一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，所述电源系统包括依次连接的变压模块、整流模块、智能充放电管理模块及控制器工作电路，其还包括铝电解电容，其一端连接有本体开关并作为其分闸电源，另一端与所述整流模块连接；超级电容，其一端与上述本体开关连接作为其备用分合闸电源，另一端与所述智能充放电管理模块双向连接。本发明实现了电源系统电路的模块化设计，使得该电源系统三大电源统一设计，集充放电管理、状态监视及告警于一体，大大提高整个产品的维护性。
【专利说明】—种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能设备电源系统的充放电管理技术、在线检测技术，具体为一种可用于IOkV户外柱上智能设备的基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统。
【背景技术】
[0002]随着智能电网建设在超高压和配电网两端的不断深化，越来越多的智能设备安装于IOkV架空线路上，户外柱上智能设备已经成为实现智能配电网的主要器件之一。不同于变电站、开闭所甚至于环网柜内的设备，户外柱上智能设备的电源系统受空间、体积、重量以及取电电源方式等因素的制约，同时该智能设备属于成套设备，其电源系统在控制器工作电源和后备电源以及本体开关操作电源统一设计时存在较大难度，现有电源系统设计方法的固有缺陷主要表现在以下三个方面:
1、电源系统储能单元性能差，使用寿命短，容易导致智能成套设备无法正常工作，线路发生故障时无法切除，会恶化电网的运行环境，当该线路需要恢复供电时也不能及时复电；
2、控制器工作电源、后备工作电源和本体开关操作电源分别设计，体积庞大，发热严重，能源浪费；3、电源系统充放电管理功能粗糙，在线检测功能缺失，无法有效延长储能单元的使用寿命，更无法保证隐患的预诊断。
[0003]上述缺陷将对目前追求的供电可靠性和优质服务提出了挑战，因此，电源系统设计方法的创新将是未来的关键技术和发展趋势。
【发明内容】
[0004]为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其实现了电源系统电路的模块化设计，使得该电源系统三大电源统一设计，集充放电管理、状态监视及告警于一体，大大提高整个产品的维护性。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案为:
一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，所述电源系统包括依次连接的变压模块、整流模块、智能充放电管理模块及控制器工作电路，其还包括铝电解电容，其一端连接有本体开关并作为其分闸电源，另一端与所述整流模块连接；超级电容，其一端与上述本体开关连接作为其备用分合闸电源，另一端与所述智能充放电管理模块双向连接。
[0006]作为上述技术方案的改进，所述智能充放电管理模块包括集中控制单元、电容充电管理单元、电容放电管理单元及依次连接的输入滤波单元、PWM控制单元、功率变换单元、输出滤波单元、输出检测保护单元。
[0007]作为上述技术方案的改进，所述超级电容其充电方式采用恒流充电方式或恒压充电方式或涓流间隙式充电方式。
[0008]进一步地，所述超级电容其充电过程包括:
已知所述超级电容设定电压UO、额定电压Ut，并检测超级电容电压；
当其电压小于设定电压UO时，采用恒流充电方式充电； 当其电压大于设定电压UO并小于额定电压Ut时，采用恒压充电方式充电；
当其电压升至额定电压Ut时，采用涓流间隙式充电方式充电。
[0009]进一步地，所述超级电容其放电时间至少为一次本体开关分合闸操作及数据通信上传时间之和，所述超级电容其电压等级为DC24V/DC48V/DC110/DC220V。
[0010]作为上述技术方案的改进，所述智能充放电管理模块还包括分别与集中控制单元连接的电容在线检测管理单元、状态信号单元，其分别用于接收、传递超级电容状态检测信号。
[0011 ] 进一步地，所述控制器工作电路包括一控制器工作电路DSP，其可实时监测超级电容状态、完成超级电容容量的检测与记录。
[0012]进一步地，与所述控制器工作电路DSP连接的有一温度测量单元。
[0013]进一步地，所述实时监测超级电容状态、完成超级电容容量的检测与记录的过程包括:
控制器工作电路DSP向智能充放电管理模块发出超级电容状态检测启动信号；
智能充放电管理模块接收到状态检测启动信号后，根据当前所检测超级电容电压值，判断是否切换至放电模式；
当判断可以启动时，立即将其切换至放电模式，并传递状态检测启动信号给控制器工作电路DSP ；
控制器工作电路DSP接收到状态检测启动信号后，检测超级电容电压Ul，并计时Tl ；智能充放电管理模块在检测超级电容电压值下降至U2时即停止检测，Os切换外部电源保证控制器工作电路的正常工作，同时向控制器工作电路DSP传递状态检测停止信号；控制器工作电路DSP接收到状态检测停止信号后停止计时，并记录该时刻T2 ；
