一種具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路的製作方法
2023-05-31 09:59:21 1
一種具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路的製作方法
【專利摘要】一種具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路，超級電容器組的每個超級電容器單體並聯一個洩能控制模塊和一個電壓檢測和信號傳輸模塊；所有洩能控制模塊均與第一二極體（D1）並聯，第一電感（L1）和第一二級管（D1）串聯後與能量轉移電容（Ct）並聯；電壓檢測和信號傳輸模塊為控制器（401）提供每個超級電容器單體是否過充的信號，電壓檢測電路（301）與超級電容器組相連，並向控制器（401）傳遞信號，為控制器（401）提供所述超級電容器組的電壓狀態；控制器（401）控制洩能控制模塊和充電控制電路（501）實現均衡超級電容器組內各個單體間的電壓和DC/DC降壓充電的功能。
【專利說明】—種具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種充電電路，尤其涉及一種超級電容器組用充電電路。
【背景技術】
[0002]超級電容器單體的額定工作電壓很低，在應用中，需要串聯成組來滿足各種應用需要。由於工藝誤差和器件老化，超級電容器組中的各個單體的特性參數往往不同，造成超級電容器單體間電壓不均衡，使部分單體處於過充或過放狀態，導致部分單體損壞，進而是整個超級電容器儲能系統失效。
[0003]目前針對這一問題，普遍使用能耗型電壓均衡類電路。該類電路通過電壓採集或比較，監視每一超級電容器單體電壓，由處理器控制開關，投切與超級電容器單體相併聯的能耗電阻，將過充的能量以熱能的形式消耗掉。但這一方法存在兩個嚴重的問題:一是消耗的能量降低了儲能系統的儲能效率；二是增加了散熱成本，尤其在緊湊的大型儲能系統上表現更為明顯。
[0004]另一類電壓均衡電路是將過充的超級電容器上的多餘能量通過DC/DC(包括buck/boost電路、CUk電路等)電路網絡，轉移到鄰近電容器上，這種電路控制複雜，轉移速率低，轉移效率低，器件眾多，價格昂貴，所以這類電路在實際應用中很難推廣。一種改進辦法是用帶隔離變壓器的DC/DC變換法(正激式或反激式變換法)，但磁路複雜，體積較大，繞組不易擴充且均衡誤差大。
[0005]還有人嘗試以變壓器為中介，將電源變壓為幅值相等的多路交流電源，然後通過AC/DC電壓轉換，給儲能系統充電，同樣，在實際應用中，與帶隔離變壓器的DC/DC變換法遇到了相同的問題。
[0006]中國專利200510086793.4中，利用開關網絡，開關電容，將多餘的能量轉移到電容上，而不是消耗掉，然後將這部分能量再轉移到儲能系統中電壓最低的電容上。這一方法克服了以上方法中諸多問題，但仍然遇到電壓檢測和雙向開關複雜的問題，同時由於能量轉移電容上的電壓與超級電容單體上的電壓差值較小，轉移速度較慢。
【發明內容】
[0007]本發明目的在於克服現有超級電容器串聯充電時電壓不匹配的問題，提出一種具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路。本發明在回收能量的同時，還具有電路簡單、成本低廉、均壓速度快、實用可靠等諸多優點。
[0008]使用本發明充電電路的超級電容器組串聯的超級電容器單體數量為N，N的取值範圍為2至200。本發明充電電路由一個能量轉移電容、第一電感、第一二級管、N個洩能控制模塊、N個電壓檢測和信號傳輸模塊、一個充電控制電路、一個控制器，以及一個電壓檢測電路組成。每個超級電容器單體並聯一個洩能控制模塊和一個電壓檢測和信號傳輸模塊。N個洩能控制模塊均與第一二極體並聯，第一電感和第一二級管串聯後與能量轉移電容並聯；能量轉移電容的作用是臨時存儲回收的能量，第一電感可以在超級電容器向能量轉移電容上轉移能量的時候限制電流，第一二極體與第一電感是超級電容器向能量轉移電容上轉移能量的DC/DC降壓電路的一部分。洩能控制模塊為能量回收提供流動通道，電壓檢測和信號傳輸模塊判斷超級電容器單體是否過充，並向控制器傳遞每個超級電容器單體是否過充的信號；電壓檢測電路與超級電容器組相連，實時檢測超級電容器組的電壓狀態，為控制器提供所述超級電容器組的電壓狀態；洩能控制模塊、充電控制電路均與控制器相連，控制洩能控制模塊和充電控制電路實現平衡電壓和DC/DC降壓充電功能。
