一种超级电容充电主监控系统的制作方法
【专利摘要】一种超级电容充电主监控系统，包括主监控系统、经电力线与主监控系统相连的单体超级电容监测子系统；主监控系统为一个，单体超级电容监测子系统为一个或串连有多个；其中主监控系统包括充电电路、电源单元、主单片机、载波通讯模块、人机界面、存储单元和RS—232模块；单体超级电容监测子系统包括单体超级电容、电源单元、从单片机、载波通讯模块、电压、电流、温度等检测单元和存储单元；主监控系统通过电力线、充电电路对超级电容器组进行充电。在串联超级电容组充电过程中，由于超级电容单体之间的微小差异，很容易发生过充现象，进而影响超级电容的寿命，该监控系统实时掌握超级电容器组中各个单体超级电容的荷电状态，避免过充现象的发生。
【专利说明】一种超级电容充电主监控系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种充电监控系统，特别是一种超级电容充电主监控系统。
【背景技术】
[0002]超级电容具有超级储电能力，可提供强大的脉冲功率的物理二次电源，具有可靠性高、超低温特性好、环保无污染的特点，是一种新型储能系统，是解决现有电池充电功率不足问题的有效途径，同时也在新能源汽车、电力、电梯、煤矿和工程机械等各行业得到了广泛应用。
[0003]电力线载波通信以输电线路为载波信号的传输媒介的电力系统通信。输电线路具备十分牢固的支撑结构，在输电线输送工频电流的同时，用之传送载波信号，既经济又十分可靠。
[0004]为监控电池电源系统的各个单体电池的电容状态信息，目前电池管理系统主要采用主从设计。一个主控系统负责收集多个从模块传来的单体电池的状态信息，再进行分析。然而，串联超级电容器的充电过程，符合“木桶原理”，故障的爆发点通常是某一个单体电容，采用集中监控既降低了效率，又增加了系统负载。
[0005]因此，本实用新型提出一种分布式决策的监控策略，并利用电力线载波进行数据通信，既提高了监控系统的工作效率，保证了充电可靠性，又减轻了通信网络的负载。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的是针对已有技术中存的问题，提供一种提高监控系统的工作效率、即可保证充电可靠性、又可减轻通信网络的超级电容充电主监控系统。
[0007]本实用新型的监控系统包括主监控系统、经电力线与主监控系统相连的单体超级电容监测子系统；主监控系统为一个，单体超级电容监测子系统为一个或串连有多个；
[0008]所述的主监控系统包括电源单元、主单片机、载波通讯模块PL2102、人机界面模块、存储单元、RS-232模块和充电电路；主单片机分别与电源单元、载波通讯模块PL2102、人机界面模块、存储单元、RS-232模块串口相连和充电电路相连，通过RS-232模块串口与计算机相连接；
[0009]所述的单体超级电容监测子系统包括单体超级电容、电源单元、从单片机、载波通讯模块、电压、电流、温度检测单元和存储单元；其中:单体超级电容的输出端分别与电压、电流、温度检测单元的输入端相连接，电源单元、电压、电流、温度检测单元的输出端与从单片机的输入端相连接，从单片机与存储单元连接，存储数据，从单片机连接载波通讯模块，经电力线与主监控系统相连。
[0010]有益效果，由于采用了上述方案，超级电容充电监控系统的各个单体超级电容监测子系统利用采集到的实时电压、电流、温度值，通过卡尔曼滤波算法，计算超级电容的荷电状态(SOC)值及其变化率；当单体超级电容的荷电状态(SOC)在预设阈值范围内时，单体超级电容监控子系统不向主监控系统发送具体数据；当单体超级电容的荷电状态(SOC)不在预设阈值范围内时，从机分类分级的向主监控系统中的主单片机发送数据；此时，子系统利用基于优先级的CSMA/CA策略竞争信道，在获得使用权后，载波通讯模块PL2102将单片机MSP430发来的数字信号，通过内部差分移相键控载波后输出发送到驱动电路，经变压器耦合到直流电力线上。
