一種超級電容的雙向電流電壓可調的充放電系統的製作方法
2023-11-03 23:34:17
一種超級電容的雙向電流電壓可調的充放電系統的製作方法
【專利摘要】一種超級電容的雙向電流電壓可調的充放電系統，超級電容充放電【技術領域】。本發明所述的一種超級電容的雙向電流電壓可調充放電系統，由四個帶有反向二極體的IGBT模塊(Q1、Q2、Q3、Q4)、一個蓄流電感(L1)、兩個輸入輸出端中間儲能電容(C1、C2)、兩個電壓採集模塊(Vm1、Vm2)、兩個電流採集模塊(Cm1、Cm2)、兩個雙單元IGBT驅動模塊(D1、D2)和一個由意法半導體公司生產的STM32103VE微處理器(M1)組成。本發明所述的充放電系統，其突出效果為：採用數量較少的器件既可實現對超級電容寬電壓範圍的充放電的目的，避免了充放電電壓和阻抗不匹配而造成的電源或功率器件的損壞的問題。
【專利說明】—種超級電容的雙向電流電壓可調的充放電系統
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬於超級電容充放電【技術領域】，具體涉及一種針對超級電容的雙向電流電壓可調的充放電系統。
【背景技術】
[0002]超級電容生產技術的成熟與超級電容應用研究的突飛猛進的發展，給新型電源儲存裝置帶來了可能。超級電容作為具有大功率密度的供能裝置，在未來有著不可替代的位置。但是超級電容組的充電需要一個電壓隨超級電容兩端電壓變化而變化的電源，這樣對超級電容充電電源的要求就變高了，而且充電電源的電壓要高於超級電容兩端電壓才能為超級電容充電；而且超級電容的放電也是隨著自身電壓的減小而功率密度也減小的，並且不能給高於超級電容自身電壓的裝置供電。
[0003]目前常用的方法是單向的升壓或降壓來實現超級電容的充電與放電。這樣就會造成超級電容的充電電源只能是電壓高於超級電容的電壓，超級電容的放電裝置要求的工作電壓只能是接近或低於超級電容的電壓。這樣不僅使超級電容的應用不夠靈活，而且也局限了超級電容的使用方式。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是克服上述【背景技術】的不足，提供一種針對超級電容的雙向電流電壓可調的充放電系統。該系統能夠消除超級電容充放電的局限，具有雙向、電流電壓可調、調控簡單的特點。
[0005]本發明所述的一種超級電容的雙向電流電壓可調充放電系統，由四個帶有反向二極體的IGBT模塊(Q1、Q2、Q3、Q4)、一個蓄流電感(LI)、兩個輸入輸出端中間儲能電容(Cl、C2)、兩個電壓採集模塊(Vml、Vm2)、兩個電流採集模塊(Cml、Cm2)、兩個雙單元IGBT驅動模塊(D1、D2)和一個由意法半導體公司生產的STM32103VE微處理器(Ml)組成。
[0006]微處理器的四個控制端通過兩個雙單元IGBT驅動模塊連接四個IGBT模塊的控制輸入端，微處理器的信號採集端分別連接兩個電壓採集模塊和兩個電流採集模塊。IGBT模塊在斷開狀態時相當於一個反向二極體，即正向截止，反嚮導通；IGBT模塊在導通狀態時與導線的作用相同。蓄流電感在系統中作為在變壓時的中間蓄流部分。兩個輸入輸出端中間儲能電容在系統中作為中間儲能和輸入輸出濾波部分，使輸入輸出更為平滑。而兩個電壓採集模塊和兩個電流採集模塊則是對整個系統的進出埠進行監控的部分。微處理器則根據反饋的輸入電壓電流和輸出電壓電流，來控制四個IGBT的開通和關斷，進而協調輸入電壓電流和輸出電壓電流的關係。
[0007]本發明的工作原理是:在此充放電系統的輸入端與輸出端分別加入電壓採集模塊和電流採集模塊，然後實時監測輸入端與輸出端的電壓與電流。根據具體項目的要求以及實時的反饋信息對系統的工作狀態進行切換，或者是BUCK降壓電路，或者是BOOST升壓電路，亦或者是反向的BUCK降壓電路或反向的BOOST升壓電路。通過改變微處理器Ml控制四個IGBT模塊開關信號的頻率和導通佔空比，系統可做到恆流輸出、恆流輸入、恆壓輸出、恆壓輸入、恆功率輸出和恆功率輸入。這樣本系統在複雜的工況下，就可以靈活的應用。
[0008]本發明充放電方法及其實現系統的應用，其突出效果為:採用數量較少的器件既可實現對超級電容寬電壓範圍的充放電的目的，避免了充放電電壓和阻抗不匹配而造成的電源或功率器件的損壞的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0009]圖1:本發明的整體設計結構示意圖；
