一种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路的制作方法
【专利摘要】一种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路，超级电容器组的每个超级电容器单体并联一个泄能控制模块和一个电压检测和信号传输模块；所有泄能控制模块均与第一二极管（D1）并联，第一电感（L1）和第一二级管（D1）串联后与能量转移电容（Ct）并联；电压检测和信号传输模块为控制器（401）提供每个超级电容器单体是否过充的信号，电压检测电路（301）与超级电容器组相连，并向控制器（401）传递信号，为控制器（401）提供所述超级电容器组的电压状态；控制器（401）控制泄能控制模块和充电控制电路（501）实现均衡超级电容器组内各个单体间的电压和DC/DC降压充电的功能。
【专利说明】—种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种充电电路，尤其涉及一种超级电容器组用充电电路。
【背景技术】
[0002]超级电容器单体的额定工作电压很低，在应用中，需要串联成组来满足各种应用需要。由于工艺误差和器件老化，超级电容器组中的各个单体的特性参数往往不同，造成超级电容器单体间电压不均衡，使部分单体处于过充或过放状态，导致部分单体损坏，进而是整个超级电容器储能系统失效。
[0003]目前针对这一问题，普遍使用能耗型电压均衡类电路。该类电路通过电压采集或比较，监视每一超级电容器单体电压，由处理器控制开关，投切与超级电容器单体相并联的能耗电阻，将过充的能量以热能的形式消耗掉。但这一方法存在两个严重的问题:一是消耗的能量降低了储能系统的储能效率；二是增加了散热成本，尤其在紧凑的大型储能系统上表现更为明显。
[0004]另一类电压均衡电路是将过充的超级电容器上的多余能量通过DC/DC(包括buck/boost电路、CUk电路等)电路网络，转移到邻近电容器上，这种电路控制复杂，转移速率低，转移效率低，器件众多，价格昂贵，所以这类电路在实际应用中很难推广。一种改进办法是用带隔离变压器的DC/DC变换法(正激式或反激式变换法)，但磁路复杂，体积较大，绕组不易扩充且均衡误差大。
[0005]还有人尝试以变压器为中介，将电源变压为幅值相等的多路交流电源，然后通过AC/DC电压转换，给储能系统充电，同样，在实际应用中，与带隔离变压器的DC/DC变换法遇到了相同的问题。
[0006]中国专利200510086793.4中，利用开关网络，开关电容，将多余的能量转移到电容上，而不是消耗掉，然后将这部分能量再转移到储能系统中电压最低的电容上。这一方法克服了以上方法中诸多问题，但仍然遇到电压检测和双向开关复杂的问题，同时由于能量转移电容上的电压与超级电容单体上的电压差值较小，转移速度较慢。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于克服现有超级电容器串联充电时电压不匹配的问题，提出一种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路。本发明在回收能量的同时，还具有电路简单、成本低廉、均压速度快、实用可靠等诸多优点。
[0008]使用本发明充电电路的超级电容器组串联的超级电容器单体数量为N，N的取值范围为2至200。本发明充电电路由一个能量转移电容、第一电感、第一二级管、N个泄能控制模块、N个电压检测和信号传输模块、一个充电控制电路、一个控制器，以及一个电压检测电路组成。每个超级电容器单体并联一个泄能控制模块和一个电压检测和信号传输模块。N个泄能控制模块均与第一二极管并联，第一电感和第一二级管串联后与能量转移电容并联；能量转移电容的作用是临时存储回收的能量，第一电感可以在超级电容器向能量转移电容上转移能量的时候限制电流，第一二极管与第一电感是超级电容器向能量转移电容上转移能量的DC/DC降压电路的一部分。泄能控制模块为能量回收提供流动通道，电压检测和信号传输模块判断超级电容器单体是否过充，并向控制器传递每个超级电容器单体是否过充的信号；电压检测电路与超级电容器组相连，实时检测超级电容器组的电压状态，为控制器提供所述超级电容器组的电压状态；泄能控制模块、充电控制电路均与控制器相连，控制泄能控制模块和充电控制电路实现平衡电压和DC/DC降压充电功能。
