电容保护电路、MCU控制的电容保护电路、电池放电电路及MCU控制的电池放电电路的制作方法

电容保护电路、mcu控制的电容保护电路、电池放电电路及mcu控制的电池放电电路
技术领域
1.本实用新型涉及锂电池均衡放电电路技术领域，尤其涉及电容保护电路、mcu控制的电容保护电路、电池放电电路及mcu控制的电池放电电路。


背景技术：

2.公开号为cn112688374a的发明专利公开了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，该均衡系统均包括：两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组。其中，控制器产生两个占空比相同的pwm信号分别控制两组开关阵列中所有开关桥的上桥臂和下桥臂导通和关断，实现串联的电池组中电量高的电池向超级电容组充电，超级电容组存储电量之后，一方面向外部输出，另一面向电量低的电池放电。
3.锂电池的上限和下限电压分别为4.2v和2.75v。锂电池单节标称电压一般为：3.6v或3.7v。锂电池最小放电电压一般为：2.75v，低于这个电压容易导致电池容量严重下降乃至报废。大部分锂电池放电不能将空载电压放到3.2v以下的，否则过度放电会损害电池，一般市场上的锂电池基本都是带保护板才使用的，过度放电还会导致保护板检测不到电池，从而无法给电池充电。
4.锂电池最高限制电压为：4.2v，一般认为将锂电池的空载电压充到4.2v 就认为电充满了，电池充电过程中，电池的电压在3.7v逐渐上升到4.2v，锂电池充电不能将空载电压充到4.2v以上的，否则会损害电池；对于超级电容而言，额定电压为2.7v，长时间超过2.7v容易发生电容的损坏甚至被击穿；对于超级电容而言，浪涌电压为2.87v，浪涌噪声严重危害负载的工作。
5.在电气设备接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。由于电容的迅速充电，该峰值电流远大于稳态输入电流。在设备开机上电的瞬间，电容电压不能突变，因此会产生一个很大的充电电流，即电容在短时间内看做短路。根据一阶电路零状态响应模型，该初始的电流值相当于把电容短路的电流值。即输入浪涌电流远远大于负载正常工作电流。
6.该主动均衡系统利用超级电容对电池组实现均衡会出现过放、过充的现象，并且长时间用“高”压充电容易损坏电容甚至击穿电容。


技术实现要素：

7.根据本实用新型的第一个方面，提供了电容保护电路，该电容保护电路与锂电池均衡放电电路中的超级电容的第一端串联，并代替超级电容被串联的第一端与电路连接，包括浪涌电路、电容电路与选择开关；
8.浪涌电路用于超级电容的浪涌电压的吸收；
9.电容电路的第一端与浪涌电路的第一端连接，电容电路用于提高超级电容的耐压值；
10.选择开关包括公共端与不同的支路端，浪涌电路的第二端、电容电路的第二端分
别与选择开关不同的支路端连接，选择开关被配置为基于接收到的第一控制信号选择导通公共端与其中一条支路端。
11.在一些实施方式中，浪涌电路包括第一浪涌电路与第二浪涌电路；
12.第一浪涌电路的第一端、第二浪涌电路的第一端分别与电容电路的第一端连接，第一浪涌电路的第二端、第二浪涌电路的第二端分别与选择开关不同的支路端连接；
13.第一浪涌电路的浪涌电压吸收值与第二浪涌电路的浪涌电压吸收值不同，选择开关被配置为基于接收到的第一控制信号选择导通公共端与其中一条支路端。
14.在一些实施方式中，第一浪涌电路包括第一电阻与第一电容，第一电阻与第一电容串联；
15.第二浪涌电路包括第二电阻与第二电容，第二电阻与第二电容串联。
16.在一些实施方式中，还包括短路电路；
17.短路电路的第一端与电容电路的第一端连接，短路电路的第二端与选择开关不同的支路端连接；选择开关被配置为基于接收到的第一控制信号选择导通公共端与其中一条支路端。
18.根据本实用新型的第二个方面，提供了mcu控制的电容保护电路，包括mcu控制电路与上述任一项的电容保护电路，mcu控制电路被配置为发送控制信号，mcu控制电路用于发送控制信号控制选择开关导通公共端与其中一条支路端。
