一种模块化的法拉电容电能存储与释放控制装置

本发明涉及电化学储能，尤其涉及一种模块化的法拉电容电能存储与释放控制装置。

背景技术：

1、近年来，随着智能化需求的不断上升，人们不断加快电能驱动的小型机器人的技术进步。小型电动机器人上的移动电源是至关重要的一个环节。当前对电动机器人的电源设计，主要是考虑其极限功率大小，附加冗余功率，作为电源的最大功率。此类方案电源的输出不够平稳，负载功率需求变化立即引起电源功率输出变化，对于机械狗、作战无人车等系统，瞬时、短期的高功率需求，可能导致电源研发的成本剧增，甚至在实际工作过程中引起电源的损坏。

2、目前，现有的电源功率调度控制方法中，直接设计高功率电源比较可靠，但是导致研发成本剧增；在特殊工况利用外接电源补偿会对机器本身产生运动束缚。因此，可以利用法拉电容存储冗余功率并稳定输出的功率调度与控制模块具有显著的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种模块化的法拉电容电能存储与释放控制装置。

2、为实现上述发明目的，本发明提供一种模块化的法拉电容电能存储与释放控制装置，包括：输出采样与控制单元、输出载流单元和法拉电容组储能单元；

3、所述输出采样与控制单元与所述输出载流单元采用紧固件可拆卸的叠放设置，且所述输出采样与控制单元与所述输出载流单元采用接线端子实现相互电连接；

4、所述法拉电容组储能单元采用导线与所述输出载流单元相互电连接；

5、所述输出采样与控制单元包括：第一基板，设置在所述第一基板上的负载电流采样模块、法拉电容电流采样模块、电源电流采样模块、can通信驱动模块、工作状态指示模块、二极管控制模块、主控及其外围电路模块、接口模块、电压采样调理模块、5v稳压输出模块、3.3v稳压输出模块、12v稳压输出模块、防反冲模块、电源滤波模块、输出载流单元电源接口和输出载流单元板通信接口；

6、所述负载电流采样模块、所述法拉电容电流采样模块、所述电源电流采样模块、所述can通信驱动模块、所述工作状态指示模块、所述接口模块、所述电压采样调理模块和输出载流单元板通信接口分别与所述主控及其外围电路模块相连接；

7、所述二极管控制模块分别与所述电源电流采样模块和所述防反冲模块相连接；

8、所述电压采样调理模块分别与所述法拉电容电流采样模块和所述电源电流采样模块相连接；

9、所述防反冲模块分别与所述5v稳压输出模块和所述12v稳压输出模块相连接；

10、所述5v稳压输出模块与所述3.3v稳压输出模块相连接。

11、根据本发明的一个方面，所述负载电流采样模块包括：负载电流采样电路和负载电流采样接口电路；

12、所述负载电流采样电路和所述负载电流采样接口电路相连接；

13、所述负载电流采样电路包括：电流灵敏放大器adc_cha、电阻r1、电感l3、电容c7和电容c8；

14、所述电阻r1相对的两端分别与所述电流灵敏放大器adc_cha的引脚out和所述电容c8相连接，所述电容c8的另一端与模拟地agnd相连接；

15、所述电容c7的一端与所述电流灵敏放大器adc_cha的引脚ref2和vs引脚相连接，另一端与所述模拟地agnd相连接；

16、所述电感l3一端与所述电流灵敏放大器adc_cha的引脚ref2和vs引脚相连接，另一端与短路点a3v3相连接；

17、所述电流灵敏放大器adc_cha的引脚ref1和引脚gnd分别与所述模拟地agnd相连接，其引脚in+与短路点c_out+相连接，其引脚in-与短路点c_out-相连接；