[0010]圖2:本發明在充電電壓高於超級電容電壓時IGBT模塊Ql閉合的充電電路結構示意圖。
[0011]圖3:本發明在充電電壓高於超級電容電壓時IGBT模塊Ql斷開的充電電路結構示意圖。
[0012]圖4:本發明在充電電壓低於超級電容電壓或充電電壓不足以維持超級電容恆流狀態充電時IGBT模塊Q4閉合的充電電路結構示意圖。
[0013]圖5:本發明在充電電壓低於超級電容電壓或充電電壓不足以維持超級電容恆流狀態充電時IGBT模塊Q4斷開的充電電路結構示意圖。
[0014]圖6:本發明在放電電壓要求比超級電容電壓低時IGBT模塊Q2閉合的放電電路
示意圖。
[0015]圖7:本發明在放電電壓要求比超級電容電壓低時IGBT模塊Q2斷開的放電電路
示意圖。
[0016]圖8:本發明在放電電壓要求比超級電容電壓高時IGBT模塊Q3閉合的放電電路示意圖。
[0017]圖9:本發明在放電電壓要求比超級電容電壓高時IGBT模塊Q3斷開的放電電路
示意圖。
[0018]圖10:本發明中電壓採集模塊的原理圖。
[0019]圖11:本發明在系統供電來自50V恆壓源的狀態下，系統20A恆流為超級電容組充電的超級電容組電壓變化示意圖。
[0020]圖12:本發明在超級電容組為系統供電並且系統功率輸出為25V恆壓、負載為定值電阻的狀態下，超級電容組電壓變化示意圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1:
[0022]本發明的思路是利用可切換的升壓與降壓電路對超級電容的輸入和輸出電壓進行調整，進而對超級電容進行平穩的充電和放電。
[0023]本發明的電流電壓可調的雙向充放電系統具有Ul和U2雙埠(如圖1所示)，由四個各自並聯與自身導通方向相反二極體的IGBT模塊(Ql、Q2、Q3、Q4)、兩個雙單元IGBT驅動模塊(Dl、D2)、一個蓄流電感(LI)、兩個輸入輸出端中間儲能電容(Cl、C2)、兩個電壓採集模塊(Vml、Vm2)、兩個電流採集模塊(Cml、Cm2)和一個微處理器(Ml)組成。
[0024]在Ul的正極端和U2的正極端間依次串聯有第一電流採集模塊Cml，集電極端與第一電流採集模塊Cml後端相連接、發射極端與蓄流電感LI前端相連接的第一 IGBT模塊Q1，蓄流電感LI,發射極端與蓄流電感LI後端相連接、集電極端與第二電流採集模塊Cm2前端相連接的第二 IGBT模塊Q2，第二電流採集模塊Cm2 ;第一電壓採集模塊Vml和第一中間蓄能電容Cl並聯，該並聯電路的一端接在第一 IGBT模塊Ql的集電極端，另一端接在Ul的負極端；第二中間蓄能電容C2和第二電壓採集模塊Vm2並聯，該並聯電路的一端接在第
二IGBT模塊的集電極端，另一端接在U2的負極端；第三IGBT模塊Q3的集電極端接在第一IGBT模塊Ql的發射極端，其發射極端接在Ul的負極端；第四IGBT模塊Q4的集電極端接在第二 IGBT模塊Q2的發射極端，其發射極端接在U2負極端；微處理器Ml通過第一 IGBT驅動控制模塊Dl與第一 IGBT模塊Ql和第三IGBT模塊Q3的門極端連接，通過第二 IGBT驅動控制模塊D2與第二 IGBT模塊Q2和第四IGBT模塊Q4的門極端連接；同時，微處理器Ml直接接收來自第一電流採集模塊Vml、第二電流採集模塊Vm2、第一電壓採集模塊Vml、第二電壓採集模塊Vm2的電流和電壓信號；
[0025]本實施例中，所述的超級電容均是錦州凱美能源有限公司定製的400V20F的超級電容組；所述的IGBT模塊(Q1Q2Q3Q4)均採用英飛凌公司生產的FZ600R17KE3的IGBT功率模塊，此模塊可承受1700V電壓和600A的電流；所述的電感(LI)均採用的是自製的電感，匝數為25，線圈由線芯結構為7根、直徑為2.5mm的銅導線纏繞而成，磁芯採用的是鐵氧體材料。經測試電感大小為5.6mH，可承受200A的電流；所述的兩個中間蓄能電容(Cl、C2)均採用深圳雅康達電容器有限公司供應的400V、4700uF的電容器；所述的兩個電壓採集模塊(Vml、Vm2)均由艾富利半導體公司供應的AD7606電壓採集模塊與分壓電阻組合而成，原理圖如圖6(電壓採集時，先對要採集的電壓通過阻值為100K的電阻Rl和阻值為IK的電阻R2進行電阻分壓，將電壓分到5V以內，然後再用AD7606電壓採集模塊對5V以內的電壓進行採集)。所述的兩個電流採集模塊(Cml、Cm2)均採用LEM電流傳感器，具體型號為LA200-P，測量範圍+/-200A ;所述的微處理器(Ml)採用的是意法半導體有限公司生產的STM32 「增強型」系列晶片STM32F103VE ;所述的IGBT雙單元驅動模塊(D1、D2)均採用的是CONCEPT公司生產的2SD315AI的IGBT驅動模塊。本發明的特點在於通過四個IGBT的開關動作可實現雙向升壓與降壓，並且可以平穩的對超級電容的輸入和輸出的電流電壓進行定向的控制。
