一種基於電池的超級電容充電系統的製作方法

2023-06-16 15:13:01

本發明涉及一種大功率充放電系統，特別適用於瞬時大功率應用工況。

背景技術：

超級電容器是近年來出現的一種新型儲能器件，超級電容器具有很好的功率特性。由於充放電過程始終是物理過程，不發生電化學反應和電極結構的變化，因此其循環使用壽命長。此外，超級電容器還具有高低溫性能良好、能量判斷簡單準確、無需維護和環境友好等諸多優點，正日益發展成為一種高效、實用的電能儲存器件。

隨著超級電容器的興起，對超級電容器的充電系統也在不斷推陳出新。目前使用蓄電池給超級電容充電一般使用降壓或升壓變換器給超級電容充電。例如中國專利申請cn106410960a中公開了一種電源電路，包括電源模塊、可充電電池和系統電源，還包括超級電容模組；所述超級電容模組包括降壓電路、超級電容和升壓電路；電源模塊通過降壓電路連接超級電容並給超級電容充電；超級電容的輸出電能通過升壓電路升壓後通過系統電路對外供電。

由於超級電容一般是處在低壓端，如果超級電容的充電電壓要求比較高，那麼需要增加大量的蓄電池來提高輸入電壓，這會增加系統成本及使用空間，給實際使用帶來不便。

技術實現要素：

為了解決超級電容的充電電壓只能高於或低於電池電壓的問題，本發明提供了一種能夠實現升降壓的超級電容充電系統。其集成降壓變換器及升壓變換器的優點，可以大大的減小充電系統的成本投入，安全可靠。

為了能夠達到上述目的，本發明的系統包括：電池模塊，升降壓模塊以及超級電容模組。其中電池模塊由電池bat1構成；升降壓模塊包括升壓電路、母線電容c1和降壓電路。

升壓電路包括輸入濾波電容c4，升壓電感l1，升壓igbt模塊q1；降壓電路包括降壓igbt模塊q2，降壓電感l2，輸出濾波電容c3。

其中電池bat1兩端與輸入濾波電容c4兩端連接，同時輸入濾波電容c4一端還與升壓電感l1連接，升壓電感l1另一端連接升壓igbt模塊q1的交流端(如圖1ac端)，升壓igbt模塊q1兩端與母線電容c1連接，同時母線電容c1兩端與降壓igbt模塊q2兩端連接，降壓igbt模塊q2交流端(如圖1ac端)與降壓電感l2連接，降壓電感l2另一端與輸出濾波電容c3連接，同時輸出濾波電容c3兩端連接超級電容模組c2。

工作時，通過前級升壓電路將母線電容電壓抬高並保持穩定，在母線電壓穩定後，開啟後級降壓電路，將超級電容電壓升高至目標電壓，超級電容充電電壓可以設置為任意低於母線電壓的值。前級升壓電路與後級降壓電路通過母線電容解耦為單獨的boost電路與buck電路，系統安全可靠，控制簡單、使用方便。

附圖說明

圖1是基於電池的超級電容充電系統框架原理圖；

圖2是基於電池的超級電容充電系統前級升壓電感能量存儲工作原理圖；

圖3是基於電池的超級電容充電系統前級升壓電感能量釋放工作原理圖；

圖4是基於電池的超級電容充電系統後級降壓電感能量存儲工作原理圖；

圖5是基於電池的超級電容充電系統後級降壓電感能量釋放工作原理圖。

具體實施方式

通過控制升壓igbt模塊下管的開通和關斷實現輸入電壓的提升，並保持穩定，通過控制降壓igbt模塊上管的開通和關斷實現對輸出電壓，電流的控制。電容c4的作用是輸入濾波，能大幅度的減小電池輸入紋波電流；電容c3的作用是輸出濾波，能大幅度的減小充電電流紋波。

具體工作過程如下：升壓電路和降壓電路通過電容c1解耦，單獨控制。如圖2所示，igbt模塊q1開通下管時滿足等式1：

如圖3，igbt模塊q1關斷下管時滿足等式2：

為了保證系統穩定工作，滿足δiboostdowm＝δiboostup,化簡式1、2得到式3；

其中:

vbat電池電壓；vc1電容c1電壓；

l1升壓電感電感量；

δiboostup開通時電感l1的上升電流；

δiboostdown關斷時電感l1的下降電流；

tonboost開通時間；donboost佔空比；

toffboost關斷時間；

可以通過控制donboost保持電容電壓vc1恆定。

假定前級電路控制電容電壓vc1恆定，後級電路工作過程如圖4、圖5。

如圖4，igbt模塊q2開通上管時滿足等式4：

如圖5，igbt模塊q2關斷上管時滿足等式5：

為了保證系統穩定工作，滿足δibuckdowm＝δibuckup,化簡式4、5得到式6；

vc3＝vc1*donbuck------------------6

其中:

vc1電容c3電壓；vc1電容c1電壓；

l2降壓電感電感量；

δibuckup開通時電感l2的上升電流；

δibuckdown關斷時電感l2的下降電流；

tonbuck開通時間；donbuck佔空比；

toffbuck關斷時間；

通過控制donbuck保持電容電壓vc3恆定。

上述實施方式僅是示例性的示出本發明，並不企圖限制本發明。另外對於沒有詳細描述的步驟屬於本領域技術人員熟知的技術內容。對於涵蓋在本發明構思內的相應的變換和更改均在本發明範圍內。