一种超级电容模组自动投切及控制装置的制作方法

1.本实用新型属于电容模组投切控制技术领域，特别涉及一种超级电容模组自动投切及控制装置。


背景技术：

2.石油行业中，抽油机的往复运动中使能所产生的能量往往由耗能电阻消耗。随着超级电容的技术的发展应用，超级电容作为一种储能元件，广泛应用于风电、光伏、轨道交通及能源行业的装置能量回收。在能量回收过程中超容模组作为一种储能元件，根据系统存储及释放能量的需要，会比较频繁的投入系统或者从系统中断开以保证所属电网络的平衡。根据系统初始情况下给出特定的指令，决定超级电容模组是否投入系统运行，根据系统所需超容模组的数量对应确定的控制装置来匹配系统运行要求。
3.以上分析描述的超级电容模组投切控制方案是常见的方案，简单易行。但其自身存在如下问题：
4.1、超级电容模组是否能够投切所依赖的条件单一，如出现故障则无法运行，造成超容投切系统瘫痪；
5.2、一套装置只能对应一种应用场景，当系统发生变化时不能灵活配置，影响工作的连续性。
6.以上描述存在检测条件单一，匹配性差，影响正常工作连续性(生产效率)等问题。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种超级电容模组自动投切及控制装置，以解决上述问题。
8.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
9.一种超级电容模组自动投切及控制装置，包括电源转换模块、电路板、模拟量采样单元、485通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块、标志位选择模块和cpu；电源转换模块、模拟量采样单元、485通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块、标志位选择模块和cpu均设置在电路板上，且模拟量采样单元、485通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块和标志位选择模块均连接到cpu；电源转换模块连接分别连接到cpu、模拟量采样单元、485通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块和标志位选择模块。
10.进一步的，cpu还连接有状态指示模块，电源转换模块连接状态指示模块。
11.进一步的，电源转换模块外接24v电源输入；模拟量采样单元外接电机端电压、母线电压、模组电压和模组温度。
12.进一步的，485通讯模块外接上位机，数字量输入模块外接外部开关量输入，数字量输出模块外接外部开关量控制输出。
13.进一步的，电源转换模块包括板卡供电端子、第一电源转换模块、第二电源转换模块和第三电源转换模块，板卡供电端子、第一电源转换模块、第二电源转换模块和第三电源
转换模块依次连接。
14.进一步的，模拟量采样单元包括电压参考模块、交流电压采样端子、交流电压采样及调理模块、母线电压采样端子、母线电压采样及调理模块、模组电压采样端子、模组电压采样及调理模块、温度采样端子和温度采样及调理模块；交流电压采样端子连接交流电压采样及调理模块，交流电压采样及调理模块连接cpu；电压参考模块连接在第一电源转换模块和交流电压采样及调理模块之间；母线电压采样端子连接母线电压采样及调理模块，母线电压采样及调理模块连接cpu；模组电压采样端子连接模组电压采样及调理模块，模组电压采样及调理模块连接cpu；温度采样端子连接温度采样及调理模块，温度采样及调理模块连接cpu。
15.进一步的，标志位选择模块为硬件标志位产生模块，用于将电阻上拉至3.3v或下拉至gnd的方式给cpu的标注位io输入1或0电平。
16.进一步的，485通讯模块包括通讯端子和隔离485通讯模块；通讯端子连接隔离485通讯模块，隔离485通讯模块连接cpu。
17.进一步的，数字量输入模块包括数字量输出端子和隔离型数字量输出模块，数字量输出端子连接隔离型数字量输出模块，隔离型数字量输出模块连接cpu。
18.进一步的，数字量输出模块包括数字量输入接口和隔离型数字量输入模块，数字量输入接口连接隔离型数字量输入模块，隔离型数字量输入模块连接cpu。
19.与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：