[0009]所述的洩能控制模塊由第一開關、第二開關、第一電阻、第二電阻和第一光耦連接而成；第一開關和第二開關可以使用N溝道MOS管，此外還可使用GTO、IGBT和三極體等多種開關，以下內容以MOS管為例。如果使用GT0，以下MOS管的漏極替換為GTO的陽極，MOS管的柵極替換為GTO的門極，MOS管的源極替換為GTO的陰極；如果使用IGBT，以下MOS管的漏極替換為IGBT的集電極，MOS管的柵極替換為IGBT的門極，MOS管的源極替換為IGBT的發射極；如果使用三極體，以下MOS管的漏極替換為三極體的集電極，MOS管的柵極替換為三極體的基極，MOS管的源極替換為三極體的發射極。第一開關的漏極和第一光耦接收管的集電極相連，第一開關的柵極、第二開關的柵極、第一電阻的一端和第一光耦接收管的發射極相連，第一電阻的另一端與第二開關的源極相連；第二電阻的一端與第一光耦發射管的負極相連，第二電阻的另一端與控制器共地。第一開關的源極定義為洩能控制模塊的E埠、第一開關的漏極定義為洩能控制模塊的G埠，第二開關的漏極定義為洩能控制模塊的F埠、第二開關的源極定義為洩能控制模塊的H埠，第一光耦發射管的正極定義為洩能控制模塊的CON埠。
[0010]所述的電壓檢測和信號傳輸模塊包括電壓比較電路和信號傳輸電路。電壓比較電路包括電壓比較電路和信號傳輸電路。電壓比較電路包括第三電阻、第四電阻、第五電阻、第一穩壓管和第一比較器。第三電阻與第四電阻串聯，形成一個分壓電路，分壓後的信號從第三電阻和第四電阻的中點引出後與第一比較器的同相輸入端相連；第三電阻的另一端連接第一比較器的電源正極，第四電阻的另一端連接第一比較器的電源負極。第五電阻的一端、第一穩壓管的正極和第一比較器的反相輸入端相連，第五電阻的另一端與第一比較器的電源正極相連，第一穩壓管的負極與第一比較器的電源負極相連；信號傳輸電路包括第六電阻、第七電阻和第二光稱。第六電阻接在第一比較器的輸出端和第二光稱的發射管正極之間，第二光耦發射管的負極與第一比較器的電源負極相連，第七電阻和第二光耦接收管的發射極連接，是為了限制流過第二光耦接收管的電流大小，第七電阻的另一端與控制器共地，第二光耦接收管的另一端與控制器共電源，第二光耦接收管的射極與第一比較器的電源負極相連。第一比較器的電源正極定義為電壓檢測和信號傳輸模塊的M埠、第一比較器的電源負極定義電壓檢測和信號傳輸模塊的N埠，第二光耦接收管的發射極定義為電壓檢測和信號傳輸模塊的T埠。
[0011]所述的充電控制電路由第八電阻、第九電阻、第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第三開關、第四開關、第三光耦、第四光耦、第二二極體、第三二極體、第四二極體，以及第二電感組成。第三開關和第四開關為N溝道MOS管，此外還可使用GTO、IGBT和三極體等多種開關，以下內容以MOS管為例。如果使用GT0，以下MOS管的漏極替換為GTO的陽極，MOS管的柵極替換為GTO的門極，MOS管的源極替換為GTO的陰極；如果使用IGBT，以下MOS管的漏極替換為IGBT的集電極，MOS管的柵極替換為IGBT的門極，MOS管的源極替換為IGBT的發射極；如果使用三極體，以下MOS管的漏極替換為三極體的集電極，MOS管的柵極替換為三極體的基極，MOS管的源極替換為三極體的發射極。第三光耦發射管的負極與第十電阻相連，第四光耦的發射管的負極與第十三電阻相連，第十電阻和第十三電阻的另一端均與控制器共地；第三光耦的接收管的集電極經過第八電阻與第四二級管的負極相連，第四光耦的接收管的集電極經過第十一電阻與第四二級管的負極相連。第九電阻、第三開關的柵極和第三光耦的接收管的發射極相連，第十二電阻、第四開關的柵極和第四光耦接收管的發射極相連，第九電阻的另一端、第十二電阻的另一端、第三開關的源極和第四開關的源極連接在一起。第三開關的漏極與第二二級管負極相連，第四開關的漏極與第三二級管的的正極相連，第二二級管的正極和第三二級管的負極相連，第二二級管的作用是防止能量轉移電容上能量轉移結束後繼續反向充電，第三二級管的作用是防止在過充洩能模式下，過衝超級電容器單體的低電位端直接與直流電源負極相接。第二電感、第四二級管的正極和第四開關的漏極相連，第二電感的另一端定義為充電控制電路的Z埠，第三光耦發射管的正極定義為充電控制電路的C0N5埠、第四光耦的發射管的正極定義充電控制電路的C0N6埠，第四開關的源極定義為充電控制電路的V埠，第二二極體的正極定義為充電控制電路的X埠、第二二極體的負極定義為充電控制電路的W埠，第四二級管的負極定義為充電控制電路的Y埠。
[0012]電壓檢測電路為一片A\D轉換晶片，電壓檢測電路的正極電壓輸入端定義為電壓檢測電路的P埠，電壓檢測電路的負極電壓輸入端定義為電壓檢測電路的Q埠，電壓檢測電路的輸出端定義為電壓檢測電路的U埠。
[0013]超級電容器組的正極與直流充電電源的正極相連，直流充電電源通過充電控制電路向超級電容器轉移能量。洩能控制模塊的E埠與第一二極體的負極相連，洩能控制模塊的F埠與第一二極體的正極相連，第一電感和第一二級管串聯後與能量轉移電容並聯，第一電感的另一端、能量轉移電容(如果使用有極性的能量轉移電容，此端需是正極)和充電控制電路的X埠相連，能量轉移電容的另一端、充電控制電路的Y埠、第一二極體的正極和所有洩能控制模塊的F埠連接在一起。每個超級電容器單體並聯一個洩能控制模塊和一個電壓檢測和信號傳輸模塊，洩能控制模塊的G埠、電壓檢測和信號傳輸模塊的M埠與所並聯的超級電容器單體的正極相連，洩能控制模塊的H埠和電壓檢測和信號傳輸模塊的N埠與所並聯的超級電容器單體的負極相連。電壓檢測電路的P埠與超級電容器組的正極相連，電壓檢測電路的Q埠、超級電容器組的負極和充電控制電路的Z埠連接在一起。所有電壓檢測和信號傳輸模塊的T埠和電壓檢測電路的U埠 U與控制器傳連接，用以監視超級電容器每一單體和超級電容器組的電壓狀態，控制器與充電控制電路的C0N5埠、C0N6埠和所有洩能控制模塊的CON埠均相連，以控制整個充電電路的能量轉移。充電控制電路的W埠與直流充電電源的正極相連，充電控制電路的V埠與直流充電電源的負極相連。