[0009]所述的泄能控制模块由第一开关、第二开关、第一电阻、第二电阻和第一光耦连接而成；第一开关和第二开关可以使用N沟道MOS管，此外还可使用GTO、IGBT和三极管等多种开关，以下内容以MOS管为例。如果使用GT0，以下MOS管的漏极替换为GTO的阳极，MOS管的栅极替换为GTO的门极，MOS管的源极替换为GTO的阴极；如果使用IGBT，以下MOS管的漏极替换为IGBT的集电极，MOS管的栅极替换为IGBT的门极，MOS管的源极替换为IGBT的发射极；如果使用三极管，以下MOS管的漏极替换为三极管的集电极，MOS管的栅极替换为三极管的基极，MOS管的源极替换为三极管的发射极。第一开关的漏极和第一光耦接收管的集电极相连，第一开关的栅极、第二开关的栅极、第一电阻的一端和第一光耦接收管的发射极相连，第一电阻的另一端与第二开关的源极相连；第二电阻的一端与第一光耦发射管的负极相连，第二电阻的另一端与控制器共地。第一开关的源极定义为泄能控制模块的E端口、第一开关的漏极定义为泄能控制模块的G端口，第二开关的漏极定义为泄能控制模块的F端口、第二开关的源极定义为泄能控制模块的H端口，第一光耦发射管的正极定义为泄能控制模块的CON端口。
[0010]所述的电压检测和信号传输模块包括电压比较电路和信号传输电路。电压比较电路包括电压比较电路和信号传输电路。电压比较电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一稳压管和第一比较器。第三电阻与第四电阻串联，形成一个分压电路，分压后的信号从第三电阻和第四电阻的中点引出后与第一比较器的同相输入端相连；第三电阻的另一端连接第一比较器的电源正极，第四电阻的另一端连接第一比较器的电源负极。第五电阻的一端、第一稳压管的正极和第一比较器的反相输入端相连，第五电阻的另一端与第一比较器的电源正极相连，第一稳压管的负极与第一比较器的电源负极相连；信号传输电路包括第六电阻、第七电阻和第二光稱。第六电阻接在第一比较器的输出端和第二光稱的发射管正极之间，第二光耦发射管的负极与第一比较器的电源负极相连，第七电阻和第二光耦接收管的发射极连接，是为了限制流过第二光耦接收管的电流大小，第七电阻的另一端与控制器共地，第二光耦接收管的另一端与控制器共电源，第二光耦接收管的射极与第一比较器的电源负极相连。第一比较器的电源正极定义为电压检测和信号传输模块的M端口、第一比较器的电源负极定义电压检测和信号传输模块的N端口，第二光耦接收管的发射极定义为电压检测和信号传输模块的T端口。
[0011]所述的充电控制电路由第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第三开关、第四开关、第三光耦、第四光耦、第二二极管、第三二极管、第四二极管，以及第二电感组成。第三开关和第四开关为N沟道MOS管，此外还可使用GTO、IGBT和三极管等多种开关，以下内容以MOS管为例。如果使用GT0，以下MOS管的漏极替换为GTO的阳极，MOS管的栅极替换为GTO的门极，MOS管的源极替换为GTO的阴极；如果使用IGBT，以下MOS管的漏极替换为IGBT的集电极，MOS管的栅极替换为IGBT的门极，MOS管的源极替换为IGBT的发射极；如果使用三极管，以下MOS管的漏极替换为三极管的集电极，MOS管的栅极替换为三极管的基极，MOS管的源极替换为三极管的发射极。第三光耦发射管的负极与第十电阻相连，第四光耦的发射管的负极与第十三电阻相连，第十电阻和第十三电阻的另一端均与控制器共地；第三光耦的接收管的集电极经过第八电阻与第四二级管的负极相连，第四光耦的接收管的集电极经过第十一电阻与第四二级管的负极相连。