一种超级电容的双向电流电压可调的充放电系统的制作方法
【专利摘要】一种超级电容的双向电流电压可调的充放电系统，超级电容充放电【技术领域】。本发明所述的一种超级电容的双向电流电压可调充放电系统，由四个带有反向二极管的IGBT模块(Q1、Q2、Q3、Q4)、一个蓄流电感(L1)、两个输入输出端中间储能电容(C1、C2)、两个电压采集模块(Vm1、Vm2)、两个电流采集模块(Cm1、Cm2)、两个双单元IGBT驱动模块(D1、D2)和一个由意法半导体公司生产的STM32103VE微处理器(M1)组成。本发明所述的充放电系统，其突出效果为：采用数量较少的器件既可实现对超级电容宽电压范围的充放电的目的，避免了充放电电压和阻抗不匹配而造成的电源或功率器件的损坏的问题。
【专利说明】—种超级电容的双向电流电压可调的充放电系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于超级电容充放电【技术领域】，具体涉及一种针对超级电容的双向电流电压可调的充放电系统。
【背景技术】
[0002]超级电容生产技术的成熟与超级电容应用研究的突飞猛进的发展，给新型电源储存装置带来了可能。超级电容作为具有大功率密度的供能装置，在未来有着不可替代的位置。但是超级电容组的充电需要一个电压随超级电容两端电压变化而变化的电源，这样对超级电容充电电源的要求就变高了，而且充电电源的电压要高于超级电容两端电压才能为超级电容充电；而且超级电容的放电也是随着自身电压的减小而功率密度也减小的，并且不能给高于超级电容自身电压的装置供电。
[0003]目前常用的方法是单向的升压或降压来实现超级电容的充电与放电。这样就会造成超级电容的充电电源只能是电压高于超级电容的电压，超级电容的放电装置要求的工作电压只能是接近或低于超级电容的电压。这样不仅使超级电容的应用不够灵活，而且也局限了超级电容的使用方式。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服上述【背景技术】的不足，提供一种针对超级电容的双向电流电压可调的充放电系统。该系统能够消除超级电容充放电的局限，具有双向、电流电压可调、调控简单的特点。
[0005]本发明所述的一种超级电容的双向电流电压可调充放电系统，由四个带有反向二极管的IGBT模块(Q1、Q2、Q3、Q4)、一个蓄流电感(LI)、两个输入输出端中间储能电容(Cl、C2)、两个电压采集模块(Vml、Vm2)、两个电流采集模块(Cml、Cm2)、两个双单元IGBT驱动模块(D1、D2)和一个由意法半导体公司生产的STM32103VE微处理器(Ml)组成。
[0006]微处理器的四个控制端通过两个双单元IGBT驱动模块连接四个IGBT模块的控制输入端，微处理器的信号采集端分别连接两个电压采集模块和两个电流采集模块。IGBT模块在断开状态时相当于一个反向二极管，即正向截止，反向导通；IGBT模块在导通状态时与导线的作用相同。蓄流电感在系统中作为在变压时的中间蓄流部分。两个输入输出端中间储能电容在系统中作为中间储能和输入输出滤波部分，使输入输出更为平滑。而两个电压采集模块和两个电流采集模块则是对整个系统的进出端口进行监控的部分。微处理器则根据反馈的输入电压电流和输出电压电流，来控制四个IGBT的开通和关断，进而协调输入电压电流和输出电压电流的关系。
[0007]本发明的工作原理是:在此充放电系统的输入端与输出端分别加入电压采集模块和电流采集模块，然后实时监测输入端与输出端的电压与电流。根据具体项目的要求以及实时的反馈信息对系统的工作状态进行切换，或者是BUCK降压电路，或者是BOOST升压电路，亦或者是反向的BUCK降压电路或反向的BOOST升压电路。通过改变微处理器Ml控制四个IGBT模块开关信号的频率和导通占空比，系统可做到恒流输出、恒流输入、恒压输出、恒压输入、恒功率输出和恒功率输入。这样本系统在复杂的工况下，就可以灵活的应用。
[0008]本发明充放电方法及其实现系统的应用，其突出效果为:采用数量较少的器件既可实现对超级电容宽电压范围的充放电的目的，避免了充放电电压和阻抗不匹配而造成的电源或功率器件的损坏的问题。