[0011]主监控系统中主单片机接收处于发送状态的单体超级电容监测子系统发送的数据；主监控系统处于接收状态时，直流电力线上的扩频信号通过耦合变压器，经过接收选频网络，送到载波通讯模块PL2102进行解调输入到单片机DSP;此时，单体超级电容的充电状态出现异常，主监控系统就会发出报错指令，产生报警信号，中断充电过程，并在人机界面上显示出对应的单体超级电容的序列号。
[0012]优点:超级电容本身具有节能环保、可靠耐用等良好的性能，是解决现有电池问题的一个良好途径。在串联超级电容组充电过程中，由于超级电容单体之间的微小差异，很容易发生过充现象，进而影响超级电容的寿命，该监测系统实时掌握超级电容器组中各个单体超级电容的荷电状态，避免过充现象的发生。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为超级电容充电主监控系统的结构示意图。
[0014]图中，1、单体超级电容；2、充电电路；3、载波通讯模块；4、主单片机；5、人机界面模块；6、存储单元；7、电源单元；8、RS-232模块；9、电压、电流检测单元；10、温度检测单元；11、从单片机。
【具体实施方式】
[0015]实施例1:
[0016]超级电容充电监测系统，其具体包括电力线、单体超级电容监测子系统、主监控系统共3个部分。其中主监控系统包括充电电路2、载波通讯模块3、主单片机4、人机界面模块5、存储单元6、电源单元7和RS-232模块8。电源单元给主单片机供电，主单片机与载波通讯模块PL2102连接，以电力线为媒介，利用电力线载波实现单体超级电容监测子系统和主监控系统的通讯；主单片机连接人机界面模块，以实现报警、显示；主单片机与存储单元相连，通过RS-232串口连接计算机；主单片机连接充电电路，并根据充电状态控制充电电路输出大小不同的电流；主监控系统中主单片机接收处于发送状态的单体超级电容监测子系统发送的数据；主监控系统处于接收状态时，直流电力线上的扩频信号通过耦合变压器，经过接收选频网络，送到载波通讯模块PL2102进行解调输入到单片机的数字信号处理器；此时，单体超级电容的充电状态出现异常，主监控系统了出报错指令，产生报警信号，中断充电过程，并在人机界面上显示出对应的单体超级电容的序列号。所述的存储单元6为存储器模块。所述的单片机的数字信号处理器，英文缩写为DSP。
[0017]单体超级电容监测子系统包括单体超级电容1、电源单元7、从单片机11、载波通讯模块3、电压、电流检测单元9、温度检测单元10、存储单元6。电力线连接单体超级电容监测子系统和主监控系统。电源单元负责供电；电压、电流、温度检测单元连接从单片机MSP430,从单片机MSP430不断检测各端口传送来的电压、电流、温度信息，计算超级电容的荷电状态SOC ;从单片机MSP430与存储单元连接，存储数据，并将数据发送给主监控系统的主单片机；其中，单体超级电容监测子系统和主监控系统之间通过载波通讯模块PL2102和电力线来完成数据传送。所述的计算超级电容的荷电状态的英文缩写为SOC。
[0018]主监控系统通过电力线、充电电路2对超级电容器组进行充电，同时电力线也是通讯媒介；主监控系统和单体超级电容监测子系统之间的通讯就是依靠载波通讯模块和电力线来完成的；主监控系统为一个，单体超级电容监测子系统为一个或多个；每一个单体超级电容监测子系统的地址不同，其序列号由从单片机决定。
[0019]主从监控系统均采用电源单元7输入直流电，提供主、从单片机3.3V的电压，供给载波通讯模块5V的电压，供给载波功放电路12V的电压。
[0020]在单体超级电容监测子系统中，从机MSP430根据超级电容的型号规格预设多级报警阈值，其中计算超级电容的荷电状态SOC的最大容许值为阈值1，SOC变化率的最大容许值为阈值2。其中，计算超级电容的荷电状态SOC变化率定义为相邻计算超级电容的荷电状态SOC值的差异与采样间隔的比值。
[0021]在单体超级电容监测子系统中，温度检测单元10采用高精度温度传感器，可以准确的测出实际温度，电压、电流检测单元9连接超级电容两端，准确测量电压、电流值，从单片机MSP430不断检测各端口传送来的电压、电流、温度值，利用卡尔曼滤波算法，计算超级电容的荷电状态SOC及其变化率。
