一种超级电容恒功率充电管理电路.pdf

本发明涉及一种充电电路技术，尤其涉及一种超级电容恒功率充电管理电路。本发明是通过电流感应器感知电流的大小，在电流达到某一较小值或设定的峰值时，通过电源管理单元和电压控制器控制开关键的闭合，使得电感L和电源输入的电量转到电容C1，再由电容C1以恒定的功率对超级电容CO进行充电。根据超级电容CO上电压值的不同转换为浮充或重复充电功能。从而解决超级电容不能适应较长时间的大电流充电，以及在回路增加串联电阻后充电率低，充电时间较长的问题。

权利要求书1.  一种超级电容恒功率充电管理电路，其特征在于，包括：一电源，用于提供电能；一控制器，连接于所述电源的两端；一超级电容(Co)，可控制的连接于所述控制器的两端，用于所述控制器可控制的充电或放电。2.  如权利要求1所述的超级电容恒功率充电管理电路，其特征在于，所述控制器包括：一电感(L)，连接于所述电源输入端与输出端之间，用于储存及输送电能；一电容(C1)，串联于所述电感(L)和所述电源输出端之间，用于接收并储存电能；一第一开关(K1)，串联于电感(L)和所述电源负极之间，用于可控制的开合电路；一第二开关(K2)，连接于所述电容(C1)正极和所述超级电容(Co)的正极之间，用于可控制的开合电路；一第三开关(K3)，连接于所述电感(L)的负极和所述超级电容(Co)的正极之间，用于可控制的开合电路；一控制单元，分别连接所述第一开关(K1)的控制端、所述第二开关(K2)的控制端以及所述电源负极，用于根据所述电源负极的电流以及所述超级电容(Co)的电压，控制所述第一开关(K1)及所述第二开关(K2)闭合或者断开；一电压控制器，分别连接所述第三开关(K3)的控制端、所述超级电容(Co)的正极以及所述控制单元，用于根据所述超级电容(Co)的电压，控制所述第三开关(K3)闭合或者断开，并将所述超级电容(Co)的电压发送至所述控制单元。3.  如权利要求2所述的超级电容恒功率充电管理电路，其特征在于，所述控制器包括一二极管(D1)，串联与所述电感(L)和所述电容(C1)之间，用于 防止充电时产生逆流。4.  如权利要求1所述的超级电容恒功率充电管理电路，其特征在于，所述电源为恒压/恒流电源。5.  如权利要求1所述的超级电容恒功率充电管理电路，其特征在于，还包括铅酸蓄电池组，与所述超级电容并联于所述电源两端，用于接收并存储电能。6.  如权利要求1所述的超级电容恒功率充电管理电路，其特征在于，还包括负载，与所述超级电容并联于所述电源两端，用于接收所述超级电容释放的电能。7.  一种超级电容恒功率充电管理的控制方法，其特征在于，用于如权利要求1～6所述的任一超级电容恒功率充电管理电路，具体步骤如下：步骤S1.所述控制单元产生控制信号闭合所述第一开关(K1)；步骤S2.当所述电感(L)上的电流达到第一电流阈值时，所述控制单元输出第一控制信号闭合所述第二开关(K2)，使所述电容(C1)向所述超级电容(Co)充电；步骤S3.所述电压控制器判断所述超级电容(Co)的电压是否达到第二电压阈值，如达到则转至步骤S6；步骤S4.当电流继续上升到第二电流阈值时，所述控制单元输出第二控制信号断开所述第一开关(K1)和所述第二开关(K2)，使所述电源通过所述电感(L)向所述电容(C1)充电；步骤S5.当所述电容的电压到达第一电压阈值时，转至步骤S1；步骤S6.所述电压控制器输出控制信号闭合所述第三开关(K3)，并使所述控制单元断开所述第一开关(K1)和所述第二开关(K2)，使所述超级电容(Co)通过所述电源进行浮充；步骤S7.当所述超级电容(Co)上的电压低于第二电压阈值时，转至步骤1。

说明书一种超级电容恒功率充电管理电路
技术领域
本发明涉及一种充电电路技术，尤其涉及一种超级电容恒功率充电管理电路。
背景技术
超级电容通过极化电解质来储能，具有功率密度高(为电池的10～100倍)，工作温度宽(-40℃～+65℃)，充放电可靠性高，使用寿命长，支持快速循环充放电，可以反复充放电数十万次。超级电容一般使用活性炭电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，已广泛用于配电网馈线自动化终端后备电源、新能源以及地铁、高铁、汽车等刹车系统能量回收储能装置，电动玩具、车辆船舶等发动机的点火装置等。