[0014]本發明的工作過程如下:
[0015]所述的電壓檢測和信號傳輸模塊實時檢測並向控制器傳遞超級電容器單體上的電壓狀態；全部N個超級電容器單體上電壓未超過門限電壓時，控制器控制充電控制電路對超級電容器組進行充電，此工作狀態稱為正常充電模式；當某一超級電容器單體電壓超過門限電壓，控制器控制與過充超級電容器單體並聯的洩能控制模塊，將此超級電容器單體上多餘能量洩放到能量轉移電容上，此工作狀態稱為過充洩能模式；待過充超級電容器單體上電壓恢復到額定電壓時，控制器關斷所有N個洩能控制模塊的開關，將能量轉移電容與超級電容器單體隔離，通過控制充電控制電路，將已充電的能量轉移電容串入充電迴路對超級電容器組進行充電，此時，能量轉移電容儲存的能量被轉移到超級電容器組中，此狀態稱為能量轉移模式；待能量轉移狀態維持設定時間後，整個充電電路恢復到正常充電模式；如此循環，直到電壓檢測電路提供的信息顯示超級電容器組充電已滿，控制器關斷洩能控制模塊和充電控制電路的所有開關，充電結束。
[0016]本發明與現有技術相比，優點在於:
[0017]1.過充的能量得以回收，降低能耗的同時，還避免了散熱的麻煩。
[0018]2.所有開關器件均為單向開關，避免了使用雙向開關的麻煩，同時降低了成本。
[0019]3.能量轉移速度快。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明實施例的電路原理圖；
[0021]圖2洩能控制模塊的電路原理圖；
[0022]圖3電壓檢測和信號傳輸模塊的電路原理圖；
[0023]圖4充電控制電路的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0025]如圖1所示，本發明實施例的應用對象為由四個超級電容器單體串聯組成的一個超級電容器組。四個超級電容器單體分別為C1、C2、C3和C4。
[0026]本發明實施例的充電電路由能量轉移電容Ct,第一電感LI,第一二級管Dl,四個洩能控制模塊101、102、103、104，四個電壓檢測和信號傳輸模塊201、202、203、204，充電控制電路501，控制器401以及電壓檢測電路301組成。每個超級電容器單體並聯一個洩能控制模塊和一個電壓檢測和信號傳輸模塊；四個洩能控制模塊均與第一二極體Dl並聯，第一電感LI和第一二級管Dl串聯後與能量轉移電容Ct並聯；電壓檢測和信號傳輸模塊為控制器401提供每個超級電容器單體是否過充的信號，電壓檢測電路301與超級電容器組相連，並向控制器401傳遞信號，為控制器401提供所述超級電容器組的電壓狀態；控制器401控制洩能控制模塊和充電控制電路501實現平衡電壓和DC/DC降壓充電功能。
[0027]所述的能量轉移電容Ct對是否具有極性沒有要求，為了提高電路的能量轉移速率，需要使用容量相對較大的電容器，其容量大小根據超級電容器單體的大小和所需轉移速率設定，可使用有極性的超級電容器或電解電容。第一電感LI和第一二級管Dl串聯後與能量轉移電容Ct並聯(如果能量轉移電容有極性，電感與能量轉移電容正極相連)，第一電感LI和第一二級管Dl的主要作用是為了避免超級電容器單體直接加在能量轉移電容Ct上引起電流過大。在超級電容器單體直接對能量轉移電容Ct充電電流不大的情況下，可以省略電感LI和第一二級管D1，將能量轉移電容Ct直接與所有洩能控制模塊並聯。
[0028]四個洩能控制模塊101、102、103、104內部電路的結構相同。每個洩能控制模塊有E、F、G、H、C0N五個埠，其中洩能控制模塊101、102、103、104的E埠與第一二極體Dl的負極相連，即第一洩能控制模塊101的El埠、第二洩能控制模塊102的E2埠、第三洩能控制模塊103的E3埠和第四洩能控制模塊104的E4埠均與第一二極體Dl的負極相連；洩能控制模塊101、102、103、104的F埠與第一二極體Dl的正極相連，即第一洩能控制模塊101的Fl埠、第二洩能控制模塊102的F2埠、第三洩能控制模塊103的F3埠和第四洩能控制模塊104的F4埠與第一二極體Dl的正極相連；每個洩能控制模塊均通過G埠和H埠並聯一個超級電容器單體，即第一洩能控制模塊101的Gl埠連接超級電容器單體Cl的正極，第一洩能控制模塊101的Hl埠連接超級電容器單體Cl的負極，第二洩能控制模塊102的埠 G2連接超級電容器單體C2的正極，第二洩能控制模塊102的埠 H2連接超級電容器單體C2的負極，第三洩能控制模塊103的埠 G3連接超級電容器單體C3的正極，第三洩能控制模塊103的埠 H3連接超級電容器單體C3的負極，第四洩能控制模塊104的G4埠連接超級電容器單體C4的正極，第四洩能控制模塊104的H4埠連接超級電容器單體C4的負極。洩能控制模塊的CON埠與控制器401相連且受控於控制器401，即第一洩能控制模塊101的CONl埠、第二洩能控制模塊102的C0N2埠、第三洩能控制模塊103的C0N3埠和第四洩能控制模塊104的C0N4埠與控制器401相連且受控於控制器401。洩能控制模塊可以為超級電容器單體向能量轉移電容Ct傳遞能量提供通路。