第九电阻、第三开关的栅极和第三光耦的接收管的发射极相连，第十二电阻、第四开关的栅极和第四光耦接收管的发射极相连，第九电阻的另一端、第十二电阻的另一端、第三开关的源极和第四开关的源极连接在一起。第三开关的漏极与第二二级管负极相连，第四开关的漏极与第三二级管的的正极相连，第二二级管的正极和第三二级管的负极相连，第二二级管的作用是防止能量转移电容上能量转移结束后继续反向充电，第三二级管的作用是防止在过充泄能模式下，过冲超级电容器单体的低电位端直接与直流电源负极相接。第二电感、第四二级管的正极和第四开关的漏极相连，第二电感的另一端定义为充电控制电路的Z端口，第三光耦发射管的正极定义为充电控制电路的C0N5端口、第四光耦的发射管的正极定义充电控制电路的C0N6端口，第四开关的源极定义为充电控制电路的V端口，第二二极管的正极定义为充电控制电路的X端口、第二二极管的负极定义为充电控制电路的W端口，第四二级管的负极定义为充电控制电路的Y端口。
[0012]电压检测电路为一片A\D转换芯片，电压检测电路的正极电压输入端定义为电压检测电路的P端口，电压检测电路的负极电压输入端定义为电压检测电路的Q端口，电压检测电路的输出端定义为电压检测电路的U端口。
[0013]超级电容器组的正极与直流充电电源的正极相连，直流充电电源通过充电控制电路向超级电容器转移能量。泄能控制模块的E端口与第一二极管的负极相连，泄能控制模块的F端口与第一二极管的正极相连，第一电感和第一二级管串联后与能量转移电容并联，第一电感的另一端、能量转移电容(如果使用有极性的能量转移电容，此端需是正极)和充电控制电路的X端口相连，能量转移电容的另一端、充电控制电路的Y端口、第一二极管的正极和所有泄能控制模块的F端口连接在一起。每个超级电容器单体并联一个泄能控制模块和一个电压检测和信号传输模块，泄能控制模块的G端口、电压检测和信号传输模块的M端口与所并联的超级电容器单体的正极相连，泄能控制模块的H端口和电压检测和信号传输模块的N端口与所并联的超级电容器单体的负极相连。电压检测电路的P端口与超级电容器组的正极相连，电压检测电路的Q端口、超级电容器组的负极和充电控制电路的Z端口连接在一起。所有电压检测和信号传输模块的T端口和电压检测电路的U端口 U与控制器传连接，用以监视超级电容器每一单体和超级电容器组的电压状态，控制器与充电控制电路的C0N5端口、C0N6端口和所有泄能控制模块的CON端口均相连，以控制整个充电电路的能量转移。充电控制电路的W端口与直流充电电源的正极相连，充电控制电路的V端口与直流充电电源的负极相连。
[0014]本发明的工作过程如下:
[0015]所述的电压检测和信号传输模块实时检测并向控制器传递超级电容器单体上的电压状态；全部N个超级电容器单体上电压未超过门限电压时，控制器控制充电控制电路对超级电容器组进行充电，此工作状态称为正常充电模式；当某一超级电容器单体电压超过门限电压，控制器控制与过充超级电容器单体并联的泄能控制模块，将此超级电容器单体上多余能量泄放到能量转移电容上，此工作状态称为过充泄能模式；待过充超级电容器单体上电压恢复到额定电压时，控制器关断所有N个泄能控制模块的开关，将能量转移电容与超级电容器单体隔离，通过控制充电控制电路，将已充电的能量转移电容串入充电回路对超级电容器组进行充电，此时，能量转移电容储存的能量被转移到超级电容器组中，此状态称为能量转移模式；待能量转移状态维持设定时间后，整个充电电路恢复到正常充电模式；如此循环，直到电压检测电路提供的信息显示超级电容器组充电已满，控制器关断泄能控制模块和充电控制电路的所有开关，充电结束。
[0016]本发明与现有技术相比，优点在于:
[0017]1.过充的能量得以回收，降低能耗的同时，还避免了散热的麻烦。
[0018]2.所有开关器件均为单向开关，避免了使用双向开关的麻烦，同时降低了成本。
[0019]3.能量转移速度快。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例的电路原理图；