18、所述负载电流采样接口电路包括：连接器chasis、电阻r4；

19、所述连接器chasis的负极与电源地gnd相连接，其正极与所述电阻r4相连接；

20、所述电阻r4与所述连接器chasis相连接的一端与所述短路点c_out-相连接，其另一端分别与所述短路点c_out+和连接孔hole1相连接；

21、所述法拉电容电流采样模块包括：电容电流采样电路和电容电流采样接口电路；

22、所述电容电流采样电路和所述电容电流采样接口电路相连接；

23、所述电容电流采样电路包括：电流灵敏放大器adc_cap、电阻r2、电感l4、电容c9和电容c10；

24、所述电阻r2相对的两端分别与所述电流灵敏放大器adc_cap的引脚out和所述电容c10相连接，所述电容c10的另一端与所述模拟地agnd相连接；

25、所述电容c9的一端与所述电流灵敏放大器adc_cap的引脚ref2和vs引脚相连接，另一端与所述模拟地agnd相连接；

26、所述电感l4一端与所述电流灵敏放大器adc_cap的引脚ref2和vs引脚相连接，另一端与所述短路点a3v3相连接；

27、所述电流灵敏放大器adc_cap的引脚ref1和引脚gnd分别与所述模拟地agnd相连接，其引脚in+与短路点c_cap+相连接，其引脚in-与短路点c_cap-相连接；

28、所述电容电流采样接口电路包括：连接器capacitor、电阻r5；

29、所述连接器capacitor的负极分别与所述电源地gnd和短路点v_cap-相连接，其正极与所述电阻r5相连接；

30、所述电阻r5与所述连接器capacitor相连接的一端分别与所述短路点c_cap+和短路点v_cap+相连接，其另一端分别与所述短路点c_cap-和连接孔hole2相连接；

31、所述电源电流采样模块包括：电源电流采样电路和电源电流采样接口电路；

32、所述电源电流采样电路和所述电源电流采样接口电路相连接；

33、所述电源电流采样电路包括：电流灵敏放大器adc_sou、电阻r3、电感l5、电容c11和电容c12；

34、所述电阻r3相对的两端分别与所述电流灵敏放大器adc_sou的引脚out和所述电容c12相连接，所述电容c12的另一端与所述模拟地agnd相连接；

35、所述电容c11的一端与所述电流灵敏放大器adc_sou的引脚ref2和vs引脚相连接，另一端与所述模拟地agnd相连接；

36、所述电感l5一端与所述电流灵敏放大器adc_sou的引脚ref2和vs引脚相连接，另一端与所述短路点a3v3相连接；

37、所述电流灵敏放大器adc_sou的引脚ref1和引脚gnd分别与所述模拟地agnd相连接，其引脚in+与短路点c_in+相连接，其引脚in-与短路点c_in-相连接；

38、所述电源电流采样接口电路包括：连接器source、电阻r6；

39、所述连接器source的负极分别与所述电源地gnd和短路点v_in-相连接，其正极与所述电阻r6相连接；

40、所述电阻r6与所述连接器source相连接的一端分别与所述短路点c_in+和短路点v_in+相连接，其另一端分别与所述短路点c_in-和短路点diode_in相连接。

41、根据本发明的一个方面，所述can通信驱动模块包括：第一通信电路、第二通信电路、第一通信接口电路和第二通信接口电路；

42、所述第一通信电路包括：总线芯片can1、电阻r7和电容c13；

43、所述总线芯片can1的引脚rs与电源地gnd相连接，其引脚canh和引脚canl分别与所述电阻r7的两端相连接；

44、所述总线芯片can1的引脚gnd与所述电源地gnd相连接，其引脚vcc与短路点3v3相连接；

45、所述电容c13相对的两端分别与所述总线芯片can1的引脚gnd和引脚vcc相连接；

46、所述第二通信电路包括：总线芯片can2、电阻r8和电容c14；

47、所述总线芯片can2的引脚rs与所述电源地gnd相连接，其引脚canh和引脚canl分别与所述电阻r8的两端相连接；

48、所述总线芯片can2的引脚gnd与所述电源地gnd相连接，其引脚vcc与所述短路点3v3相连接；

49、所述电容c14相对的两端分别与所述总线芯片can2的引脚gnd和引脚vcc相连接；

50、所述第一通信接口电路包括：通信接口can1_1和通信接口can1_2；

51、所述通信接口can1_1与所述电阻r7的相对两端相连接，所述通信接口can1_2与所述电阻r7的相对两端相连接；

52、所述第二通信接口电路包括：通信接口can2_1和通信接口can2_2；

53、所述通信接口can2_1与所述电阻r8的相对两端相连接，所述通信接口can2_2与所述电阻r8的相对两端相连接；

54、所述工作状态指示模块包括：场效应管q1、场效应管q2、场效应管q3、场效应管q4、电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电阻r24、电阻r25、开关二极管d1、三色发光二极管d2和无源蜂鸣器buzzer；