[0029]四個電壓檢測和信號傳輸模塊201、202、203、204內部電路的結構相同。電壓檢測和信號傳輸模塊的功能是對超級電容器單體電壓進行檢測或比較，並向控制器傳遞信號。每個電壓檢測和信號傳輸模塊有M、N、T三個埠，其中M埠和N埠與一個超級電容器單體的正負兩端並聯，T埠與控制器相連。即:第一電壓檢測和信號傳輸模塊201的Ml埠與第一超級電容Cl的正極相連,第一電壓檢測和信號傳輸模塊201的NI埠與第一超級電容Cl的負極相連；第二電壓檢測和信號傳輸模塊202的M2埠與第二超級電容C2的正極相連，第二電壓檢測和信號傳輸模塊202的N2埠與第二超級電容C2的負極相連；第三電壓檢測和信號傳輸模塊203的M3埠與第三超級電容C3的正極相連，第三電壓檢測和信號傳輸模塊203的N3埠與第三超級電容C3的負極相連；第四電壓檢測和信號傳輸模塊204的M4埠與第四超級電容C4的正極相連，第四電壓檢測和信號傳輸模塊204的N4埠與第四超級電容C4的負極相連；第一電壓檢測和信號傳輸模塊201的Tl埠與控制器401相連，第二電壓檢測和信號傳輸模塊202的T2埠與控制器401相連，第三電壓檢測和信號傳輸模塊203的T3埠與控制器401相連,第四電壓檢測和信號傳輸模塊204的T4埠與控制器401相連。
[0030]充電控制電路501實現直流充電電源的DC/DC降壓，給超級電容器組充電，並將能量轉移電容Ct串入充電迴路，回收能量。充電控制電路501共有七個埠，充電控制電路501通過其中的X和Y兩個埠與能量轉移電容Ct並聯，通過C0N5和C0N6兩個埠與控制器401相連，通過W埠與直流充電電源相連，通過V埠與直流充電電源的負極相連，通過Z埠與超級電容器組的負極相連。
[0031]電壓檢測電路301為控制器401提供超級電容器組兩端的實時電壓狀態，電壓檢測電路301的P埠與超級電容器組的正極相連，Q埠與超級電容器組的負極相連，其餘的一個U埠向控制器401傳遞信號。電壓檢測電路可以使用A/D轉換等多種方式。
[0032]本發明充電電路的工作過程為:[0033]電壓檢測電路301為控制器401提供超級電容器組兩端的實時電壓狀態，四個電壓檢測和信號傳輸模塊201、202、203、204實時向控制器401傳遞四個超級電容器單體Cl、C2、C3、C3的電壓狀態，當全部超級電容器單體的電壓均未超過門限電壓時，控制器401通過關斷四個洩能控制模塊101、102、103、104的開關S1、S2來將能量轉移電容Ct與超級電容器組隔離開，同時控制充電控制電路501對超級電容器組進行充電，由直流充電電源、超級電容器組、充電控制電路共同構成主充電迴路，此工作狀態稱為正常充電模式；
[0034]當某一超級電容器單體電壓超過門限電壓，與該超級電容器單體並聯的電壓檢測和信號傳輸模塊向控制器401發出過充指示信號，控制器401接收到過充指示信號後控制與所述過充超級電容器單體並聯的洩能控制模塊，將過充超級電容器單體多餘的能量洩放到能量轉移電容Ct上，此時第一電感L1、第一二極體D1、洩能控制模塊、過充超級電容器單體、能量轉移電容共同構成一個DC/DC降壓充電電路。同時充電控制電路可以切斷主充電迴路，也可正常充放電，此工作狀態稱為過充洩能模式；
[0035]待過充超級電容器單體上電壓恢復到門限電壓，電壓檢測和信號傳輸模塊取消向控制器發出過充指示信號，此時需要延時過充洩能模式，否則電壓檢測和信號傳輸模塊會在恢復正常充電模式後反覆向控制器發出過充信號，延時長度需要適當設計。延時結束後，控制器切斷所有洩能控制模塊，通過控制充電控制電路，將已充電的能量轉移電容串入充電迴路對超級電容器組進行充電，此時，能量轉移電容儲存的能量被轉移到超級電容器組中，此狀態稱為能量轉移模式；
[0036]能量轉移狀態的維持時間需要根據能量轉移電容大小和充電電流大小等因素進行適當設定，能量轉移狀態結束後，電路回到正常充電模式。直到電壓檢測電路提供的信息顯示超級電容器組充電已滿，控制器切斷洩能控制模塊、充電控制電路，充電結束。
[0037]本發明電路層次清晰，電路簡單，安裝簡便，易於模塊化，所有能量流動方向均為單向流動，避免了雙向開關的麻煩，且轉移速度快。
[0038]圖2為所述洩能控制模塊的電路結構一種實施例。