【专利附图】
【附图说明】:
[0009]图1:本发明的整体设计结构示意图；
[0010]图2:本发明在充电电压高于超级电容电压时IGBT模块Ql闭合的充电电路结构示意图。
[0011]图3:本发明在充电电压高于超级电容电压时IGBT模块Ql断开的充电电路结构示意图。
[0012]图4:本发明在充电电压低于超级电容电压或充电电压不足以维持超级电容恒流状态充电时IGBT模块Q4闭合的充电电路结构示意图。
[0013]图5:本发明在充电电压低于超级电容电压或充电电压不足以维持超级电容恒流状态充电时IGBT模块Q4断开的充电电路结构示意图。
[0014]图6:本发明在放电电压要求比超级电容电压低时IGBT模块Q2闭合的放电电路
示意图。
[0015]图7:本发明在放电电压要求比超级电容电压低时IGBT模块Q2断开的放电电路
示意图。
[0016]图8:本发明在放电电压要求比超级电容电压高时IGBT模块Q3闭合的放电电路示意图。
[0017]图9:本发明在放电电压要求比超级电容电压高时IGBT模块Q3断开的放电电路
示意图。
[0018]图10:本发明中电压采集模块的原理图。
[0019]图11:本发明在系统供电来自50V恒压源的状态下，系统20A恒流为超级电容组充电的超级电容组电压变化示意图。
[0020]图12:本发明在超级电容组为系统供电并且系统功率输出为25V恒压、负载为定值电阻的状态下，超级电容组电压变化示意图。
【具体实施方式】
[0021]实施例1:
[0022]本发明的思路是利用可切换的升压与降压电路对超级电容的输入和输出电压进行调整，进而对超级电容进行平稳的充电和放电。
[0023]本发明的电流电压可调的双向充放电系统具有Ul和U2双端口(如图1所示)，由四个各自并联与自身导通方向相反二极管的IGBT模块(Ql、Q2、Q3、Q4)、两个双单元IGBT驱动模块(Dl、D2)、一个蓄流电感(LI)、两个输入输出端中间储能电容(Cl、C2)、两个电压采集模块(Vml、Vm2)、两个电流采集模块(Cml、Cm2)和一个微处理器(Ml)组成。
[0024]在Ul的正极端和U2的正极端间依次串联有第一电流采集模块Cml，集电极端与第一电流采集模块Cml后端相连接、发射极端与蓄流电感LI前端相连接的第一 IGBT模块Q1，蓄流电感LI,发射极端与蓄流电感LI后端相连接、集电极端与第二电流采集模块Cm2前端相连接的第二 IGBT模块Q2，第二电流采集模块Cm2 ;第一电压采集模块Vml和第一中间蓄能电容Cl并联，该并联电路的一端接在第一 IGBT模块Ql的集电极端，另一端接在Ul的负极端；第二中间蓄能电容C2和第二电压采集模块Vm2并联，该并联电路的一端接在第
二IGBT模块的集电极端，另一端接在U2的负极端；第三IGBT模块Q3的集电极端接在第一IGBT模块Ql的发射极端，其发射极端接在Ul的负极端；第四IGBT模块Q4的集电极端接在第二 IGBT模块Q2的发射极端，其发射极端接在U2负极端；微处理器Ml通过第一 IGBT驱动控制模块Dl与第一 IGBT模块Ql和第三IGBT模块Q3的门极端连接，通过第二 IGBT驱动控制模块D2与第二 IGBT模块Q2和第四IGBT模块Q4的门极端连接；同时，微处理器Ml直接接收来自第一电流采集模块Vml、第二电流采集模块Vm2、第一电压采集模块Vml、第二电压采集模块Vm2的电流和电压信号；
[0025]本实施例中，所述的超级电容均是锦州凯美能源有限公司定制的400V20F的超级电容组；所述的IGBT模块(Q1Q2Q3Q4)均采用英飞凌公司生产的FZ600R17KE3的IGBT功率模块，此模块可承受1700V电压和600A的电流；所述的电感(LI)均采用的是自制的电感，匝数为25，线圈由线芯结构为7根、直径为2.5mm的铜导线缠绕而成，磁芯采用的是铁氧体材料。经测试电感大小为5.6mH，可承受200A的电流；所述的两个中间蓄能电容(Cl、C2)均采用深圳雅康达电容器有限公司供应的400V、4700uF的电容器；所述的两个电压采集模块(Vml、Vm2)均由艾富利半导体公司供应的AD7606电压采集模块与分压电阻组合而成，原理图如图6(电压采集时，先对要采集的电压通过阻值为100K的电阻Rl和阻值为IK的电阻R2进行电阻分压，将电压分到5V以内，然后再用AD7606电压采集模块对5V以内的电压进行采集)。