一种用于超级电容模组的两级式平衡电路的制作方法与工艺

本发明涉及一种两级式平衡电路，尤其涉及一种用于超级电容模组的两级式平衡电路。

背景技术：
风力发电机组运行过程中，当风速、风向等发生变化时，需要通过变桨系统来改变桨距角等参数，以保证系统最优运行，安全运行。其中风力发电是指利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。变桨系统是指用于控制风车的叶片（桨叶）角度来达到控制风车的输出功率或者停机的目的的一套控制系统。变桨系统需有储能模组提供动力。目前主流储能模组有蓄电池模组和超级电容器模组两种，其中超级电容模组是指将许多超级电容通过串联或并联等方式组合在一起使用的组合。蓄电池模组充放电特性差、充放电电流不能太大、低温特性差，循环寿命短，一般两年就要维护，在100米高的风机上，维护成本极高。相较于蓄电池模组，超级电容器模组具有充放电特性很好、可大电流充放电，温度特性好，循环寿命超长，可10年免维护的优点。因此超级电容模组已经慢慢成为应用主流。由于每一个超级电容单体之间因为生产材料等种种原因会导致超级电容单体的容量、漏电流，等效电阻等参数有差异，以致在使用的过程中会使得不同单体之间出现电压偏差，因此必需采取电压均衡技术将所有超级电容的电压保持均衡后方可投入实际应用。针对上述问题，现有的解决方案是单级主动平衡式方案：如图1所示，超级电容单体的电压经分压后送到可控精密稳压源U1的R端，当该分压值在2.5V以下时，电路认定工作正常，不对充放电进行干预；当该分压值大于等于2.5V时，将通过三极管Q2对超级电容单体通过R9进行放电，从而达到泄放的目的。上述方案的缺点是超级电容的电压一旦超过规定值，就会引起系统过压报警，从而需要人为干预判断。风电场通常设计在环境较恶劣的地方，如果出现误报警，需要人为到现场检查，变桨系统安装在距地面100米左右的高空，检查极为不方便且成本高昂。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于超级电容模组的两级式平衡电路，以实现精确的控制每一个超级电容的电压值，减少系统的能耗，并且排除现有技术中的电压达到规定值时的误报警问题，以便降低风力发电系统的维护成本。为实现上述目的，本发明提出了一种可泄放能量的电路，该电路包括：用于连接外部储能器件的第一连接端和第二连接端；泄放采样电路单元，用于通过上述第一连接端和第二连接端进行电压采样，并对泄放对比电路单元发送采样得到的第一采样电压；泄放对比电路单元，用于提供第一基准电压，将来自泄放采样电路单元的第一采样电压与该第一基准电压进行比较，并且在第一采样电压大于该第一基准电压时产生针对泄放开关电路单元的第一触发信号；泄放开关电路单元，用于接收来自泄放对比电路单元的第一触发信号，并根据该第一触发信号使其开关电路导通以为泄放电路单元提供泄放触发信号；泄放电路单元，用于接收来自泄放开关电路单元的泄放触发信号，并根据该泄放触发信号对外部储能器件进行能量的泄放。本发明的该方案的有益效果在于通过上述泄放采样电路单元，能够对外部储能器件进行电压采样，并且当该器件的电压值超过规定值时，本发明所涉及的泄放电路单元能够对其进行能量的泄放，从而实现了对其电压的精确控制。优选的是，所述泄放采样电路单元包括第一电阻，第二电阻，第三电阻，其中第一电阻，第二电阻与第三电阻串联，该串联电路的两端形成第一连接端和第二连接端，从第二电阻与第三电阻之间引出连线连接至泄放对比电路单元。优选的是，泄放对比电路单元包括第一可控精密稳压源，其中第一可控精密稳压源的输入端连接至上述第二连接端，第一可控精密稳压源的输出端连接至泄放开关电路单元，第一可控精密稳压源能够提供精准的第一基准电压。