控制器工作电路DSP根据上述数据并结合当前温度，经数据处理判断该超级电容的状态及是否发出告警信号。
[0014]本发明带来的有益效果有:
本发明的基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其实现了控制器工作电源、本体开关操作电源以及后备电源的统一设计，以铝电解电容作为本体开关分闸电源，优先保证本体开关分闸，同时引入超级电容作为本体开关的备用分合闸电源；交流电压经变压模块、整流模块后进入智能充放电管理模块，实现控制器工作电路所需工作电源的转换、储能单元超级电容所需电源的转换，通过其提供控制器工作电源，并以超级电容作为整个智能设备的后备工作电源。本发明设计方法先进可靠，降低了产品的成本和体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，
附图1是本发明的电源系统结构示意图；
附图2是本发明的智能充放电管理模块连接关系示意图。
【具体实施方式】
[0016]目前，IOkV户外柱上智能设备电源系统设计方法存在可靠性和低成本无法统一、本体开关7操作电源和控制器工作电源以及控制器后备电源无法有效兼顾等问题，这些问题无疑会对当下所追求的供电可靠性和优质服务提出了不小的挑战，因此，电源系统设计方法的创新将是未来的关键技术和发展趋势。
[0017]参照附图1，本发明的电源系统包括依次连接的变压模块1、整流模块2、智能充放电管理模块3及控制器工作电路4，其还包括特别设计的铝电解电容5及超级电容6，其中铝电解电容5的一端连接有本体开关7，另一端与所述整流模块2连接，而超级电容6的一端与上述本体开关7连接，另一端与所述智能充放电管理模块3双向连接。以此，本发明便完成了 一种三大电源统一设计的电源系统设计方法。
[0018]在该电源系统中，本体开关7操作电源一以铝电解电容5作为本体开关7的分闸电源，优先保证本体开关7的分闸，同时引入超级电容6作为本体开关7的备用分合闸电源；控制器工作电源——交流220V经变压模块1、整流模块2后进入智能充放电管理模块3，实现控制器工作电路4所需工作电源的转换及储能单元超级电容6所需电源的转换，铝电解电容5的充电以整流模块2为主，这样便可以保障整个系统的快速上电运行；后备工作电源——以超级电容6作为整个智能设备的后备工作电源。所以，本发明借此可以有效降低产品的成本和体积，大大提高整个产品的维护性。
[0019]参照附图2，上述智能充放电管理模块3包括集中控制单元30、电容充电管理单元36、电容放电管理单元37及依次连接的输入滤波单元31、PWM控制单元32、功率变换单元33、输出滤波单元34、输出检测保护单元35。通过其本发明可完成对超级电容6充放电的管理，同时依据超级电容6特性，我们采用恒流和恒压结合限功率两段式充电方式对其充电，具体的:
已知所述超级电容6设定电压UO、额定电压Ut，并检测超级电容6电压；
当其电压小于设定电压UO时，采用恒流充电方式充电；
当其电压大于设定电压UO并小于额定电压Ut时，采用恒压充电方式充电；
当其电压升至额定电压Ut时，采用涓流间隙式充电方式充电。
[0020]并且，本发明通过多次实验和试运行研究出了合理的超级电容6容量和电压等级选取原则，其中，超级电容6的容量应满足其放电时间至少为一次本体开关7分合闸操作及数据通信上传时间之和，通常取I?10分钟，其电压等级则宜选取DC24V/DC48V/DC110/DC220V。这一点，有效改善了超级电容6充电时拉死智能设备的缺陷，解决了分合闸输出时电源系统可靠性降低等问题，提高了整套产品的稳定性和可靠性。
[0021]本发明还具备完善的超级电容6寿命在线检测系统，能有效监测超级电容6状态。其中的智能充放电管理模块3还包括分别与集中控制单元30连接的电容在线检测管理单元38、状态信号单元39，它们分别用于接收、传递超级电容6状态检测信号。同时控制器工作电路4包括一控制器工作电路DSP41，其可实时监测超级电容6状态、完成超级电容6容量的检测与记录，与其连接的有一温度测量单元42。
[0022]上述实时监测超级电容6状态、完成超级电容6容量的检测与记录的过程包括: 控制器工作电路DSP41向智能充放电管理模块3发出超级电容6状态检测启动信号； 智能充放电管理模块3接收到状态检测启动信号后，根据当前所检测超级电容6电压
值，判断是否切换至放电模式；
当判断可以启动时，立即将其切换至放电模式，并传递状态检测启动信号给控制器工作电路DSP41 ；控制器工作电路DSP41接收到状态检测启动信号后，检测超级电容6电压U1，并计时
Tl ；
智能充放电管理模块3在检测超级电容6电压值下降至U2时即停止检测，Os切换外部电源保证控制器工作电路4的正常工作，同时向控制器工作电路DSP41传递状态检测停止
信号;
控制器工作电路DSP41接收到状态检测停止信号后停止计时，并记录该时刻T2 ；
控制器工作电路DSP41根据上述数据并结合当前温度，经数据处理判断该超级电容6的状态及是否发出告警信号。
