CN110994716B - 一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法及*** - Google Patents

一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于充电管理的技术领域，公开了一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，检测充电电源和超级电容器之间的电压差，将所述电压差与第一门槛电压和第二门槛电压做比较，所述第一门槛电压大于第二门槛电压，根据比较结果，通过采用恒流充电、控制单向导通模块开启，使充电电源通过充电模块向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块，从而避免低电压差的情况，超级电容器通过充电模块向充电电源放电。

Description

一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法及***
技术领域
本发明属于充电管理的技术领域，具体涉及一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法及***。
背景技术
随着超级电容器的成本降低，其使用越来越普及，其管理电路的商业价值也显得越来越重要，超级电容器的充放电路既需要满足性能要求，又兼顾价格和体积的需求，因此，各种各样的充电管理方案及电路也应运而生。
传统的超级电容器充电电路使用buck拓扑结构，要求输入电压高于输出电压0.7V到1.5V不等，但是对于超级电容器的应用来说，在车载***的应用中，希望输出电压等于输入电压，而且在充电过程中，如果输入电压突然降低，电流会反方向流动，由于超级电容器充上电后，可以等效为一个电源，因此，此刻buck拓扑结构就变成了反向的Boost结构，超级电容器会反方向放电，非常容易导致MOSFET管等功率器件的损坏，因此，迫切需要一种控制策略能够有效保证在超级电容器充电时使用的buck拓扑结构能够单向充电。
发明内容
本发明提供了一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法及***，解决了现有超级电容器的充电电路容易发生反向放电，会破坏电路中的MOSFET管等功率器件的问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，检测充电电源和超级电容器之间的电压差，将所述电压差与第一门槛电压和第二门槛电压做比较，所述第一门槛电压大于第二门槛电压，根据比较结果，通过采用恒流充电、控制单向导通模块开启，使充电电源通过充电模块向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块，从而避免低电压差的情况，超级电容器通过充电模块向充电电源放电。
进一步，所述超级电容器处于单纯充电状态，当所述电压差大于第一门槛电压或者处于第一门槛电压、第二门槛电压之间时，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；当所述电压差小于第二门槛电压，开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；
所述超级电容器处于放电过程中的充电状态，若所述电压差小于第二门槛电压，保持充电模块和单向导通模块关断，直到所述电压差大于第二门槛电压，开启单向导通模块和充电模块，采用小电流充电，若所述电压差呈减少趋势，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；若所述电压差呈增加趋势且大于第一门槛电压，关断单向导通模块，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，再开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块。
进一步，所述第一门槛电压和第二门槛电压根据超级电容器所处的不同温度进行调整，随温度升高，两者之间的差值呈下降趋势。
进一步，所述温度大于20℃，两者之间的差值设置为0.7～0.85V，所述温度小于20℃，两者之间的差值设置为0.85～1.5V。
进一步，利用如下方程式，计算两者之间的差值，进而根据所述差值，调整第一门槛电压和第二门槛电压，
ΔV＝0.9-0.01*T
其中，ΔV表示第一门槛电压和第二门槛电压之间的差值，T表示超级电容器所处的温度。
进一步，所述充电模块采用Buck拓扑结构，所述第二门槛电压根据充电模块达到最大占空比时对应的压降设置，所述第一门槛电压根据第二门槛电压以及超级电容器和电路中除去充电模块对应的线路压降之和设置。
一种基于上文所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法的充电管理***，包括处理器，所述处理器与温度传感器、充电模块、电压检测模块相连，所述充电模块与开关控制模块和单向导通模块相连，所述开关控制模块用于控制充电模块的开启和关断，所述充电模块用于实现充电电源向超级电容器之间充电，所述温度传感器用于检测超级电容器内部的温度，所述单向导通模块用于控制充电电源通过充电模块向超级电容器的单向充电，所述电压检测模块用于分别实时检测充电电源和超级电容器两端的电压。
进一步，所述开关控制模块采用MOS场效应管，所述单向导通模块采用所述MOS场效应管自身的体二极管，所述充电模块采用Buck拓扑结构，