55、所述场效应管q1的d极与所述开关二极管d1相连接，g极与所述电阻r22的一端相连接，所述电阻r22的另一端与所述电源地gnd相连接；

56、所述电阻r19一端与所述三色发光二极管d2相连接，另一端与所述场效应管q2的d极相连接，所述场效应管q2的g极与所述电阻r23的一端相连接，所述电阻r23的另一端与所述电源地gnd相连接；

57、所述电阻r20一端与所述三色发光二极管d2相连接，另一端与所述场效应管q3的d极相连接，所述场效应管q3的g极与所述电阻r24的一端相连接，所述电阻r24的另一端与所述电源地gnd相连接；

58、所述电阻r21一端与所述三色发光二极管d2相连接，另一端与所述场效应管q4的d极相连接，所述场效应管q4的g极与所述电阻r25的一端相连接，所述电阻r25的另一端与所述电源地gnd相连接；

59、所述场效应管q1的s极、所述场效应管q2的s极、场效应管q3的s极和所述场效应管q4的s极均与所述电源地gnd相连接；

60、所述二极管控制模块包括：热交换电压控制器u12，场效应管q5、电阻r30和电容c42；

61、所述热交换电压控制器u12的引脚out与所述场效应管q5的d极相连接，其引脚gate与所述场效应管q5的g极相连接，其引脚in与所述场效应管q5的s极相连接；

62、所述电阻r30相对的两端分别与所述热交换电压控制器u12的引脚out和引脚vs相连接；

63、所述电容c42的两端分别与所述热交换电压控制器u12的引脚vs和引脚off相连接，且所述热交换电压控制器u12的引脚cnd和引脚off与所述电源地gnd相连接。

64、根据本发明的一个方面，所述主控及其外围电路模块包括：微控制单元g474ret6、晶振电路、复位电路、第一外围电路和发光二极管operating；

65、所述晶振电路包括：有源晶振x1、电容c1；其中，所述有源晶振x1的引脚gnd与所述电源地gnd相连接，其引脚out与所述微控制单元g474ret6的引脚pf0-osc_in相连接；

66、所述电容c1相对的两端分别与所述有源晶振x1的引脚vcc和所述电源地gnd相连接，且所述电容c1与所述有源晶振x1的引脚vcc相连接的一端与所述短路点3v3相连接；

67、所述复位电路包括：复位开关reset、电容c2；其中，所述复位开关reset相对的两端分别与所述微控制单元g474ret6的引脚pg10-nrst和所述电源地gnd相连接；

68、所述电容c2与所述复位开关reset并联设置；

69、所述第一外围电路包括：电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电感l1和电感l2；其中，所述电感l1的一端分别与所述电容c3、所述电容c4、所述电容c5、所述电容c6和所述微控制单元g474ret6的引脚vssa相连接，所述电感l1的另一端与所述模拟地agnd相连接；所述电容c3、所述电容c4的另一端与所述微控制单元g474ret6的引脚vref+相连接，所述电感l2一端分别与所述电容c5和所述电容c6相连接，另一端与所述短路点3v3相连接；

70、所述发光二极管operating的阳极与所述微控制单元g474ret6的引脚pb3相连接，阴极与所述电源地gnd相连接；

71、所述接口模块包括：程序写入接口program、调试接口debug和显示器接口oled；

72、所述程序写入接口program、调试接口debug和显示器接口oled分别与所述微控制单元g474ret6相连接；

73、所述电压采样调理模块包括：第一电路部分和第二电路部分；

74、所述第一电路部分包括：第一运算放大器u7.1、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r14和电容c15；