19.根据本实用新型的第三个方面，提供了电池放电电路，包括锂电池均衡放电电路与上述任一项的电容保护电路，电容保护电路串联于锂电池均衡放电电路中的超级电容的第一端，电容保护电路代替超级电容被串联的第一端与电路连接。
20.在一些实施方式中，锂电池均衡放电电路包括串联超级电容组、两个串联电池组和开关阵列；
21.串联超级电容组包括至少一个超级电容，串联超级电容组用于与外部负载连接；
22.两个串联电池组用于给串联超级电容组充电；
23.开关阵列连接于串联超级电容组与两个串联电池组之间，开关阵列其中一部分开关被配置为基于接收到的第二控制信号选择导通，使超级电容与其中一个串联电池组中的一个电池并联和/或与另一个串联电池组中的一个电池并联，开关阵列另一部分开关还被配置为基于接收到的第三控制信号选择导通，使超级电容与其中一个串联电池组中的一个电池并联和/或与另一个串联电池组中的一个电池并联；
24.第一控制信号被配置为与第二控制信号的持续时间或第三控制信号的持续时间相关联。
25.在一些实施方式中，每个串联电池组中的每个电池被并联在串联超级电容组上时，一个电池只能与串联超级电容组中的一个超级电容并联。
26.根据本实用新型的第三个方面，提供了mcu控制的电池放电电路，包括mcu控制电路与电池放电电路，mcu控制电路用于发送第一控制信号、第二控制信号与第三控制信号。
27.在一些实施方式中，mcu控制电路根据控制pwm的占空比产生不同的控制信号。
28.与现有技术相比，本实用新型的电容保护电路、mcu控制的电容保护电路、电池放电电路及mcu控制的电池放电电路，用来对电路的过压和浪涌进行保护。
附图说明
29.图1为本实用新型一实施方式的电容保护电路的电路原理图；
30.图2为本实用新型一实施方式的电池放电电路的电路原理图。
31.附图标号说明：锂电池均衡放电电路100，电容保护电路200，串联超级电容组110，串联电池组120，开关阵列130，mcu控制电路140，浪涌电路210，电容电路220，选择开关230，第一浪涌电路240，第二浪涌电路250，短路电路260。
具体实施方式
32.下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
33.图1-2示意性地显示了根据本实用新型的一种实施方式的电容保护电路与电池放电电路。如图1-2所示，该电路包括锂电池均衡放电电路100 与电容保护电路200，电容保护电路200与锂电池均衡放电电路100中的超级电容的第一端串联，并代替超级电容被串联的第一端与电路连接，用来对电路中的超级电容进行过压和浪涌保护。
34.锂电池均衡放电电路100包括串联超级电容组110、两个串联电池组 120、开关阵列130和mcu控制电路140；串联超级电容组110包括至少一个超级电容，开关阵列130连接于串联超级电容组110与两个串联电池组120之间，开关阵列130其中一部分开关被配置为基于接收到的第二控制信号选择导通，使超级电容与其中一个串联电池组120中的一个电池并联和/或与另一个串联电池组120中的一个电池并联，开关阵列130另一部分开关还被配置为基于接收到的第三控制信号选择导通，使超级电容与其中一个串联电池组120中的一个电池并联和/或与另一个串联电池组120中的一个电池并联；串联超级电容组110主要有两个作用，一方面用于与外部负载300连接，提供电能，另一方面在该串联超级电容组110中的超级电容并联两个电池时，该超级电容还可以给并联的两个电池中电压相对较低的那个电池充电；mcu控制电路140包括mcu控制器；mcu控制电路 140通过发送第二控制信号或第三控制信号控制达到上述控制。
35.当然为了保证电池的使用寿命或正常使用或带动超级电容，最好是每个串联电池组120中的每个电池被并联在串联超级电容组110上时，保证一个电池只能与串联超级电容组110中的一个超级电容并联，即避免一个电池并联多个超级电容的情况出现。