优选的是，从第二电阻与第三电阻之间引出第一电容连接至第一可控精密稳压源的输出端，该第一电容用于滤波，起防干扰作用。优选的是，泄放开关电路单元包括第四电阻，第五电阻，第六电阻，第七电阻，第八电阻，第九电阻，第十电阻，第一三极管和第一发光二极管，其中第四电阻与上述第一连接端相连，并通过第五电阻连接至第一三极管的基极，并且从第一三极管的基极引出第六电阻连接至上述第二连接端，第一三极管的发射极连接至上述第一连接端，第一三极管的集电极通过第八电阻以及第一发光二极管连接至上述第二连接端，从泄放采样电路单元的第二电阻与第三电阻之间引出的第七电阻连接至第一三极管的集电极，之后通过第十电阻连接至第一达林顿晶体管的基极，并且从第七电阻与第十电阻的连接处引出第九电阻连接至上述第二连接端，本方案中的第一发光二极管用于当外部储能器件过压时，发光报警。优选的是，泄放电路单元包括第十一电阻，第十二电阻，第一达林顿晶体管，第二三极管，其中第一达林顿晶体管的基极与上述第十电阻相连，第一达林顿晶体管的集电极连接至上述第一连接端，第一达林顿晶体管的发射极通过并联的第十一电阻和第十二电阻连接至上述第二连接端，第二三极管的基极连接至第一达林顿晶体管的发射极，第二三极管的集电极连接至第一达林顿晶体管的基极，第二三极管的发射极连接至上述第二连接端，本方案中的第二三极管对第一达林顿晶体管进行控制，实现动态调节泄放电流的功能，第一达林顿晶体管成本较低，具有放大作用且其上限电流值较大，能够满足本系统的要求。优选的是，还包括报警电路单元，该报警电路单元连接在上述第一连接端与第二连接端之间，该报警电路单元包括告警部分；报警采样电路部分，用于通过上述第一连接端和第二连接端进行电压采样，并对报警对比电路部分发送采样得到的第二采样电压，该第二采样电压小于同一时刻的第一采样电压；报警对比电路部分，用于提供第二基准电压，将来自报警采样电路部分的第二采样电压与该第二基准电压进行比较，并且在第二采样电压大于第二基准电压时对报警开关电路部分发送第二触发信号；报警开关电路部分，用于接收来自报警对比电路部分的第二触发信号，并根据该第二触发信号使其开关电路导通以驱动告警部分。优选的是，所述报警电路单元包括：第十三电阻，第十四电阻，第十五电阻，第十六电阻，第十七电阻，第十八电阻，第十九电阻，第二可控精密稳压源，第二发光二极管，第三三极管，第三连接端和第四连接端，其中第十三电阻，第十四电阻，第十五电阻串联，该串联电路连接在上述第一连接端与第二连接端之间，从第十四电阻与第十五电阻之间引出第二可控精密稳压源，第二可控精密稳压源的输入端连接至第四连接端，第二可控精密稳压源的输出端通过第十六电阻连接至上述第一连接端，从第二可控精密稳压源的输出端与第十六电阻之间引出第十七电阻连接至第三三极管的基极，并且从第三三极管的基极引出第十八电阻连接至第四连接端，第三三极管的发射极连接至上述第一连接端，第三三极管的集电极通过第二发光二极管以及第十九电阻连接至第三连接端。优选的是，从第十四电阻与第十五电阻之间引出第二电容连接至第二可控精密稳压源的输出端，该第二电容用于滤波，起防干扰作用。附图说明图1示出了现有技术中的常用单级主动平衡式均压电路图。图2示出了本发明涉及的两级式平衡电路的框图。图3示出了本发明的具体实施方式涉及的两级式平衡电路图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。如图2所示，依照本发明的具体实施方式涉及泄放采样电路单元10，泄放对比电路单元20，泄放开关电路单元30，泄放电路单元40以及报警电路单元50。其中泄放采样电路单元10包括第一连接端101和第二连接端102，报警电路单元50包括第三连接端501和第四连接端502。