[0039]如圖2所示，洩能控制模塊由第一開關S1、第二開關S2、第一電阻R1、第二電阻R2和第一光耦01連接而成；第一開關SI和第二開關S2可以使用N溝道MOS管，此外還可使用GTO、IGBT和三極體等多種開關，以下內容以MOS管為例。如果使用GT0，以下MOS管的漏極替換為GTO的陽極，MOS管的柵極替換為GTO的門極，MOS管的源極替換為GTO的陰極；如果使用IGBT，以下MOS管的漏極替換為IGBT的集電極，MOS管的柵極替換為IGBT的門極，MOS管的源極替換為IGBT的發射極；如果使用三極體，以下MOS管的漏極替換為三極體的集電極，MOS管的柵極替換為三極體的基極，MOS管的源極替換為三極體的發射極。第一開關SI的漏極和第一光耦01接收管的集電極相連，第一開關SI的柵極、第二開關S2的柵極和第一電阻Rl的一端均與第一光耦01接收管的發射極相連，第一電阻Rl的另一端與第二開關S2的源極相連；第二電阻Rl的一端與第一光耦01發射管的負極相連，第二電阻R2的另一端與控制器共地。第一開關SI的源極定義為洩能控制模塊的E埠，第一開關SI的漏極定義為洩能控制模塊的G埠，第二開關S2的漏極定義為洩能控制模塊的F埠，第二開關S2的源極定義為洩能控制模塊的H埠，第一光耦01發射管的正極定義為埠洩能控制模塊的CON埠。
[0040]圖3為所述電壓檢測和信號傳輸模塊結構的一種實施例。[0041]如圖3所示，電壓檢測和信號傳輸模塊包括電壓比較電路和信號傳輸電路。電壓比較電路包括第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第一穩壓管Wl和第一比較器COMl。第三電阻R3與第四電阻R4串聯，形成一個分壓電路，為降低損耗，理論上第三電阻R3和第四電阻R4阻值越大越好，分壓後的信號從第三電阻R3和第四電阻R4的中點引出後與第一比較器COMl的同相輸入端相連；第三電阻R3的另一端連接第一比較器COMl的電源正極，第四電阻R4的另一端連接第一比較器COMl的電源負極。第五電阻R5與第一穩壓管Wl串聯形成一個穩壓電路，穩壓管輸出的穩定電壓作為基準值Vref,第五電阻R5的一端與第一穩壓管Wl的正極和第一比較器COMl的反相輸入端相連；第五電阻R5的另一端與第一比較器COMl的電源正極相連，第一穩壓管Wl的負極與第一比較器COMl的電源負極相連。信號傳輸模塊包括第六電阻R6、第七電阻R7和第二光稱02。第六電阻R6接在第一比較器COMl的輸出端和第二光耦02的發射管正極之間，是為了限制流過第二光耦02發射管的電流大小，第二光稱02發射管的負極與第一比較器COMl的電源負極相連。第七電阻R7和第二光耦02接收管的發射極連接，是為了限制流過第二光耦接收管的電流大小，第七電阻R7的另一端與控制器401共地,第二光稱02接收管的另一端與控制器401共電源。第一比較器COMl的電源正極定義為電壓檢測和信號傳輸模塊的M埠，第一比較器COMl的電源負極定義為電壓檢測和信號傳輸模塊的N埠，第二光耦接收管的發射極定義為壓檢測和信號傳輸模塊的T埠。比較器COMl的電源電壓取自與之並聯的超級電容器單體，這樣可以避免額外設計電源電路的麻煩。設門限電壓為Vmax，R3和R4的阻值分別為R3和R4，則R4/(R3+R4)=Vref/Vmaxο
·[0042]圖4為所述充電控制電路的電路結構一種實施例；
[0043]如圖4所示，充電控制電路由第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第i^一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第三開關S3、第四開關S4、第三光耦03、第四光耦
04、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4和第二電感L2組成。第三開關和第四開關為N溝道MOS管，此外還可使用GTO、IGBT和三極體等多種開關，以下內容以MOS管為例。如果使用GT0，以下MOS管的漏極替換為GTO的陽極，MOS管的柵極替換為GTO的門極，MOS管的源極替換為GTO的陰極；如果使用IGBT，以下MOS管的漏極替換為IGBT的集電極，MOS管的柵極替換為IGBT的門極，MOS管的源極替換為IGBT的發射極；如果使用三極體，以下MOS管的漏極替換為三極體的集電極，MOS管的柵極替換為三極體的基極，MOS管的源極替換為三極體的發射極。第三光耦03的發射管的負極與第十電阻RlO相連，第四光耦04的發射管的負極與第十三電阻R13相連，第十電阻RlO和第十三電阻R13的另外一端均與控制器401共地；第三光耦03的接收管的集電極經過第八電阻R8與第四二級管D4的負極相連，第四光耦04的接收管的集電極經過第十一電阻Rll與第四二級管D4的負極相連。第九電阻R9與第三開關S3的柵極和第三光耦03的接收管的發射極相連，第十二電阻R12與第四開關S4的柵極和第四光耦04的接收管的發射極相連；第九電阻R9另一端、第十二電阻R12的另一端、第三開關S3的源極和第四開關S4的源極連接在一起。第三開關S3的源極和第四開關S4的源極分別與直流電源的負極相連，第三開關S3的漏極與第二二級管D2的負極相連，第四開關S4的漏極與第三二級管D3的正極相連，第二二級管D2的正極和第三二級管D3的負極相連。第二二級管D2的作用是防止能量轉移電容上能量轉移結束後繼續反向充電，第三二級管D3的作用是防止在過充洩能模式下，過衝超級電容器單體的低電位端直接與直流電源負極相接。第二電感L2與第四二級管D4的正極和第四開關S4的漏極相連。第二電感L2的另一端定義為埠 Z，第三光耦03的正極定義為充電控制電路的C0N5，第四光耦04的發射管的正極定義為充電控制電路的C0N6埠，第四開關S4的源極定義為充電控制電路的V埠，第二二極體D2的正極定義為充電控制電路的X埠，第二二極體D2的負極定義為充電控制電路的W埠，第四二級管D4的負極定義為充電控制電路的Y埠。