[0021]图2泄能控制模块的电路原理图；
[0022]图3电压检测和信号传输模块的电路原理图；
[0023]图4充电控制电路的电路原理图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0025]如图1所示，本发明实施例的应用对象为由四个超级电容器单体串联组成的一个超级电容器组。四个超级电容器单体分别为C1、C2、C3和C4。
[0026]本发明实施例的充电电路由能量转移电容Ct,第一电感LI,第一二级管Dl,四个泄能控制模块101、102、103、104，四个电压检测和信号传输模块201、202、203、204，充电控制电路501，控制器401以及电压检测电路301组成。每个超级电容器单体并联一个泄能控制模块和一个电压检测和信号传输模块；四个泄能控制模块均与第一二极管Dl并联，第一电感LI和第一二级管Dl串联后与能量转移电容Ct并联；电压检测和信号传输模块为控制器401提供每个超级电容器单体是否过充的信号，电压检测电路301与超级电容器组相连，并向控制器401传递信号，为控制器401提供所述超级电容器组的电压状态；控制器401控制泄能控制模块和充电控制电路501实现平衡电压和DC/DC降压充电功能。
[0027]所述的能量转移电容Ct对是否具有极性没有要求，为了提高电路的能量转移速率，需要使用容量相对较大的电容器，其容量大小根据超级电容器单体的大小和所需转移速率设定，可使用有极性的超级电容器或电解电容。第一电感LI和第一二级管Dl串联后与能量转移电容Ct并联(如果能量转移电容有极性，电感与能量转移电容正极相连)，第一电感LI和第一二级管Dl的主要作用是为了避免超级电容器单体直接加在能量转移电容Ct上引起电流过大。在超级电容器单体直接对能量转移电容Ct充电电流不大的情况下，可以省略电感LI和第一二级管D1，将能量转移电容Ct直接与所有泄能控制模块并联。
[0028]四个泄能控制模块101、102、103、104内部电路的结构相同。每个泄能控制模块有E、F、G、H、C0N五个端口，其中泄能控制模块101、102、103、104的E端口与第一二极管Dl的负极相连，即第一泄能控制模块101的El端口、第二泄能控制模块102的E2端口、第三泄能控制模块103的E3端口和第四泄能控制模块104的E4端口均与第一二极管Dl的负极相连；泄能控制模块101、102、103、104的F端口与第一二极管Dl的正极相连，即第一泄能控制模块101的Fl端口、第二泄能控制模块102的F2端口、第三泄能控制模块103的F3端口和第四泄能控制模块104的F4端口与第一二极管Dl的正极相连；每个泄能控制模块均通过G端口和H端口并联一个超级电容器单体，即第一泄能控制模块101的Gl端口连接超级电容器单体Cl的正极，第一泄能控制模块101的Hl端口连接超级电容器单体Cl的负极，第二泄能控制模块102的端口 G2连接超级电容器单体C2的正极，第二泄能控制模块102的端口 H2连接超级电容器单体C2的负极，第三泄能控制模块103的端口 G3连接超级电容器单体C3的正极，第三泄能控制模块103的端口 H3连接超级电容器单体C3的负极，第四泄能控制模块104的G4端口连接超级电容器单体C4的正极，第四泄能控制模块104的H4端口连接超级电容器单体C4的负极。泄能控制模块的CON端口与控制器401相连且受控于控制器401，即第一泄能控制模块101的CONl端口、第二泄能控制模块102的C0N2端口、第三泄能控制模块103的C0N3端口和第四泄能控制模块104的C0N4端口与控制器401相连且受控于控制器401。泄能控制模块可以为超级电容器单体向能量转移电容Ct传递能量提供通路。