所述的两个电流采集模块(Cml、Cm2)均采用LEM电流传感器，具体型号为LA200-P，测量范围+/-200A ;所述的微处理器(Ml)采用的是意法半导体有限公司生产的STM32 “增强型”系列芯片STM32F103VE ;所述的IGBT双单元驱动模块(D1、D2)均采用的是CONCEPT公司生产的2SD315AI的IGBT驱动模块。本发明的特点在于通过四个IGBT的开关动作可实现双向升压与降压，并且可以平稳的对超级电容的输入和输出的电流电压进行定向的控制。
[0026]实施例2:
[0027]以超级电容充电为例，将Ul作为充电电源输入端，U2作为超级电容接入端。Ul电压高于U2电压时，微处理器Ml仅对Ql进行脉冲宽度调制的闭合和断开控制，而对Q2、Q3、Q4则给出断开信号控制，则此时IGBT模块Q2、Q3、Q4的作用相当于一个二极管。当Ql闭合时系统电路就可以简化为如图2所示的电路，模块Ql的作用相当于导线，此时电路中蓄流电感LI处于储能阶段，Ul端为蓄流电感LI和中间储能电容C2提供能量，进而为U2端供电；当91断开时整个电路就可以简化为如图3所示的电路，模块Ql的作用相当于二极管，此时电路中蓄流电感LI释放能量，为中间储能电容C2补偿能量，进而为U2端供电。所以此时系统电路的状态为由Ul到U2的BUCK降压电路。由于BUCK电路原理与下文所述的BOOST电路原理为公知技术，本专利中不再赘述。通过输入端和输出端的电压和电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Ql控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BUCK电路的降压比例，进而控制输出端的电压和电流。通过这样的控制逻辑可以对超级电容进行恒流或者恒压的充电。
[0028]当Ul端电压低于U2端电压或Ul端电压不足以维持恒流状态充电时，在微处理器Ml的控制下闭合Q1，此时Ql的作用相当于导线，对Q2和Q3给出断开信号控制，此时IGBT模块Q2和Q3的作用相当于一个二极管，对Q4进行导通脉冲宽度调制的闭合和断开控制。当Q4闭合时系统电路就可以简化为如图4所示的电路，Q4的作用相当于导线，此时Ul端为蓄流电感LI提供能量，U2端的供电完全由中间储能电容C2提供；当Q4断开时系统电路就可以简化为如图5所示的电路，此时电路中蓄流电感LI释放能量，Ul端电源与蓄流电感LI同时为中间储能电容C2提供能量，进而为U2端供电。那么系统状态将从由Ul到U2的BUCK降压电路转换成由Ul到U2的BOOST升压电路。BOOST电路升压原理在这里就不赘述(公知技术)。通过输入端和输出端的电压电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Q4控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BOOST电路的升压比例，进而输出端的电压和电流。通过这样的逻辑可以对超级电容进行恒流或者恒压的充电。
[0029]如图11所示，系统在供电来自50V恒压源的状态下，20A恒流为超级电容组充电的超级电容组电压变化示意图，系统经过由Ul到U2的BUCK降压电路到由Ul到U2的BOOST升压电路。由图可见，在系统的控制下，超级电容组充电平稳。
[0030]实施例3:
[0031]再以超级电容放电为例，将U2端作为超级电容接入端，Ul端作为功率输出端。当输出端电压要求比超级电容电压低时，微处理器Ml仅对Q2进行导通脉冲宽度调制控制，对Q1、Q3、Q4给出断开信号控制，则此时IGBT模块Q1、Q3、Q4的作用相当于一个二极管。当Q2闭合时系统电路就可以简化为如图6所示的电路，此时电路中蓄流电感LI处于储能阶段，U2端为蓄流电感LI和中间储能电容Cl提供能量，进而为Ul端供电；当02断开时系统电路就可以简化为如图7所示的电路，此时电路中蓄流电感LI释放能量，为中间储能电容Cl补偿能量，进而为Ul端供电。所以此时系统电路的状态为由U2到Ul的BUCK降压电路。通过输入端和输出端的电压电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Q2控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BUCK电路的降压比例，进而控制输出端的电压和电流，实现对超级电容的恒流或者恒压放电。