在具体的实施过程中，如图3所示，泄放采样电路单元10包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第一连接端101和第二连接端102。第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3串联，该串联电路的两端形成第一连接端101和第二连接端102，第二电阻R2与第三电阻R3之间的A点连接至第一可控精密稳压源U1。泄放对比电路单元20包括第一可控精密稳压源U1。第一可控精密稳压源U1的输入端连接至上述第二连接端102，第一可控精密稳压源U1的输出端通过第四电阻R4连接至第一连接端101。泄放采样电路单元10与泄放对比电路单元20之间还连接了第一电容C01，该第一电容C01连接在A点与B点之间，其中B点在第一可控精密稳压源U1的输出端与第四电阻R4之间。泄放开关电路单元30包括第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第十电阻R10，第一三极管Q1和第一发光二极管LED1。从B点引出第五电阻R5连接至第一三极管Q1的基极，并且从第一三极管Q1的基极引出第六电阻R6连接至第二连接端102，第一三极管Q1的发射极连接至第一连接端101，第一三极管Q1的集电极通过第八电阻R8以及第一发光二极管LED1连接至第二连接端102，从A点连接出的第七电阻R7连接至第一三极管Q1的集电极，之后通过第十电阻R10连接至第一达林顿晶体管Q2的基极，并且从第七电阻R7与第十电阻R10的连接处引出第九电阻R9连接至第二连接端102。泄放电路单元40包括第十一电阻R11，第十二电阻R12，第一达林顿晶体管Q2和第二三极管Q3。第一达林顿晶体管Q2的基极与第十电阻R10相连，第一达林顿晶体管Q2的集电极连接至第一连接端101，第一达林顿晶体管Q2的发射极通过并联的第十一电阻R11和第十二电阻R12连接至第二连接端102，第二三极管Q3的基极连接至第一达林顿晶体管Q2的发射极，第二三极管Q3的集电极连接至第一达林顿晶体管Q2的基极，第二三极管Q3的发射极连接至第二连接端102。报警电路单元50包括第十三电阻R13，第十四电阻R14，第十五电阻R15，第十六电阻R16，第十七电阻R17，第十八电阻R18，第十九电阻R19，第二可控精密稳压源U2，第二电容C02，第二发光二极管D1，第三三极管Q4，第三连接端501和第四连接端502。第十三电阻R13，第十四电阻R14，第十五电阻R15串联，该串联电路连接至上述第一连接端101和第二连接端102之间，第十四电阻R14与第十五电阻R15之间的C点连接至第二可控精密稳压源U2，第二可控精密稳压源U2的输入端连接至第四连接端502，第二可控精密稳压源U2的输出端通过第十六电阻R16连接至第一连接端101，第二电容C02连接在C点与D点之间。其中D点在第二可控精密稳压源U2的输出端与第十六电阻R16之间。从D点引出第十七电阻R17连接至第三三极管Q4的基极，并且从第三三极管Q4的基极引出第十八电阻R18连接至第四连接端502，第三三极管Q4的发射极连接至第一连接端101，第三三极管Q4的集电极通过第二发光二极管D1以及第十九电阻R19连接至第三连接端501。报警电路单元50也能够像前述电路一样划分报警采样电路部分，报警对比电路部分以及报警开关电路部分。在具体的实施过程中，超级电容不能使其充电电压超过规定的使用上限值。如果超过该上限值，超级电容将会发生损坏，同时为了使超级电容的容量能够最大限度的利用，一般在使用时，都会把超级电容的最大电压设定在接近其最大使用值附近，因此需要对超级电容进行精准的电压控制。