[0044]結合圖2、圖3和圖4，對本發明工作過程進行以下說明。
[0045]假設超級電容器組中，超級電容器單體C1、C2、C3、C4的電容值分別為C1、C2、C3、C4，且電容值Cl<C2〈C3〈C4。充電開始時，控制器401通過控制CONl、C0N2、C0N3、C0N4、C0N5埠向洩能控制模塊101、102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第三開關S3輸入低電平，洩能控制模塊101、102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第三開關S3均被關斷，洩能控制模塊將能量轉移電容Ct和超級電容器組隔開，同時第三開關S3將能量轉移電容Ct與充電電路501隔開。控制器通過控制埠 C0N6向第四開關S4輸入PWM波，第四開關S4在PWM波的高電平期間導通，在低電平期間關斷，此時，直流充電電源、超級電容器、第二電感L2、第四開關S4、第四二級管D4構成一個DC/DC降壓充電電路，PWM波需要根據充電電流的大小適當設計，此時，充電電路工作於正常充電模式。
[0046]由於第一超級電容器單體Cl的電容值最小，其電壓上升速度較其餘超級電容器單體C2、C3、C4要快，會最先超過門限電壓(在安全範圍以內，門限電壓適當高於超級電容器單體的額定電壓)，此時第一電壓檢測和信號傳輸模塊201中的電壓比較器電路會輸出高電平，將第一光稱01的發光管點亮,第一光稱01的接收管導通,Tl埠上的電壓為高電平。控制器401檢查到Tl埠的高電平後，立即控制洩能控制模塊101的CONl埠向第一洩能控制模塊101發出PWM波，在PWM波的高電平期間，第一洩能控制模塊101的第一開關SI和第二開關S2同時導通，在PWM波的低電平期間，第一洩能控制模塊101的第一開關SI和第二開關S2同時關斷。此 時，第一超級電容器單體Cl、第一洩能控制模塊101的第一開關S1、第一電感L1、能量轉移電容Ct、第一洩能控制模塊101的第二開關S2和第一二極體Dl構成一個DC/DC降壓充電電路，第一超級電容器單體Cl上多餘的能量向能量轉移電容Ct上轉移，此時，充電電路工作於過充洩能模式。在此模式下，控制器401通過控制第二、第三和第四洩能控制模塊102、103、104的0)吧、0^3、0)財埠和充電控制電路501的C0N5埠向第二、第三和第四洩能控制模塊102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第三開關S3輸入低電平，第二、第三和第四洩能控制模塊102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第三開關S3均被關斷。充電控制電路501的第四開關S4根據設計需要，可以關斷也可工作於正常充電模式。
[0047]為了將第一超級電容器單體Cl上的電壓降到額定電壓，能量轉移電容Ct的大小需要適當設計。設門限電壓為Umax，超級電容器的電容值為C，額定電壓為Uw，為了使超級電容上多餘能量可以被一次性轉移走，能量轉移電容Ct的電容值大小應為:(UmaX-Uw)*C/Uw。過充洩能模式需要維持一定延時，延時長度根據完全轉移第一超級電容器單體Cl上多餘能量所需時間設定。
[0048]過充洩能模式延時結束後，控制器401通過控制洩能控制模塊101、102、103、104的埠 C0N1、C0N2、C0N3、C0N4和充電控制電路501的C0N6向洩能控制模塊101、102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第四開關S4輸入低電平，洩能控制模塊101、102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第四開關S4均被關斷，同時控制器401通過控制C0N5埠向充電控制電路501的第三開關S3輸入PWM波，第三開關S3在PWM波的高電平期間導通，在低電平期間關斷，此時，直流充電電源、超級電容器、第二電感L2、第三二級管D3、能量轉移電容Ct、第三開關S3和第四二級管D4構成一個DC/DC降壓充電電路，PWM波需要根據充電電流的大小適當設計，此時，充電電路工作於能量轉移模式。
[0049]為了將能量轉移電容Ct上的能量完全轉移，需要對能量轉移模式進行適當延時，延時長度根據完全轉移能量轉移電容Ct上的能量所需時間設定。第二二級管D2可以防止能量轉移電容Ct被反向充電。