利用现有的恒压或恒流充电电源来对端电压变化很大的超级电容进行充电存在较大困难，大多不能适应较长时间的大电流充电。现有的解决方法是在充电回路中增加串联电阻进行限流，但该方法由于串联电阻产生了额外的电能损失，造成充电效率很低，从而使充电时间延长。因此，如何在利用原有恒压或恒流充电源电路的前提下更好地解决超级电容的充电问题成为一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种旨在实现利用现有的恒压或恒流充电源电路实现对超级电容高效充电的管理电路。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种超级电容恒功率充电管理电路，包括：
电源用于提供电能；
控制器连接于所述电源的两端；
超级电容Co可控制的连接于所述控制器的两端，用于所述控制器可控 制的充电或放电；
上述控制器包括：
电感L连接于所述电源输入端与输出端之间，用于储存及输送电能；
电容C1串联于所述电感L和所述电源输出端之间，用于接收并储存电能；
第一开关K1，串联于电感L和所述电源负极之间，用于可控制的开合电路；
第二开关K2，连接于所述电容C1正极和所述超级电容Co的正极之间，用于可控制的开合电路；
第三开关K3，连接于所述电感L的负极和所述超级电容Co的正极之间，用于可控制的开合电路；
控制单元分别连接所述第一开关K1的控制端、所述第二开关K2的控制端以及所述电源负极，用于根据所述电源负极的电流以及所述超级电容Co的电压，控制所述第一开关K1及所述第二开关K2闭合或者断开；
电压控制器，分别连接所述第三开关K3的控制端、所述超级电容Co的正极以及所述控制单元，用于根据所述超级电容Co的电压，控制所述第三开关K3闭合或者断开，并将所述超级电容Co的电压发送至所述控制单元。
上述控制器还包括二极管D1，串联与所述电感L和所述电容C1之间，用于防止充电时产生逆流。
上述电源为恒压/恒流电源。 
上述超级电容恒功率充电管理电路，还包括铅酸蓄电池组，与所述超级电容组并联于所述电源两端，用于接收并存储电能。
上述超级电容恒功率充电管理电路，还包括负载，与所述超级电容组并联于所述电源两端，用于接收所述超级电容模组释放的电能。
上述超级电容恒功率充电管理电路，还包括一种超级电容恒功率充电管理的控制方法，具体步骤如下：
步骤S1.所述控制单元产生控制信号闭合所述第一开关K1；
步骤S2.当所述电感L上的电流达到第一电流阈值时，所述控制单元输出第一控制信号闭合所述第二开关K2，使所述电容C1向所述超级电容Co充电；
步骤S3.所述电压控制器判断所述超级电容Co的电压是否达到第二电压阈值，如达到则转至步骤S6；
步骤S4.当电流继续上升到第二电流阈值时，所述控制单元输出第二控制信号断开所述第一开关K1和所述第二开关K2，使所述电源通过所述电感L向所述电容C1充电；
步骤S5.当所述电容的电压到达第一电压阈值时，转至步骤S1；
步骤S6.所述电压控制器输出控制信号闭合所述第三开关K3，并使所述控制单元断开所述第一开关K1和所述第二开关K2，使所述超级电容Co通过所述电源进行浮充；
步骤S7.当所述超级电容Co上的电压低于第二电压阈值时，转至步骤S1。
本发明的有益效果是：加快充电速度，降低损耗，不会对电源电路产生冲击。解决了超级电容不能适应较长时间的大电流充电，解决了在回路增加串联电阻后充电率很低，充电时间较长的问题。
附图说明
图1是充电管理电路图；
图2是充电管理电路
图3是超级电容充电电路图；
图4控制器控制开关时相对应的电流、电压示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，一种超级电容恒功率充电管理电路，包括恒压/恒流电源1，控制器2连接于电源1两端，以及超级电容Co可控制的连接于控制器2的两端，用于所述控制器2可控制的充电或放电，将负载4和铅酸蓄电池组3与超级电容Co并联于电源1两端，或如图2所示还可根据使用情况将负载4直接与超级电容Co并联于电源1两端。