[0026]實施例2:
[0027]以超級電容充電為例，將Ul作為充電電源輸入端，U2作為超級電容接入端。Ul電壓高於U2電壓時，微處理器Ml僅對Ql進行脈衝寬度調製的閉合和斷開控制，而對Q2、Q3、Q4則給出斷開信號控制，則此時IGBT模塊Q2、Q3、Q4的作用相當於一個二極體。當Ql閉合時系統電路就可以簡化為如圖2所示的電路，模塊Ql的作用相當於導線，此時電路中蓄流電感LI處於儲能階段，Ul端為蓄流電感LI和中間儲能電容C2提供能量，進而為U2端供電；當91斷開時整個電路就可以簡化為如圖3所示的電路，模塊Ql的作用相當於二極體，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，為中間儲能電容C2補償能量，進而為U2端供電。所以此時系統電路的狀態為由Ul到U2的BUCK降壓電路。由於BUCK電路原理與下文所述的BOOST電路原理為公知技術，本專利中不再贅述。通過輸入端和輸出端的電壓和電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Ql控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BUCK電路的降壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流。通過這樣的控制邏輯可以對超級電容進行恆流或者恆壓的充電。
[0028]當Ul端電壓低於U2端電壓或Ul端電壓不足以維持恆流狀態充電時，在微處理器Ml的控制下閉合Q1，此時Ql的作用相當於導線，對Q2和Q3給出斷開信號控制，此時IGBT模塊Q2和Q3的作用相當於一個二極體，對Q4進行導通脈衝寬度調製的閉合和斷開控制。當Q4閉合時系統電路就可以簡化為如圖4所示的電路，Q4的作用相當於導線，此時Ul端為蓄流電感LI提供能量，U2端的供電完全由中間儲能電容C2提供；當Q4斷開時系統電路就可以簡化為如圖5所示的電路，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，Ul端電源與蓄流電感LI同時為中間儲能電容C2提供能量，進而為U2端供電。那麼系統狀態將從由Ul到U2的BUCK降壓電路轉換成由Ul到U2的BOOST升壓電路。BOOST電路升壓原理在這裡就不贅述(公知技術)。通過輸入端和輸出端的電壓電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Q4控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BOOST電路的升壓比例，進而輸出端的電壓和電流。通過這樣的邏輯可以對超級電容進行恆流或者恆壓的充電。
[0029]如圖11所示，系統在供電來自50V恆壓源的狀態下，20A恆流為超級電容組充電的超級電容組電壓變化示意圖，系統經過由Ul到U2的BUCK降壓電路到由Ul到U2的BOOST升壓電路。由圖可見，在系統的控制下，超級電容組充電平穩。
[0030]實施例3:
[0031]再以超級電容放電為例，將U2端作為超級電容接入端，Ul端作為功率輸出端。當輸出端電壓要求比超級電容電壓低時，微處理器Ml僅對Q2進行導通脈衝寬度調製控制，對Q1、Q3、Q4給出斷開信號控制，則此時IGBT模塊Q1、Q3、Q4的作用相當於一個二極體。當Q2閉合時系統電路就可以簡化為如圖6所示的電路，此時電路中蓄流電感LI處於儲能階段，U2端為蓄流電感LI和中間儲能電容Cl提供能量，進而為Ul端供電；當02斷開時系統電路就可以簡化為如圖7所示的電路，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，為中間儲能電容Cl補償能量，進而為Ul端供電。所以此時系統電路的狀態為由U2到Ul的BUCK降壓電路。通過輸入端和輸出端的電壓電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Q2控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BUCK電路的降壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流，實現對超級電容的恆流或者恆壓放電。