[0023]我们可以将上述过程称为基于时间T的超级电容6在线检测，控制器工作电路DSP41依据Λ Τ=Τ1-Τ2与Ul放电至U2所对应的初始值Λ TO比较，利用公式Ε%= Δ T/Δ TO+温度补偿系数，其中该系数为事先约定好的表值，结合当前温度选择，判断超级电容6的状态，也即品质好坏或寿命，当Ε〈65时，发出告警信息。
[0024]综上，本发明的电源系统，其集充放电管理、状态监视及告警于一体，大大提高整个产品的维护性，实现了控制器工作电源和本体开关7操作电源以及后备电源的统一设计，降低了产品的成本和体积，有效改善了超级电容6充电时拉死智能设备的缺陷，解决了分合闸输出时电源系统可靠性降低等难题，提高了整套产品的稳定性和可靠性，并且具备完善的超级电容6寿命在线检测系统，能有效监测超级电容6寿命。
[0025]最后，以上所述只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述电源系统包括依次连接的变压模块(I)、整流模块(2 )、智能充放电管理模块(3 )及控制器工作电路(4)，其还包括 铝电解电容(5)，其一端连接有本体开关(7)并作为其分闸电源，另一端与所述整流模块(2)连接； 超级电容(6)，其一端与上述本体开关(7)连接作为其备用分合闸电源，另一端与所述智能充放电管理模块(3)双向连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述智能充放电管理模块(3)包括集中控制单元(30)、电容充电管理单元(36)、电容放电管理单元(37)及依次连接的输入滤波单元(31)、PWM控制单元(32)、功率变换单元(33)、输出滤波单元(34 )、输出检测保护单元(35 )。
3.根据权利要求1所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述超级电容(6)其充电方式采用恒流充电方式或恒压充电方式或涓流间隙式充电方式。
4.根据权利要求3所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述超级电容(6)其充电过程包括: 已知所述超级电容(6)设定电压UO、额定电压Ut，并检测超级电容(6)电压； 当其电压小于设定电压UO时，采用恒流充电方式充电； 当其电压大于设定电压UO并小于额定电压Ut时，采用恒压充电方式充电；` 当其电压升至额定电压Ut时，采用涓流间隙式充电方式充电。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述超级电容(6)其放电时间至少为一次本体开关(7)分合闸操作及数据通信上传时间之和。
6.根据权利要求3或4所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述超级电容(6)其电压等级为DC24V/DC48V/DC110/DC220V。
7.根据权利要求2所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述智能充放电管理模块(3)还包括分别与集中控制单元(30)连接的电容在线检测管理单元(38)、状态信号单元(39)，其分别用于接收、传递超级电容(6)状态检测信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述控制器工作电路(4)包括一控制器工作电路DSP (41)，其可实时监测超级电容(6)状态、完成超级电容(6)容量的检测与记录。
9.根据权利要求8所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:与所述控制器工作电路DSP (41)连接的有一温度测量单元(42)。
10.根据权利要求8所述的一种基于铝电解电容和超级电容组合的电源系统，其特征在于:所述实时监测超级电容(6)状态、完成超级电容(6)容量的检测与记录的过程包括: 控制器工作电路DSP (41)向智能充放电管理模块(3 )发出超级电容(6 )状态检测启动信号; 智能充放电管理模块(3)接收到状态检测启动信号后，根据当前所检测超级电容(6)电压值，判断是否切换至放电模式；当判断可以启动时，立即将其切换至放电模式，并传递状态检测启动信号给控制器工作电路DSP (41)； 控制器工作电路DSP (41)接收到状态检测启动信号后，检测超级电容(6)电压Ul，并计时Tl ； 智能充放电管理模块(3)在检测超级电容(6)电压值下降至U2时即停止检测，Os切换外部电源保证控制器工作电路(4)的正常工作，同时向控制器工作电路DSP (41)传递状态检测停止信号； 控制器工作电路DSP (41)接收到状态检测停止信号后停止计时，并记录该时刻T2 ； 控制器工作电路DSP (41)根据上述数据并结合当前温度，经数据处理判断该超级电容(6)的状态及是否发出告警信号 。
【文档编号】H02J9/04GK103501024SQ201310407055
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】张维, 郭上华 申请人:珠海许继电气有限公司, 国家电网公司