[0050]能量轉移模式延時結束後，控制器401關斷第三開關S3和第四開關S4，此時，充電電路回到正常充放電模式時的工作狀態。
[0051 ] 電路按以上步驟循環進行，直到電壓檢測電路301指示超級電容器組充電已滿，控制器401通過控制洩能控制模塊101、102、103、104的C0N1、C0N2、C0N3、C0N4埠和充電控制電路501的C0N5和C0N6埠向洩能控制模塊101、102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第三開關S3、第四開關S4輸入低電平，洩能控制模塊101、102、103、104的第一開關S1、第二開關S2和充電控制電路501的第三開關S3、第四開關S4均被關斷，充電結束。
【權利要求】
1.一種具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路，所述的超級電容器組由N個超級電容器單體串聯而成，其特徵在於:所述的充電電路由一個能量轉移電容(Ct)、第一電感(LI )、第一二級管(D1 )、N個洩能控制模塊、N個電壓檢測和信號傳輸模塊、充電控制電路(501)、控制器(401)，以及電壓檢測電路(301)組成；每個超級電容器單體並聯一個洩能控制模塊和一個電壓檢測和信號傳輸模塊；N個洩能控制模塊均與第一二極體(Dl)並聯，第一電感(LI)和第一二級管(Dl)串聯後與能量轉移電容(Ct)並聯；電壓檢測和信號傳輸模塊為控制器(401)提供每個超級電容器單體是否過充的信號，電壓檢測電路(301)與超級電容器組相連，並向控制器(401)傳遞信號，為控制器(401)提供所述超級電容器組的電壓狀態；控制器(401)控制洩能控制模塊和充電控制電路(501)實現平衡電壓和DC/DC降壓充電功能。
2.根據權利要求1所述的具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路，其特徵在於；每個所述的洩能控制模塊的E埠與第一二極體(Dl)的負極相連，F埠與第一二極體(Dl)的正極相連，每個洩能控制模塊通過G埠和H埠均並聯一個超級電容器單體，每個電壓檢測和信號傳輸模塊通過M埠和N埠與一個超級電容器單體並聯，洩能控制模塊的G埠和電壓檢測和信號傳輸模塊的M埠與所並聯的超級電容器單體的正極相連，洩能控制模塊的H埠和電壓檢測和信號傳輸模塊的N埠與所並聯的超級電容器單體的負極相連；電壓檢測和信號傳輸模塊的T埠和電壓檢測電路(301)的U埠均與控制器(401)相連且向控制器(401)傳遞信號，電壓檢測電路(301)的P埠與超級電容器組的正極相連，電壓檢測電路(301)的Q埠、超級電容器組的負極和充電控制電路(501)的Z埠連接在一起；控制器(401)與充電控制電路(501)的C0N5埠、C0N6埠和N個洩能控制模塊的CON埠均相連，以控制整個充電電路的能量轉移；充電控制電路(501)的W埠與直流充電電源的正極相連，充電控制電路(501)的V埠與直流充電電源的負極相連；能量轉移電容(Ct)與第一二極體(Dl)正極相連的一端與充電控制電路(501)的Y埠相連，能量轉移電容(Ct)的另外一端與充電控制電路(501)的X埠相連。
3.根據權利要求1所述的具有電 壓均衡能力的超級電容器組用充電電路，其特徵在於:所述的洩能控制模塊由第一開關(SI)、第二開關(S2)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)和第一光耦(01)連接而成；第一開關(SI)和第二開關(S2)使用N溝道MOS管；第一開關的漏極和第一光耦(01)接收管的集電極相連，第一開關(SI)的柵極、第二開關(S2)的柵極、第一電阻(Rl)的一端均和第一光耦(01)接收管的發射極相連，第一電阻(Rl)的另一端與第二開關(SI)的源極相連；第二電阻(R2)的一端與第一光耦(01)發射管的負極相連，第二電阻(R2)的另一端與控制器(401)共地；第一開關(SI)的源極定義為洩能控制模塊的E埠，第一開關(SI)的漏極定義為洩能控制模塊的G埠，第二開關(S2)的漏極定義為洩能控制模塊的F埠，第二開關(S2)的源極定義為洩能控制模塊的H埠，第一光稱(01)發射管的正極定義為洩能控制模塊的CON埠。