[0032]当输出端电压要求比超级电容电压高时，在微处理器Ml的控制下闭合Q2，此时Q2的作用相当于导线，对Ql和Q4给出断开信号控制，此时IGBT模块Ql和Q4的作用相当于一个二极管，对Q3进行导通脉冲宽度调制的闭合和断开控制。当Q3闭合时系统电路就可以简化为如图8所示的电路，此时U2端为蓄流电感LI提供能量，Ul端的供电完全由中间储能电容Cl提供；当03断开时系统电路就可以简化为如图9所示的电路，此时电路中蓄流电感LI释放能量，U2端超级电容组与蓄流电感LI同时为中间储能电容Cl提供能量，进而为Ul端供电。那么系统状态将从由U2到Ul的BUCK降压电路转换成由U2到Ul的BOOST升压电路。通过输入端和输出端的电压电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Q3控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BUCK电路的降压比例，进而控制输出端的电压和电流，实现对超级电容的恒流或者恒压放电。
[0033]如图12所示，系统在供电来自超级电容组并且功率输出为25V恒压、负载为定值电阻的状态下，超级电容组电压变化示意图，系统经过由U2到Ul的BOOST升压电路到由U2到Ul的BUCK降压电路。由图可见，在系统的控制下，超级电容组放电平稳。
【权利要求】
1.一种超级电容的电流电压可调的双向充放电系统，其特征在于:具有Ul和U2双端口，并由四个各自并联与自身导通方向相反二极管的IGBT模块Ql、Q2、Q3、Q4，两个双单元IGBT驱动模块D1、D2，一个蓄流电感LI，两个中间储能电容C1、C2，两个电压采集模块Vml、Vm2，两个电流采集模块Cml、Cm2和一个微处理器Ml组成； 在Ul的正极端和U2的正极端间依次串联有第一电流采集模块Cml，集电极端与第一电流采集模块Cml后端相连接、发射极端与蓄流电感LI前端相连接的第一 IGBT模块Ql，蓄流电感LI,发射极端与蓄流电感LI后端相连接、集电极端与第二电流采集模块Cm2前端相连接的第二 IGBT模块Q2，第二电流采集模块Cm2 ;第一电压采集模块Vml和第一中间蓄能电容Cl并联，该并联电路的一端接在第一 IGBT模块Ql的集电极端，另一端接在Ul的负极端；第二中间蓄能电容C2和第二电压采集模块Vm2并联，该并联电路的一端接在第二 IGBT模块的集电极端，另一端接在U2的负极端；第三IGBT模块Q3的集电极端接在第一 IGBT模块Ql的发射极端，其发射极端接在Ul的负极端；第四IGBT模块Q4的集电极端接在第二IGBT模块Q2的发射极端，其发射极端接在U2负极端；微处理器Ml通过第一 IGBT驱动控制模块Dl与第一 IGBT模块Ql和第三IGBT模块Q3的门极端连接，通过第二 IGBT驱动控制模块D2与第二 IGBT模块Q2和第四IGBT模块Q4的门极端连接；同时，微处理器Ml直接接收来自第一电流采集模块Vml、第二电流采集模块Vm2、第一电压采集模块Vml、第二电压采集模 块Vm2的电流和电压信号；在微处理器Ml的作用下，通过四个IGBT的开关动作实现双向升压与降压，对超级电容的输入和输出的电流电压进行定向的控制。