所述处理器接收充电电源和超级电容器两端的电压，计算两者之间的电压差，判断超级电容器处于单纯充电状态或者放电过程中的充电状态，
当处于单纯充电状态时，若所述电压差大于第一门槛电压或者介于第一门槛电压和第二门槛电压之间，开通MOS场效应管，采用大电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至所述电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压到达充电电源的电压，关闭充电模块；若所述电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压到达充电电源的电压，关闭充电模块；
当处于放电过程中的充电状态时，若所述电压差小于第二门槛电压，保持充电模块关断，直到所述电压差大于第二门槛电压，开启充电模块，采用小电流充电，若所述电压差呈减少趋势，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块；若所述电压差呈增加趋势且大于第一门槛电压，开通MOS场效应管，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块。
本发明有益的技术效果如下：
通过检测充电电源和超级电容器之间的电压差，将该电压差与第一门槛电压和第二门槛电压做比较，根据比较结果，通过采用恒流充电、控制单向导通模块开启，使充电电源通过充电模块向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，从而避免低电压差的情况，超级电容器通过充电模块向充电电源放电，造成对电路中其他功率器件的损坏，同时，使超级电容器两端的电压可以达到充电电源的电压，达到电压跟随的效果，满足汽车电子应用的需求。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图图；
图2为采用非线性控制策略时，对应的第一门槛电压和第二门槛电压随着温度变化进行调整的示意图；
图3为本发明采用线性控制策略时，对应的第一门槛电压和第二门槛电压随着温度变化进行调整的示意图；
图4为本发明的在传统buck拓扑结构的充电电路上增加带体二极管的MOS场效应管的电路示意图；
图5为本发明的充电管理***的电路框图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施案例详细说明本发明的具体实施方式。
参照附图1，本发明提供了一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，主要通过检测充电电源和超级电容器之间的电压差，将该电压差与第一门槛电压和第一门槛电压做比较，其中第一门槛电压大于第一门槛电压，根据比较结果，通过采用恒流充电、控制单向导通模块开启，使充电电源通过充电模块向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块，这样，当充电电源和超级电容器之间的电压差较小时，开启单向导通模块，采用小电流递减充电，避免超级电容器通过充电模块向充电电源放电，造成对电路中其他功率器件的损坏，同时使超级电容器两端的电压可以达到充电电源的电压，达到电压跟随的效果，满足汽车电子应用的需求。
具体地，超级电容器处于单纯充电状态，当电压差大于第一门槛电压或者处于第一门槛电压、第二门槛电压之间时，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；当电压差小于第二门槛电压，开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块。
而超级电容器处于放电过程中的充电状态，若电压差小于第二门槛电压，保持充电模块和单向导通模块关断，直到电压差大于第二门槛电压，开启单向导通模块和充电模块，采用小电流充电，但是如果此时放电电流小于充电电流，超级电容器两端的电压则会保持上升状态，该电压差呈减少趋势，则可以继续采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；但是如果放电电流大于充电电流，超级电容器两端的电压则会保持下降状态，该电压差呈增加趋势，直到大于第一门槛电压，关断单向导通模块，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，再开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块。
考虑到温度对超级电容器的影响，在采用上述控制方式之前，可以首先检测超级电容器所处的温度，当温度超过65℃时，禁止超级电容器的充放电，当温度低于65℃时，才采用上述方法进行充电管理。
该充电模块可采用Buck拓扑结构，第二门槛电压根据充电模块达到最大占空比时对应的压降设置，而第一门槛电压根据第二门槛电压以及超级电容器和电路中除去充电模块对应的线路压降之和设置。同时，考虑到温度对超级电容器内阻的影响，该第一门槛电压和第二门槛电压还可以根据超级电容器所处的不同温度进行调整，随着温度升高，两者之间的差值呈下降趋势。经试验验证，可以采用非线性控制策略，参照附图2，当温度大于20℃时，两者之间的差值设置为0.7～0.85V，优选0.8V，当温度小于20℃时，两者之间的差值设置为0.85～1.5V，具体如下：记充电电源两端的电压为Vin，超级电容器两端的电压为Vout，
