提供能量。

请参照图1、图2，本实施例超级电容模组充电电源的控制方法，其步骤包括，

(1)充电调节设置模块b读取设定电压Ucset、设定电流Icset、超级电容最大工作温度Tmaxc与超级电容允许温升Tmaxw，并传输至微处理器MCU中；

(2)同时温度采集电路模块d采集进行温度信号采集并传输至所述微处理器MCU；

(3)微处理器MCU将设定电压Ucset、设定电流Icset、温度信号进行数模转换后输送至充电控制模块c；

(4)充电控制模块c进行过热、过载控制，该过程中充电控制模块c分别比较设定电压Ucset与输出电压的大小、设定电流Icset与输出电流的大小，以此确定是否过载，所述微处理器MCU比较所述温度信号与超级电容的最大工作温度Tmaxc的大小，以此确定是否过热，并将比较结果传输至所述充电控制模块c；

(5)充电控制模块c根据比较结果控制是否允许充电。

本实施例超级电容模组充电电源的控制方法，其主要流程为：

(1)主逻辑准备开始；

(2)MCU初始化设置；

(3)数据读取与参数设定转换；

(4)超级电容温度与温升-电流控制；

(5)电容充电控制与过载保护；

(6)状态指示控制。

请参照图1、图3，其中(3)数据读取与参数设定转换的控制原理为：数据读取与参数设定转换开始；启动微处理器MCU中的模拟数字转换器ADC读取电流ADC_I；通过模拟数字转换器(ADC)进行模数转换，并转换成设定电流Icset；设置电流读取标志IsetFlag置1；启动微处理器MCU中的ADC读取电压ADC_U；通过模拟数字转换器(ADC)进行模数转换，并转换成设定电压Ucset；设置电压读取标志UsetFlag置1；启动微处理器MCU中的SPI总线分别读取温度传感器t1、th、tc；换算出充电控制电路温度Tk、环境温度Th、超级电容绝对温度Tc；设置温度读取标志TEMPFlag置1；数据读取与参数转换逻辑结束。

充电调节设置模块b是通过外部调节第一电位器W1与第二电位器W2的分压，来调节ADC_I和ADC_U的电压。微处理器MCU通过采集ADC_I和ADC_U的电压，并通过模拟数字转换器(ADC)转换成数字量，并计算出需要的充电限制电压Ucset和充电设定电流Icset，完成两者的转换后分别将转换完成标志UsetFlag和IsetFlag置1，表明已经对设置的参数进行了读取。

为了对完成充电进行控制，需要对超级电容的温度、温升进行读取和计算。同时为了保护充电电路不过载，也需要读取充电控制电路的温度。图1中的温度采集电路模块d分别指示出了三个温度传感器，在图3中，逻辑先读取完电流与电压的设定之后，开始通过SPI数据线分别读取t1传感器(充电控制部分温度)、th传感器(环境温度)与tc传感器(超级电容的温度)，并分别计算出充电控制部分的温度Tk、环境温度Th、超级电容的温度Tc。读取出温度参数后，将TEMPFlag置1，表明温度数据已经读取完毕。

请参照图1、图4，其中(4)超级电容温度与温升-电流控制的控制原理为：首先判断温度读取标志TEMPFlag是否为1，若TEMPFlag＝1，则判断超级电容绝对温度Tc是否超过了超级电容最大工作温度Tmaxc，若TEMPFlag≠1，则停止对超级电容充电；如果Tc>Tmaxc，则设置过热标志TEMPHFlag为1，将充电设定电流Icset清0，停止对超级电容充电；若Tc≤Tmaxc，为完成充电时对超级电容的保护，通过读取到的超级电容绝对温度Tc和环境温度Th计算出超级电容的温升Tws；判断超级电容温升Tws是否超过超级电容极限工作温升Tmaxw，若Tws>Tmaxw，则直接设置过热标志TEMPHFlag为1，停止对超级电容充电；若温升Tws和绝对温度Tc都在安全范围内，则通过温升Tws读取到内置到MCU的超级电容温升-电流曲线，读取出对应的可充电允许电流Itws；判断充电设定电流Icset是否大于温升充电允许电流Itws，若Icset>Itws，则将Icset设置为Itws进行充电，防止了充电电流过大导致超级电容寿命损伤。

请参照图1、图5，其中(5)电容充电控制与过载保护的控制原理为：首先判断温度读取标志TEMPFlag是否为1，若TEMPFlag＝1，则表明温度传感器的数据已经读取完毕；再判断过热标志TEMPHFlag是否为1，若过热标志TEMPHFlag＝1，则表明超级电容的绝对温度或者温升都已经超过了超级电容的工作极限，此时不能对其进行充电；若过热标志TEMPHFlag≠1，则判断充电控制电路是否过载，即过载标志OverFlag是否为1，若OverFlag＝1，则判断温度传感器t1测量的充电控制模块的温度Tk是否小于过载设定温度Tkset，若Tk<Tkset，则延时3s过载标志OverFlag置0；若OverFlag≠1，则判断温度传感器t1测量充电控制模块的温度Tk是否大于过载设定温度Tkset，若Tk>Tkset，则将过载标志OverFlag置1，表明充电控制电路存在过热，充电控制回路过载，继续充电将会导致充电回路损坏；若Tk≤Tkset且OverFlag≠1，则判断UsetFlag和IsetFlag是否均为1，若UsetFlag＝1&IsetFlag＝1，则按UsetFlag值转换成第一电压输出端PMW1输出电压，调节出最大充电限制电压，再按IsetFlag值转换成第二电压输出端PMW2输出电压，调节出最大充电限制电流，再将充电标志ChargeFlag置1，表明此时正在对超级电容组充电，温度信号输出端T_ctl控制输出允许充电；否则将充电标志ChargeFlag清0，温度信号输出端T_ctl控制输出断开充电电路，禁止充电。

请参照图1、图6，其中(6)状态指示控制的控制原理为：运行指示LED的控制由MCU的Run控制信号进行控制，当控制逻辑检测到UsetFlag和IsetFlag都置1，说明已经读取到设置参数，此时装置处在运行状态，状态指示逻辑控制Run信号使运行LED点亮，否则熄灭运行LED。同样充电指示LED的闪烁指示，主要判断标志ChargeFlag是否为1；过热指示LED的判断是依据HotFlag是否为1；过载的指示LED依据OverFlag是否为1。

本实施例为超级电容模组充电电源的控制方法的有益效果在于：

1)针对超级电容组的充电需求，可调节设置充电电压和充电电流，适用于不同容量和电压要求的超级电容组，可调节的充电电流适应于对不同超级电容组充电时间不同需求的场合；

2)可自动检测充电回路是否过载，过载时自动停止充电保护充电回路不受损坏，充分考虑充电电路可能过载的情况，提供过热自我保护，避免充电电流过大或频繁充电导致充电回路过载损坏；

3)通过检测超级电容的温度和温升，并依据超级电容温升-电流曲线对充电进行限流，同时在超级电容温升超限、绝对温度超限时停止充电，充电过程兼顾超级电容的温度特性，采用超级电容温升-电流曲线进行限制充电，同时监视超级电容温升过高和绝对温度过高并停止充电，避免继续充电导致温度极限升高造成超级电容寿命快速减小或发生爆炸。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。