2.如权利要求1所述的一种超级电容的电流电压可调的双向充放电系统，其特征在于:将Ul端作为充电电源输入端，U2端作为超级电容接入端；当仍电压高于U2电压时，微处理器Ml仅对模块Ql进行脉冲宽度调制的闭合和断开控制，而对模块Q2、Q3、Q4则给出断开信号控制，此时模块Q2、Q3、Q4的作用相当于一个二极管；当Ql闭合时系统，模块Ql的作用相当于导线，电路中蓄流电感LI处于储能阶段，Ul端为蓄流电感LI和中间储能电容C2提供能量，进而为U2端供电；当以断开时，模块Ql的作用相当于二极管，此时电路中蓄流电感LI释放能量，为中间储能电容C2补偿能量，进而为U2端供电；系统电路的状态为由Ul到U2的BUCK降压电路；通过输入端和输出端的电压和电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Ql控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BUCK电路的降压比例，进而控制输出端的电压和电流，实现对超级电容进行恒流的充电。
3.如权利要求1所述的一种超级电容的电流电压可调的双向充放电系统，其特征在于:当Ul端电压低于U2端电压或Ul端电压不足以维持恒流状态充电时，在微处理器Ml的控制下闭合Ql，此时Ql的作用相当于导线；对Q2和Q3给出断开信号控制，此时Q2和Q3的作用相当于一个二极管，对Q4进行导通脉冲宽度调制的闭合和断开控制；当Q4闭合时，Q4的作用相当于导线，此时Ul端为蓄流电感LI提供能量，U2端的供电完全由中间储能电容C2提供；当Q4断开时，Q4的作用相当于二极管，此时电路中蓄流电感LI释放能量，Ul端电源与蓄流电感LI同时为中间储能电容C2提供能量，进而为U2端供电；系统电路的状态为由Ul到U2的BOOST升压电路；通过输入端和输出端的电压电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Q4控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BOOST电路的升压比例，进而控制输出端的电压和电流，实现对超级电容进行恒流的充电。
4.如权利要求1所述的一种超级电容的电流电压可调的双向充放电系统，其特征在于:将U2端作为超级电容接入端，Ul端作为功率输出端；当Ul端电压比U2端电压低时，微处理器Ml仅对Q2进行导通脉冲宽度调制的闭合和断开控制，对Q1、Q3、Q4给出断开信号控制，此时Q1、Q3、Q4的作用相当于一个二极管；当02闭合时，Q2的作用相当于导线，此时电路中蓄流电感LI处于储能阶段，U2端为蓄流电感LI和中间储能电容Cl提供能量，进而为Ul端供电；当Q2断开时，Q2的作用相当于二极管，此时电路中蓄流电感LI释放能量，为中间储能电容Cl补偿能量，进而为Ul端供电；系统电路的状态为由U2到Ul的BUCK降压电路；通过输入端和输出端的电压电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Q2控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BUCK电路的降压比例，进而控制输出端的电压和电流，实现对超级电容的恒流或者恒压的放电。
5.如权利要求1所述的一种超级电容的电流电压可调的双向充放电系统，其特征在于:将U2端作为超级电容接入端，Ul端作为功率输出端；当Ul端电压求比U2端电压高时，在微处理器Ml的控制下闭合Q2，此时Q2的作用相当于导线，对Ql和Q4给出断开信号控制，此时Ql和Q4的作用相当于一个二极管，对Q3进行导通脉冲宽度调制的闭合和断开控制；当Q3闭合时，Q3的作用相当于导线，此时U2端为蓄流电感LI提供能量，Ul端的供电完全由中间储能电容Cl提供；当Q3断开时，Q3的作用相当于二极管，此时电路中蓄流电感LI释放能量，U2端超级电容组与蓄流电感LI同时为中间储能电容Cl提供能量，进而为Ul端供电；那么电路系统的状态为由U2到Ul的BOOST升压电路；通过输入端和输出端的电压电流采集与对比，由微处理器Ml根据反馈的信息进行逻辑运算，进而改变Q3控制信号的调制频率和导通脉冲宽度来控制BUCK电路的降压比例，进而控制输出端的电压和电流，实现对超级电容的恒流或者恒压放电。
【文档编号】H02J7/00GK103928966SQ201410186935
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】韩炜, 付成伟, 闫文龙 申请人:吉林大学