75、所述第一运算放大器u7.1的反向输入端与所述电阻r9相连接，其同向输入端与所述电阻r11、电阻r12相连接；

76、所述电阻r10的相对两端分别与所述第一运算放大器u7.1的输出端和所述电容c15相连接；

77、所述电阻r14相对的两端分别与所述第一运算放大器u7.1的反向输入端和输出端相连接；

78、所述第二电路部分包括：第二运算放大器u7.2、电阻r13、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电感l6、电容c16和电容c17；

79、所述第二运算放大器u7.2的反向输入端与所述电阻r15相连接，其同向输入端与所述电阻r16、电阻r17相连接；

80、所述电阻r13的相对两端分别与所述第二运算放大器u7.2的输出端和所述电容c16相连接；

81、所述电阻r18相对的两端分别与所述第二运算放大器u7.2的反向输入端和输出端相连接；

82、所述第二运算放大器u7.2的vcc端与所述电感l6和所述电容c17相连接；

83、所述5v稳压输出模块包括：电源芯片5vout、电容c22、电容c23、电容c24、电容c26、电容c28、电容c40、电容c41、电阻r31、电阻r32、功率电感u14和肖特基二极管d4；

84、所述电源芯片5vout的引脚gnd和引脚on/off与所述电源地gnd相连接；

85、所述电阻r31的相对两端分别与所述电源芯片5vout的引脚fb和所述电容c22的一端相连接，所述电容c22的另一端与所述电源地gnd相连接；

86、所述电容c40与所述电阻r31并联连接；

87、所述电容c26和所述电容c28分别与所述电容c22并联连接；

88、所述肖特基二极管d4相对的两端分别与所述电源芯片5vout的引脚out和所述电源地gnd相连接；

89、所述功率电感u14相对的两端分别与所述电源芯片5vout的引脚out和所述电容c22连接所述电阻r31的一端相连接；

90、所述电阻r32的相对两端分别与所述电源芯片5vout的引脚fb和所述电源地gnd相连接；

91、所述电容c23相对的两端分别与所述电源芯片5vout的引脚vin和所述电源地gnd相连接；

92、所述电容c24、所述电容c41分别与所述电容c23并联连接；

93、所述3.3v稳压输出模块包括：稳压器3v3out、自恢复保险丝f1、电容c30、电容c32和电感l9；

94、所述稳压器3v3out的引脚input通过所述自恢复保险丝f1与所述5v稳压输出模块相连接，其引脚output分别与所述电容c32和所述电感l9相连接，所述电容c32的另一端与电源地gnd相连接；

95、所述电容c30相对的两端分别与所述自恢复保险丝f1和所述电容c32连接所述电源地gnd的一端相连接；

96、所述12v稳压输出模块包括：电源芯片12vout、电容c18、电容c19、电容c20、电容c21、电容c25、电容c27、电容c31、电阻r26、电阻r27、功率电感u10和肖特基二极管d6；

97、所述电源芯片12vout的引脚gnd和引脚on/off与所述电源地gnd相连接；

98、所述电阻r26的相对两端分别与所述电源芯片5vout的引脚fb和所述电容c27的一端相连接，所述电容c27的另一端与所述电源地gnd相连接；

99、所述电容c21与所述电阻r26并联连接；

100、所述电容c20和所述电容c31分别与所述电容c27并联连接；

101、所述肖特基二极管d6相对的两端分别与所述电源芯片12vout的引脚out和所述电源地gnd相连接；

102、所述功率电感u10相对的两端分别与所述电源芯片12vout的引脚out和所述电容c27连接所述电阻r26的一端相连接；

103、所述电阻r27的相对两端分别与所述电源芯片12vout的引脚fb和所述电源地gnd相连接；

104、所述电容c19相对的两端分别与所述电源芯片12vout的引脚vin和所述电源地gnd相连接；

105、所述电容c25、所述电容c18分别与所述电容c19并联连接。

106、根据本发明的一个方面，所述防反冲模块包括：肖特基二极管d5；

107、所述肖特基二极管d5与所述5v稳压输出模块和所述12v稳压输出模块相连接；

108、所述电源滤波模块包括：电容c33、电容c34和电容c35；

109、所述电容c33的两端分别与所述短路点3v3和所述电源地gnd相连接；

110、所述电容c34和所述电容c35分别与所述电容c33并联的设置。

111、根据本发明的一个方面，所述输出载流单元包括：第二基板，设置在所述第二基板上的半桥驱动电路模块、输出采样与控制单元通信接口、输出采样与控制单元电流接口和电源滤波模块；

