专利名称：一种高压取电双超级电容储能的电源的制作方法
技术领域：
一种高压取电双超级电容储能的电源技术领域[0001]本实用新型涉及电力系统技术领域，是一种从高压线路直接获取电能，向电力参数检测设备的高压侧电路供电的一种高压取电双超级电容储能的电源。
背景技术：
[0002]高压线路的电力参数检测设备，如有源型的电子式电流互感器、电子式电压互感器，其高压侧电路与低压电路之间具有良好绝缘隔离，测量信号采用光纤通信传输，这样向高压侧电路供电就成为一项关键技术。[0003]常用的向高压侧电路供电方式主要有母线电流取能供电、高压电容分压电流取能供电、激光供电、母线取能和锂离子电池相结合的供电方案。专利2008101U630. 2也介绍了一种有源电子式光电电流互感器高压侧供能装置，是采用母线取电和激光供能组合的一种电源。[0004]母线电流取能供电，其供电的能量来自高压线路电流，取能是通过一个套在高压线路上的磁感应线圈来完成的，高压线路周围存在磁场，通过磁场来获取能量，然后经处理，提供给高压侧电路。这种技术方案方式体积小、结构紧凑、绝缘封装简单、使用安全、成本低，缺点是高压线路电流不是稳定值，且变化范围非常大，因此磁感应线圈必须同时兼顾最小、最大两种极限条件，目前存在最小值的死区，当高压线路电流< 30A时，系统不能正常工作。[0005]电容电流取能供电是利用电容分压器从高压线路周围存在的电场取能供电的，由于一次电压相对电流来说比较稳定，此方案的电源输出也较稳定，但是解决取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题，必须有过电压防护和电磁兼容设计，因为高压电容的容量问题，采用这种方法得到的功率有限。[0006]激光供电，是采用激光从低电压侧通过光纤将光能量传送到高电压侧，再由光电转换器件将光能量转换为电能量，经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。其突出优点是能量以光的形式通过光纤传输到高压侧，完全实现高、低压间电气的隔离，不受电磁干扰的影响，稳定可靠，缺陷是激光的发光波长及输出功率都受温度影响，必须采取措施对温度进行自动控制，其次转换效率低，提供的能量有限，制作成本高。[0007]此外还有母线取能和锂离子电池相结合的供电方案，其取电方式与母线电流电源供电相同，增加了锂离子电池储能电路，在低压、短期断电或小电流情况下，锂离子电池自动投入供电。其缺陷是在电源中采用了锂离子电池，其使用温度和寿命都受到限制。现阶段普遍采用锂电池、铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池或Ni-H蓄电池，但采用蓄电池作为蓄电系统有许多缺陷充电次数有限(小于1000次)，使用寿命较短；不能进行大电流充电；蓄电池需要有防过充、防过放以及温度补偿等控制电路。[0008]综上所述，在现有电力参数检测设备，如电子式电流电压互感器产品的高压侧电路供电方式中，普遍存在当高压线路出现小电流或低电压时，高压侧电路供电不足或者无供电的问题。发明内容[0009]为了解决现有技术的电力参数检测设备，存在当高压线路出现小电流或低电压时，高压侧电路供电不足或者无供电的问题，本实用新型提出了一种高压侧电路供电稳定的一种高压取电双超级电容储能的电源。[0010]本实用新型技术方案如下[0011]一种高压取电双超级电容储能的电源，该电源由依次连接的高压取电线圈、泄流保护电路、整流滤波电路、电能切换供电电路、测量管理电路、超级电容器储能电路A、超级电容器储能电路B组成。[0012]所述高压取电线圈采用高导磁材料制成的圆形磁芯T1，在该磁芯上均勻绕制线圈 Li。[0013]所述泄流保护电路包括依次连接绕在圆形磁芯Tl的测量线圈L2、限流电阻R1，电流取样电阻R2 ；Rl与R2连接的一端连接到双向晶闸管SCl控制端上，双向晶闸管SCl与线圈Ll并联。