20.本实用新型专利充分考虑上述情况，提出一种超级电容模组自动投切及控制装置，通过增加判断条件，增加配置灵活性，解决相关问题。该方案一方面可通过通讯配置装置中的寄存器，改变相关量比较门限值及通路的方法，可以适应不同的系统配置而不改变装置本身的硬件配置；另一方面，除了可根据系统给定的特定投切命令控制超容模组外，还可以通过检测电机端电压的方式判断系统是否装备好并允许超容模组投切。此实用新型具有配置灵活，低成本，保证系统连续运行等特点。
21.本实用新型可以实现在硬件相同的情况下，根据现场应用环境的不同从上位机灵活配置装置内寄存器的设定值从而适配不同的场景。如，对接入模组的数量进行设置，对系统过欠压门限进行调制，对模组温度保护阈值进行设置等。此装置具有配置灵活，低成本，运维效率高等特点，通过判断电机端电压的方式保证整个系统不停机持续运行；通过通讯下发配置的方式使得系统具备配置灵活，低成本，运维效率高等特点。
附图说明
22.图1为本实用新型结构框图。
23.图2为本实用新型结构详细连接图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本实用新型进一步说明：
25.请参阅图1至图2，本实用新型的创新点在于能根据电容模组所适配的系统，通过检测及通讯设置进行自动投切，并在运行过程中实施监测系统状态及模组运行状态。
26.1.如图1所示为一种超级电容模组自动投切及控制装置的总图，包括：
27.其通过电源转换模块2将外部的24v电源经过隔离电源模块转换成供cpu7，模拟量采样单元3，485通讯模块4，数字量输入模块5，数字量输出模块6，标志位选择模块8及状态指示模块9供电。装置上电后通过数字量输入模块5反馈的开关状态判断是否需要工作，需要工作的话根据采样到的模拟量你状态量判断系统是否有故障，在无故障的状态下cpu根据标志位选择模块8的输入确定通过外部给定启动软起还是通过检测电机端电压启动软起。软起时实时监测母线电压，模组电压，模组温度及开关量状态，待软起结束后切入正常运行模式，在此期间cpu一直检测各量的状态，并通过通讯模块4与后台实时交互，显示当前状态。在工作过程中不断会有模组切入切出的条件，整个装置通过预设的参考值判断是否该投切模组并自动完成投切工作并在有故障时自动切出并告警指示。其子模块功能包括：
28.(1)超级电容模组自动投切及控制体装置印刷电路板：做为功能的载体，按照设计方案将所有器件集中起来。
29.(2)电源转换模块：完成将24v转换为正负15v采样调理模块供电，再将正15v转换为5v为通讯模块供电，再将5v转换为3.3v为cpu及其外围电路供电。
30.(3)模拟量检测调理模块：完成三相电压采样调理作为判断超容是否能够投切的判断依据，完成母线电容的采样调理作为充电系统能够正常运行的依据，完成模组电压采样调理，作为软起过程的依据及模块状态判断的依据，完成模组温度采样调理作为模组状态判断的依据。
31.(4)485通讯模块：将cpu采集到的系统数据通过modbus rtu协议传送给上位机或者后台，并为后台或上位机对此装置进行变量设置提供接口。
32.(5)数字量输入转换模块：将系统中开关量的状态通过此模块经过光耦隔离输入，作为cpu机型状态判断的依据。
33.(6)数字量输出模块：根据cpu的指令通过光耦隔离及继电器输出的方式对系统的开关器件机型控制。
34.(7)cpu：作为装置的控制中心，将输入的模拟量信号与预先设置的参考值进行比较，并结合数字量输入模块的输入信号综合判断系统状态，并通过通讯的方式将此状态上传至上位机，根据预先设定的调制控制数字量输出模块从而控制整个系统中的开关器件及功率器件。
35.(8)标志位选择模块：通过电阻上下拉的方式为cpu输入高低电平对应不同的启动判断条件。0电平代表检测数字量输入标志位，1电平代表检测机侧三相电压值标志位。此标志位亦可由上位机通过485通讯模块下发，当由上位机使能时，硬件选择方式失效。
36.(9)状态指示模块：用led指示系统的运行状态，不同的状态对应不同的灯及闪烁方式，此状态通过485通讯模块可以同步后台显示。
37.超级电容自动投切及控制装置布局如图2所示，其中分为22个功能单元，每个功能单元之间的连接如图2所示，详细的工作原理如下描述：