36.为了更好的说明锂电池均衡放电电路100，本具体实施方式以有限个超级电容进行说明，相应的也对串联电池组120与开关阵列130进行限定，但并不是对具体实施方式的限制，其中开关阵列130由12个mosfet管组成，mosfet管的漏极与源极接入电路，栅极与mcu控制电路140连接；串联超级电容组110包括依次串联的第一超级电容c1、第二超级电容 c2与第三超级电容c3；其中一个串联电池组120包括串联的第一电池dc1 与第二电池dc2，另一个串联电池组120包括串联的第三电池dc3与第四电池dc4；开关阵列130包括第一开关q1、第二开关q2、第三开关q3、第四开关q4、第五开关q5、第六开关q6、第七开关q7、第八开关q8、第九开关q9、第十开关q10、第十一开关q11与第十二开关q12，第一开关q1连接于第一超级电容c1的正极与第一电池dc1之间，第二开关q2 连接于第一电池dc1的正极与第一超级电容c1的负极，第三开关q3连接于第二电池dc2的正极与第二超级电容c2的正极，第四开关q4连接于第二电池dc2的正极与第二超级电容c2的负极，第五开关q5连接于第二电池dc2的负极与第三超级电容c3的正极，第六开关q6连接于第二电池 dc2的负极与第三超级电容c3
的负极，第七开关q7连接于第三电池dc3 的负极与第三超级电容c3的负极，第八开关q8连接于第三电池dc3的负极与第三超级电容c3的正极，第九开关q9连接于第三电池dc3的正极与第二超级电容c2的负极，第十开关q10连接于第三电池dc3的正极与第二超级电容c2的正极，第十一开关q11连接于第四电池dc4的正极与第一超级电容c1的负极，第十二开关q12连接于第四电池dc4的正极与第一超级电容c1的正极；第一开关q1、第三开关q3、第五开关q5、第七开关q7、第九开关q9与第十一开关q11基于接收mcu控制电路140发送的第二控制信号导通；第二开关q2、第四开关q4、第六开关q6、第八开关q8、第十开关q10与第十二开关q12基于接收mcu控制电路140发送的第三控制信号导通。对于超级电容的数量的增加，只需要在上述情况下对应的增加mosfet管和串联电池组中电池的数量，并对应的连接起来即可，而具体的连接方式已被公开，在此不再赘述。
37.当mcu控制电路140发送第二控制信号时，第一电池dc1与第一超级电容c1并联，第二电池dc2与第二超级电容c2并联，第三电池dc3 与第三超级电容c3并联，第四电池dc4与第二超级电容c2并联，当mcu 控制电路140发送第三控制信号时，第一电池dc1与第二超级电容c2并联，第二电池dc2与第三超级电容c3并联，第三电池dc3与第二超级电容c2并联，第四电池dc4与第一超级电容c1并联，对于第一超级电容 c1与第三超级电容c3都是分别单独被一个电池并联、而第二超级电容c2 被两个电池并联，相应的第一超级电容c1和第三超级电容c3容易发生超过电容额定浪涌电压，对负载工作产生影响；对于第二超级电容c2容易超过电容额定电压，可能会损害电容使用寿命甚至击穿电容，影响整个负载的工作；同理，当mcu控制电路140发送第三控制信号时，相应的第一超级电容c1和第三超级电容c3容易发生超过电容额定浪涌电压，对负载工作产生影响；对于第二超级电容c2容易超过电容额定电压，可能会损害电容使用寿命甚至击穿电容，影响整个负载的工作，此时接入电路中的电容保护电路200可以解决上述问题。
38.相应的电容保护电路200设置了三个，并分别接入第一超级电容c1、第二超级电容c2与第三超级电容中，电容保护电路200包括浪涌电路210、电容电路220与选择开关230。其中浪涌电路210的第一端与电容电路220 的第一端连接，代替第一超级电容c1或第二超级电容c2或第三超级电容 c3被串联的第一端与电路连接，选择开关230包括公共端与不同的支路端，选择开关230的公共端与第一超级电容c1的负极连接，浪涌电路210的第二端、电容电路220的第二端分别与选择开关230不同的支路端连接，当 mcu控制电路140在发送第二控制信号时，第一超级电容c1与第三超级电容被两个电池并联时，mcu控制电路140还会发送第一控制信号给每个选择开关230，第一超级电容c1与第三超级电容c3连接的选择开关230 会导通公共端与浪涌电路210，吸收电路中产生的浪涌电压，实现第一超级电容c1与第三超级电容c3的浪涌保护，第二超级电容c2连接的选择开关130会导通公共端与电容电路220提高第二超级电容c2的耐压值，实现第二超级电容c2的过压保护，对于第二超级电容c2被两个电池并联时，也可以选择导通公共端与浪涌电路210，既提高第二超级电容c2的耐压值又可以实现浪涌电压的吸收。同理当mcu控制电路140在发送第三控制信号时，每个控制开关基于超级电容上并联的电池的个数来选择导通浪涌电路210或电容电路220。其中电容电路220具体为第三电容c4。