[0014]所述的整流滤波电路由整流桥BR和电解电容Cl、陶瓷MLCC电容C2组成。[0015]电能切换供电电路由大功率MOS管Si、S2、S3、S4组成，Sl源极与S2源极相连， S1、S2的漏极分别与超级电容器储能电路B、超级电容器储能电路A正输入端相连，S3漏极与S4漏极相连，S3、S4的源极分别与超级电容器储能电路A、超级电容器储能电路B正输出端相连。[0016]测量管理电路由单片机控制电路(Power Manage Circuit)组成，PIU PI2、PI3、 PI4为电压检测输入端，PIl连接整流滤波电路的正输出端，PI2连接超级电容器储能电路A 和超级电容器储能电路B的正输入端，PI3连接超级电容SCapl正接线端，PI4连接超级电容SCap2正接线端；PI、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8为输出控制端，分别连到Si、S2、S3、S4、 S5、S6、S7、S8栅极控制端。[0017]所述超级电容器储能电路A，由大功率的MOS管S5、S6，快恢复二极管D1、快恢复二极管D2、电感L3、保护二极管D3、保护二极管D4、超级电容SCapl组成，Dl正负极分别连接到S5的漏极和源极，D2正负极分别连接到S6的漏极和源极，S5的漏极与S6的源极和 L3的一端相连，L3的另一端与超级电容SCapl的正极、D3的正极、D4的负极相连，D3的负极与S5的源极相连，Scapel负极分别与S6的漏极、D4的正极、整流滤波电路的负极相连。[0018]所述超级电容器储能电路B，由大功率的MOS管S7、S8、快恢复二极管D5、快恢复二极管D6、电感L4、保护二极管D7、保护二极管D8、超级电容SCap2组成，D5正负极分别连接到S7的漏极和源极，D6正负极分别连接到S8的漏极和源极，S7的漏极与S8的源极和 L4的一端相连，L4的另一端与超级电容SCap2的正极、D7的正极、D8的负极相连，D7的负极与S7的源极相连，Scape2负极分别与S8的漏极、D8的正极、整流滤波电路的负极相连。[0019]所述高压取电线圈，圆形磁芯Tl由高导磁材料制成，Tl的截面积按最小驱动电流设计，在大于主电路最小短路电流的情况下，圆形磁芯Tl和线圈Ll内的磁通量成饱和特性。[0020]所述的超级电容器，工作电压为2. 5-2. 7伏，电容量为50F，工作温度为-40°C 75 "C。4[0021]本实用新型的有益效果是[0022]1)采用超级电容器储能电路A和超级电容器储能电路B轮流充电和供电，供电电流和电压稳定，解决了当高压线路出现小电流或低电压时，高压侧电路供电不足或者无供电的问题。[0023]2)超级电容SCapl和超级电容SCap2，均具有法拉级的超大电容量，超强的荷电保持能力，且漏电流非常小，无须特别的充电电路和控制放电电路，充电迅速，与蓄电池相比， 其过充电、过放电都不对其寿命构成负面影响；可靠性高、使用寿命长(充放电循环寿命在 10万次以上，蓄电池才1000次)；可在-40°c 75°C的环境温度中正常使用，无污染。[0024]3)高压取电线圈采用了磁饱和设计，避免大冲击电流(如短路电流)对电源本身的整流滤波电路、测量管理电路、电能切换供电电路的影响，当高压线路流过大冲击电流时，产生的强磁场使特殊设计截面的圆形磁芯进入磁饱和状态，低压侧的电流不会随高压线路电流成比例输出，而是稳定在一个固定值，同时泄流保护电路导通双向晶闸管使主电路泄流。
[0025]图1本实用新型一种高压取电双超级电容储能的电源原理图。[0026]图2本实用新型一种高压取电双超级电容储能的电源电路图。
具体实施方式