[0029]四个电压检测和信号传输模块201、202、203、204内部电路的结构相同。电压检测和信号传输模块的功能是对超级电容器单体电压进行检测或比较，并向控制器传递信号。每个电压检测和信号传输模块有M、N、T三个端口，其中M端口和N端口与一个超级电容器单体的正负两端并联，T端口与控制器相连。即:第一电压检测和信号传输模块201的Ml端口与第一超级电容Cl的正极相连,第一电压检测和信号传输模块201的NI端口与第一超级电容Cl的负极相连；第二电压检测和信号传输模块202的M2端口与第二超级电容C2的正极相连，第二电压检测和信号传输模块202的N2端口与第二超级电容C2的负极相连；第三电压检测和信号传输模块203的M3端口与第三超级电容C3的正极相连，第三电压检测和信号传输模块203的N3端口与第三超级电容C3的负极相连；第四电压检测和信号传输模块204的M4端口与第四超级电容C4的正极相连，第四电压检测和信号传输模块204的N4端口与第四超级电容C4的负极相连；第一电压检测和信号传输模块201的Tl端口与控制器401相连，第二电压检测和信号传输模块202的T2端口与控制器401相连，第三电压检测和信号传输模块203的T3端口与控制器401相连,第四电压检测和信号传输模块204的T4端口与控制器401相连。
[0030]充电控制电路501实现直流充电电源的DC/DC降压，给超级电容器组充电，并将能量转移电容Ct串入充电回路，回收能量。充电控制电路501共有七个端口，充电控制电路501通过其中的X和Y两个端口与能量转移电容Ct并联，通过C0N5和C0N6两个端口与控制器401相连，通过W端口与直流充电电源相连，通过V端口与直流充电电源的负极相连，通过Z端口与超级电容器组的负极相连。
[0031]电压检测电路301为控制器401提供超级电容器组两端的实时电压状态，电压检测电路301的P端口与超级电容器组的正极相连，Q端口与超级电容器组的负极相连，其余的一个U端口向控制器401传递信号。电压检测电路可以使用A/D转换等多种方式。
[0032]本发明充电电路的工作过程为:[0033]电压检测电路301为控制器401提供超级电容器组两端的实时电压状态，四个电压检测和信号传输模块201、202、203、204实时向控制器401传递四个超级电容器单体Cl、C2、C3、C3的电压状态，当全部超级电容器单体的电压均未超过门限电压时，控制器401通过关断四个泄能控制模块101、102、103、104的开关S1、S2来将能量转移电容Ct与超级电容器组隔离开，同时控制充电控制电路501对超级电容器组进行充电，由直流充电电源、超级电容器组、充电控制电路共同构成主充电回路，此工作状态称为正常充电模式；
[0034]当某一超级电容器单体电压超过门限电压，与该超级电容器单体并联的电压检测和信号传输模块向控制器401发出过充指示信号，控制器401接收到过充指示信号后控制与所述过充超级电容器单体并联的泄能控制模块，将过充超级电容器单体多余的能量泄放到能量转移电容Ct上，此时第一电感L1、第一二极管D1、泄能控制模块、过充超级电容器单体、能量转移电容共同构成一个DC/DC降压充电电路。同时充电控制电路可以切断主充电回路，也可正常充放电，此工作状态称为过充泄能模式；
[0035]待过充超级电容器单体上电压恢复到门限电压，电压检测和信号传输模块取消向控制器发出过充指示信号，此时需要延时过充泄能模式，否则电压检测和信号传输模块会在恢复正常充电模式后反复向控制器发出过充信号，延时长度需要适当设计。延时结束后，控制器切断所有泄能控制模块，通过控制充电控制电路，将已充电的能量转移电容串入充电回路对超级电容器组进行充电，此时，能量转移电容储存的能量被转移到超级电容器组中，此状态称为能量转移模式；
[0036]能量转移状态的维持时间需要根据能量转移电容大小和充电电流大小等因素进行适当设定，能量转移状态结束后，电路回到正常充电模式。直到电压检测电路提供的信息显示超级电容器组充电已满，控制器切断泄能控制模块、充电控制电路，充电结束。
[0037]本发明电路层次清晰，电路简单，安装简便，易于模块化，所有能量流动方向均为单向流动，避免了双向开关的麻烦，且转移速度快。
[0038]图2为所述泄能控制模块的电路结构一种实施例。