[0032]當輸出端電壓要求比超級電容電壓高時，在微處理器Ml的控制下閉合Q2，此時Q2的作用相當於導線，對Ql和Q4給出斷開信號控制，此時IGBT模塊Ql和Q4的作用相當於一個二極體，對Q3進行導通脈衝寬度調製的閉合和斷開控制。當Q3閉合時系統電路就可以簡化為如圖8所示的電路，此時U2端為蓄流電感LI提供能量，Ul端的供電完全由中間儲能電容Cl提供；當03斷開時系統電路就可以簡化為如圖9所示的電路，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，U2端超級電容組與蓄流電感LI同時為中間儲能電容Cl提供能量，進而為Ul端供電。那麼系統狀態將從由U2到Ul的BUCK降壓電路轉換成由U2到Ul的BOOST升壓電路。通過輸入端和輸出端的電壓電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Q3控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BUCK電路的降壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流，實現對超級電容的恆流或者恆壓放電。
[0033]如圖12所示，系統在供電來自超級電容組並且功率輸出為25V恆壓、負載為定值電阻的狀態下，超級電容組電壓變化示意圖，系統經過由U2到Ul的BOOST升壓電路到由U2到Ul的BUCK降壓電路。由圖可見，在系統的控制下，超級電容組放電平穩。
【權利要求】
1.一種超級電容的電流電壓可調的雙向充放電系統，其特徵在於:具有Ul和U2雙埠，並由四個各自並聯與自身導通方向相反二極體的IGBT模塊Ql、Q2、Q3、Q4，兩個雙單元IGBT驅動模塊D1、D2，一個蓄流電感LI，兩個中間儲能電容C1、C2，兩個電壓採集模塊Vml、Vm2，兩個電流採集模塊Cml、Cm2和一個微處理器Ml組成； 在Ul的正極端和U2的正極端間依次串聯有第一電流採集模塊Cml，集電極端與第一電流採集模塊Cml後端相連接、發射極端與蓄流電感LI前端相連接的第一 IGBT模塊Ql，蓄流電感LI,發射極端與蓄流電感LI後端相連接、集電極端與第二電流採集模塊Cm2前端相連接的第二 IGBT模塊Q2，第二電流採集模塊Cm2 ;第一電壓採集模塊Vml和第一中間蓄能電容Cl並聯，該並聯電路的一端接在第一 IGBT模塊Ql的集電極端，另一端接在Ul的負極端；第二中間蓄能電容C2和第二電壓採集模塊Vm2並聯，該並聯電路的一端接在第二 IGBT模塊的集電極端，另一端接在U2的負極端；第三IGBT模塊Q3的集電極端接在第一 IGBT模塊Ql的發射極端，其發射極端接在Ul的負極端；第四IGBT模塊Q4的集電極端接在第二IGBT模塊Q2的發射極端，其發射極端接在U2負極端；微處理器Ml通過第一 IGBT驅動控制模塊Dl與第一 IGBT模塊Ql和第三IGBT模塊Q3的門極端連接，通過第二 IGBT驅動控制模塊D2與第二 IGBT模塊Q2和第四IGBT模塊Q4的門極端連接；同時，微處理器Ml直接接收來自第一電流採集模塊Vml、第二電流採集模塊Vm2、第一電壓採集模塊Vml、第二電壓採集模 塊Vm2的電流和電壓信號；在微處理器Ml的作用下，通過四個IGBT的開關動作實現雙向升壓與降壓，對超級電容的輸入和輸出的電流電壓進行定向的控制。
2.如權利要求1所述的一種超級電容的電流電壓可調的雙向充放電系統，其特徵在於:將Ul端作為充電電源輸入端，U2端作為超級電容接入端；當仍電壓高於U2電壓時，微處理器Ml僅對模塊Ql進行脈衝寬度調製的閉合和斷開控制，而對模塊Q2、Q3、Q4則給出斷開信號控制，此時模塊Q2、Q3、Q4的作用相當於一個二極體；當Ql閉合時系統，模塊Ql的作用相當於導線，電路中蓄流電感LI處於儲能階段，Ul端為蓄流電感LI和中間儲能電容C2提供能量，進而為U2端供電；當以斷開時，模塊Ql的作用相當於二極體，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，為中間儲能電容C2補償能量，進而為U2端供電；系統電路的狀態為由Ul到U2的BUCK降壓電路；通過輸入端和輸出端的電壓和電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Ql控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BUCK電路的降壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流，實現對超級電容進行恆流的充電。