[0027]如图1，本实用新型一种高压取电双超级电容储能的电源由高压取电线圈、泄流保护电路、整流滤波电路、电能切换供电电路、测量管理电路、超级电容器储能电路A、超级电容器储能电路B组成。[0028]图2中，高压取电线圈的圆形磁芯Tl采用高导磁材料制成，在圆形磁芯Tl上均勻绕制37扎线圈Li，该磁芯Tl的截面积按最小驱动电流设计，选择磁性材料B-H曲线的合适工作点。当高压线路电流在大于最小短路电流的情况下，圆形磁芯Tl线圈Ll内的磁通量成饱和特性。其作用是利用高压线路通过大电流后，在周围产生交变磁场，将交变磁场转化为电能，同时对当高压线路出现瞬间大冲击电流(如短路电流时)，高压取电线圈还取得保护的作用。[0029]泄流保护电路由连接绕在高压取电线圈的圆形磁芯Tl的测量线圈L2、限流电阻 R1，电流取样电阻R2，限流电阻Rl的作用是当高压线路出现大电流时，在线圈中起限流分压的作用，设定泄流电流为I，双向晶闸管导通电压为U，当电压为I XR2> U时就可以导通双向晶闸管，使取能线圈Ll的输出短路。[0030]整流滤波电路由整流桥BR和电解电容Cl、陶瓷MLCC电容C2组成，其作用将交流电流整流成直流电，为超级电容储能电路A和B充电。[0031]当电能切换供电电路的Sl导通，S4闭合时，就可以为超级电容储能电路A充电。 Sl闭合，S4导通时，超级电容储能电路A就可以向外供电；当电能切换供电电路的S2导通的，S3闭合时，超级电容储能电路B充电，S2闭合，S3导通时，超级电容储能电路B向外供电，整体工作过程是由测量管理电路交替控制超级电容储能电路A和B充电、放电。[0032]超级电容器储能电路A工作原理(储能电路B工作原理相同)[0033]由大功率的MOS管S5、S6，快恢复二极管Dl和D2，电感L3，保护二极管D3和D4，超级电容SCap 1组成，形成一个双向DC-DC变换器进行降压和升压。双向DC-DC变换器是一个周期性通断的开关控制装置，是电流可反向的两象限变换器，当电容对外放电时，DC-DC变换器处于升压状态，而对电容充电时，DC-DC变换器处于降压状态。当S5处于工作状态，S6 关断，S5和D2构成降压斩波电路，此时双向DC-DC变换器处于降压状态。在一个开关周期 Ts内，当S5闭合时，二极管D2承受反向电压，电流从整流滤波电路充入超级电容器SCap 1， 同时电感L3存储部分能量；当S5断开时，二极管D2承受正向偏压，为电感L3释放能量构成通路，向超级电容器SCapl充电。当电路处于降压状态时，输出电压Vo与输入电压Vi的相互关系为Vo = DVi, D为导通比。[0034]当S6处于工作状态，S5关断，S2和Dl构升压斩波电路，这时DC-DC变换器处于升压状态。当S2闭合时，电能从超级电容器SCapl经S5传递到电感L3 ；当S2断开时，电能从电感L3经Dl释放到电能切换供电电路输出。当处于升压状态时，两端电压的相互关系为输出电压Vo与输入电压Vi的相互关系为Vo = l/(l_D)Vi，D为导通比。[0035]设计实例设整流滤波电路输出电压为5V，通过电能切换供电电路的输出电压为 5V，超级电容器选用2. 5V/50F超级电容器组成，其单只电容器产品的ESR (DC) 20m Ω。[0036]超级电容器充电时间为(在充电电流为5Α的情况下)t = (CAU)/I = 50X2. 5/5 = 25 秒，超级电容器放电时间为t = C(AU/I-R) = 50(1. 0/0. 5-0. 02) = 99 秒。[0037]式中C 一电容器额定容量:Δυ_电容器工作电压变化；I-电容器充电电流；t-电容器充电时间。[0038]超级电容器可从5V放电到0. 6V，在此设定放电电压低到IV后开始充电。
权利要求1.一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，该电源由依次连接的高压取电线圈、泄流保护电路、整流滤波电路、电能切换供电电路、测量管理电路、超级电容器储能电路A、超级电容器储能电路B组成。
2.如权利要求1所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，所述高压取电线圈采用高导磁材料制成的圆形磁芯Tl，在圆形磁芯Tl上均勻绕制线圈Li。