当环境温度高于20℃时，设置Vin-Vout大于第一门槛电压1.6V，开通开关控制模块，当Vin-Vout小于第二门槛电压0.8V时，关断开关控制模块，同时单向导通模块自动开始起作用。
当环境温度低于20℃时，根据检测的温度调整第一门槛电压根据第二门槛电压之间的差值，具体控制策略如下：
当环境温度是在-10℃和10℃之间时，设置Vin-Vout大于第一门槛电压1.7V，开通开关控制模块,当Vin-Vout小于第二门槛电压0.8V时，关断开关控制模块，同时单向导通模块自动开始起作用。
当环境温度是-20℃和-10℃之间时，设置Vin-Vout大于第一门槛电压1.8V，开通开关控制模块,当Vin-Vout小于第二门槛电压0.8V时，关断开关控制模块，同时单向导通模块自动开始起作用。
当环境温度是-30℃时，设置Vin-Vout大于第一门槛电压1.9V，开通开关控制模块,当Vin-Vout小于第二门槛电压0.8V时，关断开关控制模块，同时单向导通模块自动开始起作用。
当环境温度是-40℃时，设置Vin-Vout大于第一门槛电压2V，开通开关控制模块,当Vin-Vout小于第二门槛电压0.8V时，关断开关控制模块，同时单向导通模块自动开始起作用。
也可以采用线性控制策略，方便计算程序设计，参照附图3，利用如下方程式，计算两者之间的差值，进而根据差值，调整第一门槛电压和第二门槛电压，
ΔV＝0.9-0.01*T
其中，ΔV表示第一门槛电压和第二门槛电压之间的差值，T表示超级电容器所处的温度。
本发明还提供了一种基于上文所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法的充电管理***，首先，针对超级电容器的充电电路，本发明在传统buck拓扑结构的充电电路的基础上，增加了开关控制模块和单向导通模块，该开关控制模块用于控制充电模块的开启和关闭，该单向导通模块用于控制充电电源通过充电模块向超级电容器的单向充电，具体可以采用一个带体二极管的MOS场效应管，这样，当超级电容器两端的电压比较低时，打开MOS场效应管，降低其功耗，实现buck拓扑结构的充电电路的恒流充电；而当超级电容器两端的电压接近充电电源的电压时，关闭MOS场效应管,利用MOS场效应管内体二极管的单向导通作用，实现电流的单向传输，可以避免进入反向Boost模式，使充电后的超级电容器对充电电源进行放电，造成对电路中其他功率器件的损坏，同时还可以节约器件，降低成本。
参照附图4，本发明在传统buck拓扑结构的充电电路的输出端增加了带体二极管的P-MOS场效应管M3、电阻R4和R5以及稳压二极管D3，该P-MOS场效应管M3的漏极与输出端相连，栅极与电阻R5相连，源极与电阻R4、稳压二极管D3的一端相连，其另一端与栅极相连，在充电电路的输入端通过由电容C4、C5和电感L2组成的π型滤波器与充电电源相连，超级电容器的两端通过滤波电容C1与充电电路的输出端相连。当然也可以用N沟道的Mosfet来代替P沟道Mosfet,不过需要增加额外的24V电源。
其次，为了满足车载***的需求，方便对上述电路的智能控制，同时也使超级电容器两端的电压可以达到充电电源的电源，达到电压跟随的功能，在上述电路的基础上，参照附图5，增加了处理器、温度传感器和电压检测模块，该电压检测模块包括两个部分，一个部分为串联的电阻R1和R2，其两端连接在π型滤波器的输出端，用于检测充电电源两端的电源，另一个部分为串联的电阻R3和R4，其两端连接在滤波电容C1的两端，用于检测超级电容器两端的电源。该温度传感器采用NTC传感器。该处理器与温度传感器、充电模块、电压检测模块相连，该充电模块与开关控制模块和单向导通模块相连，该开关控制模块用于控制充电模块的开启和关闭，该充电模块用于实现充电电源向超级电容器之间充电，该温度传感器用于检测超级电容器内部的温度，该单向导通模块用于控制充电电源通过充电模块向超级电容器的单向充电，该电压检测模块用于分别实时检测充电电源和超级电容器两端的电压。
该处理器接收电压检测模块测量的充电电源和超级电容器两端的电压，计算两者之间的电压差，将其与第一门槛电压和第二门槛电压相比较，并判断超级电容器处于单纯充电状态或者放电过程中的充电状态。
处于单纯充电状态时，若该电压差大于第一门槛电压或者介于第一门槛电压和第二门槛电压之间，开通MOS场效应管，采用大电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至该电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压到达充电电源的电压，关闭充电模块；若该电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压到达充电电源的电压，关闭充电模块。
处于放电过程中的充电状态时，若该电压差小于第二门槛电压，保持充电模块关断，直到电压差大于第二门槛电压，开启充电模块，采用小电流充电，若电压差呈减少趋势，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块；若电压差呈增加趋势且大于第一门槛电压，开通MOS场效应管，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块。
当充电电源和超级电容器两端电压的压差小于第二门槛电压时，由于两者的压差比较小，所以，充电电流也会比较小，约为0.6A，MOS场效应管的导通压降约为0.4V，损耗为电压和电流的乘积：UxI＝0.4VX0.6A＝0.24W，功耗比较小，不会因为过热烧毁MOS场效应管。