利用超级电容与铅酸蓄电池并联应用，可有效提升后备电源的功率密 度，改善低温环境的应用效果等。当外部供电电源失电后，这两种储能装置混合应用的后备电源进行大电流放电时，超级电容可帮助减轻后备电源端电压下降，有利延长铅酸蓄电池的使用寿命，并通过降低铅酸蓄电池的容量配置需求，节约投资成本。
如图3所示上述控制器2包括：
电感L，连接于电源1输入端与输出端之间，用于储存及输送电能；
电容C1，串联于电感L和电源1输出端之间，用于接收并储存电能；
第一开关K1，串联于电感L和电源1负极之间，用于可控制的开合电路；
第二开关K2，连接于电容C1正极和超级电容Co的正极之间，用于可控制的开合电路；
第三开关K3，连接于电感L的负极和超级电容Co的正极之间，用于可控制的开合电路；
控制单元5，分别连接第一开关K1的控制端、第二开关K2的控制端以及电源1负极，用于根据电源1负极的电流以及超级电容Co的电压，控制第一开关K1及第二开关K2闭合或者断开；
电压控制器6，分别连接第三开关K3的控制端、超级电容Co的正极以及控制单元5，用于根据超级电容Co的电压，控制第三开关K3闭合或者断开，并将超级电容Co的电压发送至所述控制单元5。
结合图4所示
电路开始充电时，控制单元5产生脉冲信号使开关K1闭合，其中控制单元5可通过电源管理芯片实现，这时电感L上的电流线性增长，控制单元5检测电感L电流的大小；当电流达到第一电流阈值Io时，控制单元5输出第一控制信号使开关K2闭合，由于超级电容Co的容量远大于电容C1，使电容C1上的电量全部转移到被充电的超级电容Co上，完成电容C1向超级电容Co的一个充电过程；当电感L上电流继续上升到第二电流阈值I时，控制单元5输出第二控制信号断开开关K1和开关K2，这时，电感L上的电量及电源1输入的电量转到电容C1上，使电容C1的电压逐渐上升，直至对电容C1完成一次充电，当控制单元5检测到电感L的电流低于第一电流阈值Io时，控制单元5再次发出控制信号闭合开关K1，开始对超级电容Co 新一次的充电过程，电量被不断的由电容C1转移到超级电容Co上，由此，交替完成对电容C1和超级电容Co的充电过程。由于电容C1向超级电容Co转移的能量恒定，因此对于超级电容Co的端电压从0伏至额定电压能实现恒功率充电。在此过程中，电压控制器6检测超级电容Co上的电压是否达到第二电压阈值Vx，如未达到的则继续上述过程为超级电容Co充电，此充电速度快，可以百瓦级的充电能力向电容充电，由于采用无损电抗元件，充电效率高而损耗很低。
当电压控制器6检测到超级电容Co上的电压达到第二电压阈值Vx(一般与电源1额定值有1～2伏的差距时)时，电压控制器6发出控制信号使第三开关K3闭合，并使得控制单元5断开第一开关K1和第二开关K2，使超级电容Co直接接入电源1进行浮充，电感L饱和等效于短路，此时不会产生较大的充电电流，不会对电源电路产生冲击；当电压控制器6检测到超级电容Co上的电压低于第一电压阈值V时(该第一电压阈值为可调)，电压控制器6发出控制信号使第三开关K3断开，电容C1开始对超级电容Co的充电过程。
上述超级电容恒功率充电管理电路里设置一二极管D1连接于电感L和电容C1之间，用于防止充电时产生逆流。
上述超级电容恒功率充电管理电路包含一种超级电容恒功率充电管理的控制方法，具体步骤为：
步骤S1.所述控制单元5产生控制信号闭合所述第一开关K1；
步骤S2.当所述电感L上的电流达到第一电流阈值时，所述控制单元5输出第一控制信号闭合所述第二开关K2，使所述电容C1向所述超级电容Co充电；
步骤S3.所述电压控制器6判断所述超级电容Co的电压是否达到第二电压阈值，如达到则转至步骤S6；
步骤S4.当电流继续上升到第二电流阈值时，所述控制单元5输出第二控制信号断开所述第一开关K1和所述第二开关K2，使所述电源1通过所述电感L向所述电容C1充电；
步骤S5.当所述电容的电压到达第一电压阈值时，转至步骤S1；
步骤S6.所述电压控制器6输出控制信号闭合所述第三开关K3，并使 所述控制单元5断开所述第一开关K1和所述第二开关K2，使所述超级电容Co通过所述电源1进行浮充；
步骤S7.当所述超级电容Co上的电压低于第二电压阈值时，转至步骤S1。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。