4.根據權利要求1所述的具有電壓均衡能力的超級電容器組用充電電路，其特徵在於:所述的電壓檢測和信號傳輸模塊包括電壓檢測電路和信號傳輸電路，電壓檢測電路包括第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第一穩壓管(W1)、第一比較器(COMl);第三電阻(R3)與第四電阻(R4)串聯，形成一個分壓電路，分壓後的信號從第三電阻(R3)和第四電阻(R4)的中點引出後與第一比較器(COMl)的同相輸入端相連；第三電阻(R3)的另一端連接第一比較器(COMl)的電源正極，第四電阻(R4)的另一端連接第一比較器(COMl)的電源負極；第五電阻(R5)的一端、第一穩壓管(Wl)的正極和第一比較器的(COMl)反相輸入端相連；第五電阻(R5)的另一端與第一比較器(COMl)的電源正極相連，第一穩壓管(Wl)的負極與第一比較器(COMl)的電源負極相連；信號傳輸電路包括第六電阻(R6)、第七電阻(R7)和第二光耦(02);第六電阻(R6)接在第一比較器(COMl)的輸出端和第二光耦(02)的發射管正極之間，第二光耦(02)的發射管的負極與第一比較器(COMl)的電源負極相連；第七電阻(R7)和第二光耦(02)接收管的發射極連接，第七電阻(R7)的另一端與控制器(401)共地，第二光耦(02)接收管的另一端與控制器(401)共電源；第一比較器(COMl)的電源正極定義為電壓檢測和信號傳輸模的M埠，第一比較器(COMl)的電源負極定義為電壓檢測和信號傳輸模的N埠，第二光耦(02)接收管的發射極定義為電壓檢測和信號傳輸模的T埠。
5.根據權利要求1所述的具有電壓均衡能力的超級電容器組充電電路，其特徵在於:所述的充電控制電路(501)由第八電阻(R8)、第九電阻(R9)、第十電阻(R10)、第i^一電阻(R11)、第十二電阻(R12)、第十三電阻(R13)、第三開關(S3)、第四開關(S4)、第三光耦(03)、第四光耦(04)、第二二極體(D2)、第三二極體(D3)、第四二極體(D4)和第二電感(L2)組成；第三開關(S3)和第四開關(S4)為N溝道MOS管，此外還可使用GTO、IGBT和三極體等多種開關，以下內容以MOS管為例，如果使用其他開關，相應的埠名稱應做改變；第三光耦(03)發射管的負極與 第十電阻(RlO)相連，第四光耦(04)發射管的負極與第十三電阻(R13)相連，第十電阻(RlO)的另外一端和第十三電阻(R13)的另外一端均與控制器(401)共地；第三光耦(03)接收管的集電極經過第八電阻(R8)與第四二級管(D4)的負極相連，第四光耦(04)的接收管的集電極經過第十一電阻(Rll)與第四二級管(D4)的負極相連；第九電阻(R9)、第三開關(S3)的柵極和第三光耦(03)的接收管的發射極相連，第十二電阻(R12)、第四開關(S4)的柵極和第四光耦(04)的接收管的發射極相連，第九電阻(R9)的另一端、第十二電阻(R12)的另一端、第三開關(S3)的源極和第四開關(S4)的源極連接在一起；第三開關(S3)的漏極與第二二級管(D2)負極相連，第三二級管(D3)的正極、第四二級管(D4)的正極分別與第四開關(S4)的漏極相連，第二二級管(D2)的正極和第三二級管(D3)的負極相連；第二電感(L2)與第四開關(S4)的漏極相連，第二電感(L2)的另一端定義為充電控制電路的Z埠，第三光耦(03)發射管的正極定義為充電控制電路的C0N5埠，第四光耦(04)發射管的正極定義為充電控制電路的C0N6埠，第四開關(S4)的源極定義為充電控制電路的V埠，第二二極體(D2)的正極定義為充電控制電路的X埠，第二二極體(D2)的負極定義為充電控制電路的W埠，第四二級管(D4)的負極定義為充電控制電路的Y埠。
6.根據權利要求3或5所述的具有電壓均衡能力的超級電容器組充電電路，其特徵在於:所述的第一開關(SI)、第二開關(S2)、第三開關(S3)和第四開關(S4)使用GTO或IGBT或三極體替換N溝道MOS管。
7.根據權利要求1所述的具有電壓均衡能力的超級電容器組充電電路，其特徵在於:所述的電壓檢測電路的正極電壓輸入端定義為電壓檢測電路的P埠，電壓檢測電路的負極電壓輸入端定義為電壓檢測電路的Q埠，電壓檢測電路的輸出端定義為電壓檢測電路的U埠。
8.根據權利要求1、2、3、4、5或7的任一項所述的具有`電壓均衡能力的超級電容器組充電電路，其特徵在於:所述的電壓檢測和信號傳輸模塊實時向控制器(401)傳遞超級電容器單體上的電壓狀態；全部超級電容器單體上電壓未超過門限電壓時，控制器(401)控制充電控制電路(501)對超級電容器組進行充電，此工作狀態稱為正常充電模式；當某一超級電容器單體電壓超過門限電壓，控制器(401)控制與所述過充超級電容器單體並聯的洩能控制模塊，將所述過充超級電容器單體上多餘能量洩放到能量轉移電容上，過充超級電容器單體上電壓開始降低，此工作狀態稱為過充洩能模式；待過充超級電容器單體上電壓低於門限電壓時，控制器(401)切斷所有洩能控制模塊，通過控制充電控制電路(501)，將已充電的能量轉移電容(Ct)串入充電迴路對超級電容器組進行充電，此時，能量轉移電容(Ct)儲存的能量被轉移到超級電容器組中，此狀態稱為能量轉移模式；待能量轉移狀態維持設定時間後，整個充電電路恢復到正常充電模式；如此循環往復，直到電壓檢測電路(301)提供的信息顯示超級電容器組充電已滿，控制器(401)關斷洩能控制模塊和充電控制電路(501)，結束充電。
【文檔編號】H02J7/00GK103427462SQ201310362179
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】黃博, 馬衍偉, 韋統振, 張熊, 孫現眾, 張大成 申請人:中國科學院電工研究所