3.如權利要求1所述的一種超級電容的電流電壓可調的雙向充放電系統，其特徵在於:當Ul端電壓低於U2端電壓或Ul端電壓不足以維持恆流狀態充電時，在微處理器Ml的控制下閉合Ql，此時Ql的作用相當於導線；對Q2和Q3給出斷開信號控制，此時Q2和Q3的作用相當於一個二極體，對Q4進行導通脈衝寬度調製的閉合和斷開控制；當Q4閉合時，Q4的作用相當於導線，此時Ul端為蓄流電感LI提供能量，U2端的供電完全由中間儲能電容C2提供；當Q4斷開時，Q4的作用相當於二極體，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，Ul端電源與蓄流電感LI同時為中間儲能電容C2提供能量，進而為U2端供電；系統電路的狀態為由Ul到U2的BOOST升壓電路；通過輸入端和輸出端的電壓電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Q4控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BOOST電路的升壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流，實現對超級電容進行恆流的充電。
4.如權利要求1所述的一種超級電容的電流電壓可調的雙向充放電系統，其特徵在於:將U2端作為超級電容接入端，Ul端作為功率輸出端；當Ul端電壓比U2端電壓低時，微處理器Ml僅對Q2進行導通脈衝寬度調製的閉合和斷開控制，對Q1、Q3、Q4給出斷開信號控制，此時Q1、Q3、Q4的作用相當於一個二極體；當02閉合時，Q2的作用相當於導線，此時電路中蓄流電感LI處於儲能階段，U2端為蓄流電感LI和中間儲能電容Cl提供能量，進而為Ul端供電；當Q2斷開時，Q2的作用相當於二極體，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，為中間儲能電容Cl補償能量，進而為Ul端供電；系統電路的狀態為由U2到Ul的BUCK降壓電路；通過輸入端和輸出端的電壓電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Q2控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BUCK電路的降壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流，實現對超級電容的恆流或者恆壓的放電。
5.如權利要求1所述的一種超級電容的電流電壓可調的雙向充放電系統，其特徵在於:將U2端作為超級電容接入端，Ul端作為功率輸出端；當Ul端電壓求比U2端電壓高時，在微處理器Ml的控制下閉合Q2，此時Q2的作用相當於導線，對Ql和Q4給出斷開信號控制，此時Ql和Q4的作用相當於一個二極體，對Q3進行導通脈衝寬度調製的閉合和斷開控制；當Q3閉合時，Q3的作用相當於導線，此時U2端為蓄流電感LI提供能量，Ul端的供電完全由中間儲能電容Cl提供；當Q3斷開時，Q3的作用相當於二極體，此時電路中蓄流電感LI釋放能量，U2端超級電容組與蓄流電感LI同時為中間儲能電容Cl提供能量，進而為Ul端供電；那麼電路系統的狀態為由U2到Ul的BOOST升壓電路；通過輸入端和輸出端的電壓電流採集與對比，由微處理器Ml根據反饋的信息進行邏輯運算，進而改變Q3控制信號的調製頻率和導通脈衝寬度來控制BUCK電路的降壓比例，進而控制輸出端的電壓和電流，實現對超級電容的恆流或者恆壓放電。
【文檔編號】H02J7/00GK103928966SQ201410186935
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】韓煒, 付成偉, 閆文龍 申請人:吉林大學