当充电电源和超级电容器两端电压的压差大于第一门槛电压时，处理器发送导通命令给MOS场效应管，为了确保MOS场效应管的有效导通，一般延迟2-3毫秒，充电电路在开始工作。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，其特征在于：检测充电电源和超级电容器之间的电压差，将所述电压差与第一门槛电压和第二门槛电压做比较，所述第一门槛电压大于第二门槛电压，根据比较结果，通过采用恒流充电、控制单向导通模块开启，使充电电源通过充电模块向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块，从而避免低电压差的情况，超级电容器通过充电模块向充电电源放电；
所述超级电容器处于单纯充电状态，当所述电压差大于第一门槛电压或者处于第一门槛电压、第二门槛电压之间时，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；当所述电压差小于第二门槛电压，开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；
所述超级电容器处于放电过程中的充电状态，若所述电压差小于第二门槛电压，保持充电模块和单向导通模块关断，直到所述电压差大于第二门槛电压，开启单向导通模块和充电模块，采用小电流充电，若所述电压差呈减少趋势，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块；若所述电压差呈增加趋势且大于第一门槛电压，关断单向导通模块，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，再开启单向导通模块，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块和单向导通模块。
2.根据权利要求1所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，其特征在于：所述第一门槛电压和第二门槛电压根据超级电容器所处的不同温度进行调整，随温度升高，两者之间的差值呈下降趋势。
3.根据权利要求2所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，其特征在于：所述温度大于20℃，两者之间的差值设置为0.7～0.85V，所述温度小于20℃，两者之间的差值设置为0.85～1.5V。
4.根据权利要求3所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，其特征在于：利用如下方程式，计算两者之间的差值，进而根据所述差值，调整第一门槛电压和第二门槛电压，
ΔV＝0.9-0.01*T
其中，ΔV表示第一门槛电压和第二门槛电压之间的差值，T表示超级电容器所处的温度。
5.根据权利要求1所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法，其特征在于：所述充电模块采用Buck拓扑结构，所述第二门槛电压根据充电模块达到最大占空比时对应的压降设置，所述第一门槛电压根据第二门槛电压以及超级电容器和电路中除去充电模块对应的线路压降之和设置。
6.一种基于权利要求1所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法的充电管理***，其特征在于：包括处理器，所述处理器与温度传感器、充电模块、电压检测模块相连，所述充电模块与开关控制模块和单向导通模块相连，所述开关控制模块用于控制充电模块的开启和关断，所述充电模块用于实现充电电源向超级电容器之间充电，所述温度传感器用于检测超级电容器内部的温度，所述单向导通模块用于控制充电电源通过充电模块向超级电容器的单向充电，所述电压检测模块用于分别实时检测充电电源和超级电容器两端的电压。
7.根据权利要求6所述的用于汽车电子超级电容器的充电管理方法的充电管理***，其特征在于：所述开关控制模块采用MOS场效应管，所述单向导通模块采用所述MOS场效应管自身的体二极管，所述充电模块采用Buck拓扑结构，
所述处理器接收充电电源和超级电容器两端的电压，计算两者之间的电压差，判断超级电容器处于单纯充电状态或者放电过程中的充电状态，
当处于单纯充电状态时，若所述电压差大于第一门槛电压或者介于第一门槛电压和第二门槛电压之间，开通MOS场效应管，采用大电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至所述电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压到达充电电源的电压，关闭充电模块；若所述电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电方式，通过充电模块控制充电电源向超级电容器充电，直至超级电容器两端的电压到达充电电源的电压，关闭充电模块；
当处于放电过程中的充电状态时，若所述电压差小于第二门槛电压，保持充电模块关断，直到所述电压差大于第二门槛电压，开启充电模块，采用小电流充电，若所述电压差呈减少趋势，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块；若所述电压差呈增加趋势且大于第一门槛电压，开通MOS场效应管，采用大电流充电，直至电压差小于第二门槛电压，关闭MOS场效应管，体二极管导通，采用小电流充电，直至超级电容器两端的电压达到充电电源的电压，关断充电模块。
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