112、所述输出采样与控制单元通信接口、所述输出采样与控制单元电流接口和所述电源滤波模块分别与所述半桥驱动电路模块相连接。

113、根据本发明的一个方面，所述半桥驱动电路模块包括：第一驱动电路部分、电感l1a和第二驱动电路部分；

114、所述第一驱动电路部分包括：半桥栅极驱动器u1、电阻r1a、电阻r2a、电阻r3a、电阻r4a、电阻r9a、电阻r10a、电阻r12a、电容c1a、电容c2a、场效应管q1a、场效应管q2a、二极管d1a和二极管d2a；

115、所述电阻r1a相对的两端分别与所述半桥栅极驱动器u1的引脚hi和所述电源地gnd相连接；

116、所述电阻r2a相对的两端分别与所述半桥栅极驱动器u1的引脚li和所述电源地gnd相连接；

117、所述半桥栅极驱动器u1的引脚vss与所述电源地gnd相连接；

118、所述半桥栅极驱动器u1的引脚lo与所述二极管d2a的阴极相连接，所述二极管d2a的阳极与所述场效应管q2a的g极相连接，所述场效应管q2a的d极与所述半桥栅极驱动器u1的引脚hs相连接；

119、所述电阻r9a与所述二极管d2a并联设置；

120、所述电阻r3a一端与所述二极管d2a的阳极相连接，另一端与所述电源地gnd相连接；

121、所述场效应管q2a的s极与所述电源地gnd相连接；

122、所述半桥栅极驱动器u1的引脚hb与所述电容c2a的一端相连接，所述电容c2a的另一端与所述电阻r4a的一端相连接，所述电阻r4a的另一端与所述二极管d1a的阳极相连接，所述二极管d1a的阴极与所述半桥栅极驱动器u1的引脚ho相连接；

123、所述电阻r10a与所述二极管d1a并联设置；

124、所述场效应管q1a的s极分别与所述场效应管q2a的d极，所述电容c2a与所述电阻r4a相连接的一端和所述半桥栅极驱动器u1的引脚hs相连接；

125、所述半桥栅极驱动器u1的引脚vdd分别与所述电阻r12a和所述电容c1a相连接；

126、所述半桥栅极驱动器u1的引脚ep和所述电容c1a的另一端与所述电源地gnd相连接；

127、所述第二驱动电路部分包括：半桥栅极驱动器u2、电阻r5a、电阻r6a、电阻r7a、电阻r8a、电阻r11a、电阻r13a、电阻r14a、电容c3a、电容c4a、场效应管q3a、场效应管q4a、二极管d3a和二极管d4a；

128、所述电阻r5a相对的两端分别与所述半桥栅极驱动器u2的引脚hi和所述电源地gnd相连接；

129、所述电阻r6a相对的两端分别与所述半桥栅极驱动器u2的引脚li和所述电源地gnd相连接；

130、所述半桥栅极驱动器u2的引脚vss与所述电源地gnd相连接；

131、所述半桥栅极驱动器u2的引脚lo与所述二极管d3a的阴极相连接，所述二极管d3a的阳极与所述场效应管q4a的g极相连接，所述场效应管q4a的d极与所述半桥栅极驱动器u2的引脚hs相连接；

132、所述电阻r11a与所述二极管d3a并联设置；

133、所述电阻r7a一端与所述二极管d3a的阳极相连接，另一端与所述电源地gnd相连接；

134、所述场效应管q4a的s极与所述电源地gnd相连接；

135、所述半桥栅极驱动器u2的引脚hb与所述电容c4a的一端相连接，所述电容c4a的另一端与所述电阻r8a的一端相连接，所述电阻r8a的另一端与所述二极管d4a的阳极相连接，所述二极管d4a的阴极与所述半桥栅极驱动器u2的引脚ho相连接；