39.由于每个第二超级电容c2并联的电池数量分别与第一超级电容c1、第三超级电容c3不同，其产生的浪涌电压也不一致，则浪涌电路的电子元器件的参数也会不一致，所以浪
涌电路210包括第一浪涌电路240与第二浪涌电路250；第一浪涌电路240的第一端、第二浪涌电路250的第一端分别与电容电路220的第一端连接，第一浪涌电路240的第二端、第二浪涌电路250的第二端分别与选择开关230不同的支路端连接；第一浪涌电路的浪涌电压吸收值与第二浪涌电路的浪涌电压吸收值不同。第一浪涌电路 240包括第一电阻r1与第一电容c5，第一电阻r1与第一电容c5串联；第二浪涌电路250包括第二电阻r2与第二电容c6，第二电阻r2与第二电容 c6串联。
40.关于浪涌电路的设计：
41.施加在每个超级电容的最大电压为vmax(4.2v),和施加在电容器的最小电压为vmin(2.75v)，驱动负载的工作电流为iwork；
42.浪涌电路中的电阻r的取值为：
43.vmin/iwork《r《vmax/iwork；
44.对于浪涌电路中的电容c选择：
45.设定对超级电容c1\c2\c3的充电时间最大的为tmax，最小为tmin；
46.以超级电容c1\c2\c3相连的浪涌电路210中的电容的取值为：
47.iwork*tmin/vmax《c《iwork*tmax/vmin。
48.基于上述的计算，当电阻r的阻值一定时，充电时间可以作为选择不同浪涌电路的参考标准，其中充电时间对应mcu控制电路140发送的第二控制信号的持续时间或发送的第三控制信号的持续时间，将第二控制信号的持续时间或第三控制信号的持续时间带入上述公式，可以得出电容c的取值范围，相应的设置不同浪涌电路(如第一浪涌电路240与第二浪涌电路250)，实现对浪涌电压进行精确的控制，同时mcu控制电路140相应的发送第一控制信号，使其选择开关230选择对应的浪涌电路，此时mcu 控制电路140可以用不同的输出端给每个选择开关230发送信号，也可以用同一个输出端给每个选择开关230发送信号，当用同一个输出端时，可以根据连接的超级电容的实际情况，改变每个选择开关230的不同支路连接的电路(如第一浪涌电路240、第二浪涌电路250等的位置)也要发生改变，使其为使用同一个第一控制信号，也能得到想要的效果。对于mcu控制电路140的mcu控制器可设置pwm的占空比作为第一控制信号、第二控制信号与第三控制信号,实现超级电池并联一个电池或连个电池的控制与具体的超级电容的充电放电的时间控制以及选择开关230的切换。
49.当第二控制信号或第三控制信号控制开关阵列130导通，而电池充电时间较短时，电池对第一超级电容c1、第二超级电容c2与第三超级电容 c3充电时间较短时，可以选择不接浪涌电路210或电容电路220，短时间 (如0.5分钟)的超过额定电压对超级电容的影响较小，可在电容保护电路 200上连接一个短路电路260(相应的设置可以方便用户因手误启动负载工作，节省相关控制操作)，短路电路260可以是一段导线，短路电路260 的第一端与电容电路220的第一端连接，短路电路260的第二端与选择开关230不同的支路端连接；选择开关230被配置为基于接收到的第一控制信号选择导通公共端与其中一条支路端。
50.当然，电容保护电路200不仅仅用在锂电池均衡放电电路100上，还可以使用在其它具有超级电容的电路上，如没有使用到开关阵列130，电池组直接与超级电容组并联的电路，如飞度电容式均衡电路等其它均衡放电电路。
51.以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用
新型的保护范围。