充电机对超级电容进行充电时，采用恒流直充和恒压浮充的方式，在超级电容的电压较低时，用恒流大电流充电，当超级电容的电压接近规定值时，改用恒压浮充的方式，本发明采用的电流在恒流充电阶段仅检测电压，因此基本没有功率损耗。当超级电容的电压接近规定值时，将智能判断充电情况，然后决定是否需要泄放能量。其具体的实施过程如下：第一电阻R1，第二电阻R2和第三电阻R3对连接到第一连接端101和第二连接端102的超级电容的电压进行分压，对超级电容的电压进行采样，之后将采样得到的A点的第一采样电压与第一可控精密稳压源U1提供的高精度第一基准电压进行对比，当超级电容的电压值超过规定值时，该第一采样电压会高于第一基准电压，使得第一可控精密稳压源U1导通，拉低B点电压值，使得第一三极管Q1导通，进而使得第一达林顿晶体管Q2导通，将第十一电阻R11与第十二电阻R12组成的并联电路接于超级电容的两端，构成泄放回路。当第一三极管Q1导通时，会使得第一发光二极管LED1发光报警，但是此条支路的报警仅用于内部测试时使用。对于泄放电流大小的控制可通过第二三极管Q3控制第一达林顿晶体管Q2来实现，之所以采用第一达林顿晶体管Q2是因为其成本较低并且该器件具有放大作用，且其上限电流值较大，满足本发明涉及的两级式平衡电路的需求。当超级电容的电压超过规定电压很大时，第二三极管Q3的集电极给第一达林顿晶体管Q2的基极反馈第一控制电压，使得泄放电流升高；当超级电容的电压超过规定电压较小时，第二三极管Q3的集电极给第一达林顿晶体管Q2的基极反馈第二控制电压，使得泄放电流降低，实现了动态调整泄放电流的目的。同时根据系统的最大充电电流，设定了最大泄放电流。当对超级电容的过电压进行泄放之后，超级电容的电压仍然超过规定值，说明该超级电容或是上述电路发生了过压故障，此时运用报警电路单元50输出报警信号，其过程是：通过第十三电阻R13，第十四电阻R14，第十五电阻R15对该过电压进行分压，对超级电容的过电压进行采样，之后将采样得到的C点的第二采样电压与第二可控精密稳压源U2提供的高精度第二基准电压进行对比，当超级电容的电压值超过规定值时，该第二采样电压会高于第二基准电压，第二可控精密稳压源U2导通，拉低D点电压值，使得第三三极管Q4导通，进而使得第二发光二极管D1发光报警，该报警信号将通过第三连接端501和第四连接端502输出。在具体的实施过程中，第一可控精密稳压源U1和第二可控精密稳压源U2可用TL431，第一三极管Q1和第三三极管Q4可用MMBT5401，第一达林顿晶体管Q2可用MID122，第二三极管Q3可用MMBT3904。本发明涉及的用于超级电容模组的两级式平衡电路可以对每一个超级电容的电压进行精准测量；对于超级电容的充电过程，只在超级电容的电压接近规定值时，才会造成一些能量损耗，因为在超级电容的电压接近规定值时，将智能判断充电情况，然后决定是否需要泄放能量，在泄放的过程中，还能动态调整泄放电流，从而使得整体方案的能耗相较于现有技术大大降低；针对现有技术中的误报警情况，即：只要充电电压达到规定值，就要执行：一方面启动泄放电路，另一方面立即向系统发送一个过压信号，从而需要人为的干预，看超级电容是否发生损坏或者其它故障情况，本发明采用了报警电路单元50，使得泄放回路的启动信号和对外的报警信号分开，只有当已经发生了泄放并且超级电容的电压值仍然超过规定值的情况下，才说明确实是发生了过压故障，从而大大降低了误报警的概率。因为就泄放采样电路单元10，泄放对比电路单元20，泄放开关电路单元30以及泄放电路单元40而言，发生上述误报警的可能性非常高，基本上只要充电到达就会报警。本发明涉及的两级式平衡电路，不管采用何种方式，只要将上述泄放电路单元40与报警电路单元50分开进行处理，从而达到防止误报警的目的，均属本发明的保护范围。