[0022]当单体超级电容的SOC值和变化率均在预设阈值范围内时，单体超级电容监测子系统仅向主监控系统发送I字节握手信息，其优先级定义为I;当计算超级电容的荷电状态SOC值在阈值I范围内、计算超级电容的荷电状态SOC变化率超出阈值2时，单体超级电容监测子系统向主监控系统发送I字节的握手信息和2字节的计算超级电容的荷电状态SOC变化率，优先级定义为2 ;当单体超级电容的SOC变化率在阈值2范围内、计算超级电容的荷电状态SOC值超出阈值I时，单体超级电容监测子系统向主监控系统发送I字节的握手信息和2字节的SOC值，优先级定义为3 ;当单体超级电容的SOC值及其变化率均超出预设阈值时，单体超级电容监测子系统向主监控系统发送I字节的握手信息、2字节的SOC值和2字节的SOC变化率，优先级定义为4。
[0023]当从机MSP430处于发送状态时，载波通讯模块PL2102将单片机MSP430发来的数字信号，通过内部DPSK载波后输出发送到驱动电路，经变压器耦合到直流电力线上。所述的载波通讯模块PL2102差分移相键控的英文缩写为DPSK。
[0024]系统采用基于优先级的CSMA/CA策略，来应对有多个子监控系统同时请求发送数据的情况。当从机准备发送数据时，先检测通信线路上是否有该频段的信号，若有则等待一定时间后，再次检测线路，直到检测到线路空闲或检测次数已达最大值为止。当检测到线路空闲时，从机向主机发送数据；当检测次数达最大值时，为了保证数据的时效性，从机丢弃数据，选择新数据发送，并重复上述过程。其中等待时间定义为退避时间，容许的最大检测次数定义为最大退避次数。在本系统中，从机的退避时间和最大退避次数根据所需发送数据的优先级确定，优先级越高，退避时间越短，最大退避次数小。在实际应用中，具体退避时间和最大退避次数根据系统精度要求、单体电容参数确定。
[0025]主监控系统中主单片机的作用是接收处于发送状态的单体超级电容监测子系统发送的数据。主监控系统处于接收状态时，直流电力线上的扩频信号通过耦合变压器，经过接收选频网络，送到载波通讯模块PL2102进行解调输入到单片机DSP。
[0026]主监控系统根据接收到的子监控系统的信息，进行分类显示，并通知操控人员。当信息的优先级大于2时，主监控系统直接中断充电过程，并在人机界面上显示出对应的单体超级电容的序列号。
[0027]存储单元6在主监控系统和单体超级电容监测子系统中都有涉及，其是存储数据、通过RS-232模块串口上传数据，方便日后进一步分析超级电容性能。
[0028]人机界面5实时显示更新单体超级电容的充电状态，当某一超级电容出现重要预警信息时，人机界面红色报警灯闪烁，同时语音提醒。
【权利要求】
1.一种超级电容充电主监控系统，其特征是:监控系统包括主监控系统、经电力线与主监控系统相连的单体超级电容监测子系统；主监控系统为一个，单体超级电容监测子系统为一个或串连有多个； 所述的主监控系统包括电源单元、主单片机、载波通讯模块PL2102、人机界面模块、存储单元、RS-232模块和充电电路；主单片机分别与电源单元、载波通讯模块PL2102、人机界面模块、存储单元、RS-232模块串口相连和充电电路相连，通过RS-232模块串口与计算机相连接； 所述的单体超级电容监测子系统包括单体超级电容、电源单元、从单片机、载波通讯模块、电压、电流、温度检测单元和存储单元；其中:单体超级电容的输出端分别与电压、电流、温度检测单元的输入端相连接，电源单元、电压、电流、温度检测单元的输出端与从单片机的输入端相连接，从单片机与存储单元连接，存储数据，从单片机连接载波通讯模块，经电力线与主监控系统相连。
【文档编号】H02J7/00GK203951214SQ201420227513
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】王后连, 周公博, 李洋, 朱真才, 李伟, 曹国华 申请人:中国矿业大学, 徐州市恒源电器有限公司