136、所述电阻r13a与所述二极管d4a并联设置；

137、所述场效应管q3a的s极分别与所述场效应管q4a的d极，所述电容c4a与所述电阻r8a相连接的一端和所述半桥栅极驱动器u2的引脚hs相连接；

138、所述半桥栅极驱动器u2的引脚vdd分别与所述电阻r14a和所述电容c3a相连接；

139、所述半桥栅极驱动器u2的引脚ep和所述电容c3a的另一端与所述电源地gnd相连接；

140、所述电感l1a相对的两端分别与所述场效应管q2a的d极和所述场效应管q4a的d极相连接。

141、根据本发明的一个方面，所述电源滤波模块包括：第一滤波电路和第二滤波电路；

142、所述第一滤波电路包括：并联设置的电容c5a、电容c7a、电容c8a、电容c9a、电容c10a、电容c15a和电容c17a；

143、所述第二滤波电路包括：并联设置的电容c6a、电容c11a、电容c12a、电容c13a、电容c14a、电容c16a和电容c18a。

144、根据本发明的一个方面，所述法拉电容组储能单元包括：多个串联的储能电路；

145、所述储能电路包括：法拉电容保护芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻、led灯珠、第一场效应管、第一电容和法拉电容；

146、所述第一电阻相对的两端分别与所述法拉电容保护芯片的引脚vdd和引脚sel相连接；

147、所述第二电阻一端与所述法拉电容保护芯片的引脚iout相连接，另一端与所述第一场效应管的s极相连接；

148、所述第三电阻一端与所述led灯珠的正极相连接，另一端与所述法拉电容保护芯片的引脚led相连接，所述led灯珠的负极与所述第一场效应管的s极相连接；

149、所述法拉电容的正极分别与所述法拉电容保护芯片的引脚vdd和所述第一场效应管的d极相连接，所述法拉电容的负极与所述第一场效应管的s极相连接；

150、所述第一场效应管的g极与所述法拉电容保护芯片的引脚iout相连接；

151、所述第一电容和所述法拉电容并联设置；

152、所述法拉电容保护芯片的引脚gnd与所述电源地gnd相连接。

153、根据本发明的一种方案，本发明充分设计了法拉电容组及其保护电路、电容功率输出载流模块、电容输出采样与控制模块，能够保证电源全程以基本平稳的功率进行输出，在负载较低功率运行时，将冗余功率经由保护电路存入法拉电容组；在负载有高功率需求时，利用采样与控制模块，控制法拉电容组与电源共同输出功率。

154、根据本发明的一种方案，本发明通过各单元之间的闭环双向可流通设计方案，能够实现双向升降压，实现了输出电压恒为电源电压，并且，只需要一个dcdc模块的前提下，能够很好地避免法拉电容存在无法释放的死电问题，保证了冗余功率存储的利用率，同时减轻主控的处理压力。

155、根据本发明的一种方案，本发明在电源输出功率有限、负载可能存在短期高功率需求的情况下，能够对所使用法拉电容电能的存储与释放进行稳定控制的电路模块。能够在负载功率低于电源输出功率的情况下，稳定保证电源冗余功率单向输入法拉电容组；能够在负载功率需求频繁变化的情况下，迅速控制法拉电容进行的稳定功率输出。

156、根据本发明的一种方案，本发明对电源没有特殊要求，通过对电源冗余功率与负载需求功率进行采样计算，利用控制电路使法拉电容存储冗余功率或输出补偿功率，可长时间保证电源以基本平稳的功率进行输出。另外，本发明作为电源外接模块，能够起到阻隔电源与负载的作用，保护电源；同时其模块化的设计，能够便于维护与更换。

157、根据本发明，本发明将板上各功能模块利用短路点进行分离设计，能够高效利用短路点进行调试与检修。在生产过程中能够单独调试各模块，功能正常后利用短路点将各模块之间进行连接，同时短路点起到0ω电阻同等效用，保证的信号的稳定。