38.10为24v电源，一部分直接给数字量输入端子29、数字量输入模块30的光耦原边、数字量输出端子27以及数字量输出模块中光耦隔离后的副边供电；另一部分通过24v转正负15v模块11为采样检测调理模块16、18、20、22以及后级需要的转5v电源模块12供电。同时经过电压参考模块14将正15v转换为3.3v的参考电源为采样调理模块提供参考电源。15v转5v电源模块12为5v转3.3v电源转换模块13提供电源，3.3v的输出为cpu模块24及数字量输
入模块30、数字量输出模块28及通讯模块26提供电源。三相交流接线端子15及交流电压采样调理模块16共同组成了交流电压采样调理通道，接入cpu24进行条件判断。母线电压采样接线端子17及母线电压采样调理模块18共同构成了母线电压采样调理通道，接入cpu24进行条件判断及状态监测。模组电压采样接线端子19及模组电压采样调理模块20共同构成了模组电压采样调理通道，接入cpu24进行条件判断及状态监测。模组温度采样接线端子21及模组温度采样调理模块22共同构成了模组温度采样调理通道，接入cpu24进行条件判断及状态监测。硬件标志位产生模块23连接至cpu24给出确定的标志位。通讯接线端子25及通讯模块26共同组成了485通讯通道，接入cpu24完成上位机数据的上传，下发。数字量输入接线端子29及数字量输入模块30共同构成了外部系统状态信息的检测并接入cpu24进行状态监测及判断。数字量输出接线端子27及数字量输出模块28共同构成了数字量输出通道，由cpu24发出命令，从而控制外部系统各功率器件及开关器件。
39.(10)板卡供电端子：为整个板卡提供24v输入电源及io控制电源；
40.(11)电源转换模块1：24v转正负15v隔离电源，为电压采样检测功能，及5v供电提供电源；
41.(12)电源转换模块2:15v转5v模块，为温度检测模块及3.3v供电提供电源；
42.(13)电源转换模块3:5v转3.3v模块，为控制器及其外围电路提供电源；
43.(14)电压参考模块：15v转3.3v电压参考，为交流采样提供参考电源；
44.(15)交流电压采样端子：为交流电压的接入提供入口；提供a/b/c三相接口；
45.(16)交流电压采样及调理模块：将接入的交流电压通过高阻差分采样、比例缩放、参考抬升至cpu可采样的范围；
46.(17)母线电压采样端子：为系统的母线电压接入提供busp和busn接口；
47.(18)母线电压采样及调理模块：将接入的直流电压通过高阻差分采样、比例缩放、参考抬升至cpu可采样的范围(可采集负电压信号)；
48.(19)模组电压采样端子：为超级电容模组的总电压及各个模组的电压采样接入提供接口，至少可支持6路模组电压采样；
49.(20)模组电压采样及调理模块：将接入的模组电压通过高阻差分采样、比例缩放至cpu可采样的范围；
50.(21)温度采样端子：为模组温度传感器及环境温度传感器提供接口；
51.(22)温度采样及调理模块；将温度传感器的信号进行桥式变换，并缩放至cpu能采样的范围；(可支持各类ntc或pt100温度传感器)
52.(23)硬件标志位产生模块：通过将电阻上拉至3.3v或下拉至gnd的方式给cpu的标注位io输入1或0电平；
53.(24)控制cpu：通过标志位选择端口的值确认启动判断条件，根据启动判断条件控制数字量输出控制端口指导自动投切器件的闭合及分断。在整个装置运行过程中实时监测模组的电压，温度，工作条件及系统各开关的状态反馈让系统工作在自动投切状态。实时与上位机通讯，显示系统状态。
54.(25)通讯端子：为后台或上位机通讯提供485接口；
55.(26)隔离485通讯模块：为485的差分信号与控制cpu之间提供通道；实现上位机或后台实时监测系统状态，系统参数配置，实现软件标志位的后台设定。
56.(27)数字量输出端子：为系统需要控制的功率器件提供接口；
57.(28)隔离型数字量输出模块：将cpu输出的电平信号转换为功率器件需要的有足够带载能力的信号；分为继电器输出型和晶体管集电极开路输出型；
58.(29)数字量输入接口：为系统中开关器件的状态反馈提供输入接口；
59.(30)隔离型数字量输入模块：将系统输入的状态信号通过光耦隔离的方式转换为cpu能接收的电平信号；
60.(31)状态指示模块：已led的不同闪烁方式代表不同的故障类型。