3.如权利要求1或权利要求2所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，所述泄流保护电路包括依次连接绕在圆形磁芯Tl的测量线圈L2、限流电阻R1，电流取样电阻R2 ；Rl与R2连接的一端连接到双向晶闸管SCl控制端上，双向晶闸管SCl与线圈Ll并联。
4.如权利要求1所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，所述的整流滤波电路由整流桥BR和电解电容Cl、陶瓷MLCC电容C2组成。
5.如权利要求1所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，电能切换供电电路由大功率MOS管S1、S2、S3、S4组成，Sl源极与S2源极相连，Si、S2的漏极分别与超级电容器储能电路B、超级电容器储能电路A正输入端相连，S3漏极与S4漏极相连，S3、S4的源极分别与超级电容器储能电路A、超级电容器储能电路B正输出端相连。
6.如权利要求1所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于测量管理电路由单片机控制电路(Power Manage Circuit)组成，PIU PI2、PI3、PI4为电压检测输入端，PIl连接整流滤波电路的正输出端，PI2连接超级电容器储能电路A和超级电容器储能电路B的正输入端，PI3连接超级电容SCapl正接线端，PI4连接超级电容SCap2正接线端；PI、P2、P3、P4、P5、P6.P7.P8 为输出控制端，分别连接 Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8 栅极控制端。
7.如权利要求1所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，所述超级电容器储能电路A，由大功率的MOS管S5、S6，快恢复二极管D1、快恢复二极管D2、电感L3、保护二极管D3、保护二极管D4、超级电容SCapl组成；Dl正负极分别连接到S5的漏极和源极，D2正负极分别连接到S6的漏极和源极，S5的漏极与S6的源极和L3的一端相连，L3的另一端与超级电容SCapl的正极、D3的正极、D4的负极相连，D3的负极与S5的源极相连，Scapel负极分别与S6的漏极、D4的正极、整流滤波电路的负极相连。
8.如权利要求1所述的一种高压取电双超级电容储能的电源，其特征在于，所述超级电容器储能电路B，由大功率的MOS管S7、S8、快恢复二极管D5、快恢复二极管D6、电感L4、保护二极管D7、保护二极管D8、超级电容SCap2组成，D5正负极分别连接到S7的漏极和源极，D6正负极分别连接到S8的漏极和源极，S7的漏极与S8的源极和L4的一端相连，L4的另一端与超级电容SCap2的正极、D7的正极、D8的负极相连，D7的负极与S7的源极相连，Scape2负极分别与S8的漏极、D8的正极、整流滤波电路的负极相连。
专利摘要本实用新型涉及电力系统技术领域的一种高压取电双超级电容储能的电源，由依次连接的高压取电线圈、泄流保护电路、整流滤波电路、电能切换供电电路、测量管理电路、超级电容器储能电路A、超级电容器储能电路B组成；采用超级电容器储能电路A和B轮流充电和供电，供电电流和电压稳定，解决了当高压线路出现小电流或低电压时，高压侧电路供电不足或者无供电的问题；超级电容器有超大电容量，漏电流小，充电迅速，使用寿命长，充放电循环寿命在10万次以上，而蓄电池充放电循环寿命才1000次；本实用新型可在-40℃～75℃的环境温度中正常使用，可靠性高。
文档编号H02J17/00GK202334010SQ20112045511
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者程顺 申请人:程顺