[0039]如图2所示，泄能控制模块由第一开关S1、第二开关S2、第一电阻R1、第二电阻R2和第一光耦01连接而成；第一开关SI和第二开关S2可以使用N沟道MOS管，此外还可使用GTO、IGBT和三极管等多种开关，以下内容以MOS管为例。如果使用GT0，以下MOS管的漏极替换为GTO的阳极，MOS管的栅极替换为GTO的门极，MOS管的源极替换为GTO的阴极；如果使用IGBT，以下MOS管的漏极替换为IGBT的集电极，MOS管的栅极替换为IGBT的门极，MOS管的源极替换为IGBT的发射极；如果使用三极管，以下MOS管的漏极替换为三极管的集电极，MOS管的栅极替换为三极管的基极，MOS管的源极替换为三极管的发射极。第一开关SI的漏极和第一光耦01接收管的集电极相连，第一开关SI的栅极、第二开关S2的栅极和第一电阻Rl的一端均与第一光耦01接收管的发射极相连，第一电阻Rl的另一端与第二开关S2的源极相连；第二电阻Rl的一端与第一光耦01发射管的负极相连，第二电阻R2的另一端与控制器共地。第一开关SI的源极定义为泄能控制模块的E端口，第一开关SI的漏极定义为泄能控制模块的G端口，第二开关S2的漏极定义为泄能控制模块的F端口，第二开关S2的源极定义为泄能控制模块的H端口，第一光耦01发射管的正极定义为端口泄能控制模块的CON端口。
[0040]图3为所述电压检测和信号传输模块结构的一种实施例。[0041]如图3所示，电压检测和信号传输模块包括电压比较电路和信号传输电路。电压比较电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一稳压管Wl和第一比较器COMl。第三电阻R3与第四电阻R4串联，形成一个分压电路，为降低损耗，理论上第三电阻R3和第四电阻R4阻值越大越好，分压后的信号从第三电阻R3和第四电阻R4的中点引出后与第一比较器COMl的同相输入端相连；第三电阻R3的另一端连接第一比较器COMl的电源正极，第四电阻R4的另一端连接第一比较器COMl的电源负极。第五电阻R5与第一稳压管Wl串联形成一个稳压电路，稳压管输出的稳定电压作为基准值Vref,第五电阻R5的一端与第一稳压管Wl的正极和第一比较器COMl的反相输入端相连；第五电阻R5的另一端与第一比较器COMl的电源正极相连，第一稳压管Wl的负极与第一比较器COMl的电源负极相连。信号传输模块包括第六电阻R6、第七电阻R7和第二光稱02。第六电阻R6接在第一比较器COMl的输出端和第二光耦02的发射管正极之间，是为了限制流过第二光耦02发射管的电流大小，第二光稱02发射管的负极与第一比较器COMl的电源负极相连。第七电阻R7和第二光耦02接收管的发射极连接，是为了限制流过第二光耦接收管的电流大小，第七电阻R7的另一端与控制器401共地,第二光稱02接收管的另一端与控制器401共电源。第一比较器COMl的电源正极定义为电压检测和信号传输模块的M端口，第一比较器COMl的电源负极定义为电压检测和信号传输模块的N端口，第二光耦接收管的发射极定义为压检测和信号传输模块的T端口。比较器COMl的电源电压取自与之并联的超级电容器单体，这样可以避免额外设计电源电路的麻烦。设门限电压为Vmax，R3和R4的阻值分别为R3和R4，则R4/(R3+R4)=Vref/Vmaxο
·[0042]图4为所述充电控制电路的电路结构一种实施例；
[0043]如图4所示，充电控制电路由第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第i^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三开关S3、第四开关S4、第三光耦03、第四光耦
04、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第二电感L2组成。第三开关和第四开关为N沟道MOS管，此外还可使用GTO、IGBT和三极管等多种开关，以下内容以MOS管为例。如果使用GT0，以下MOS管的漏极替换为GTO的阳极，MOS管的栅极替换为GTO的门极，MOS管的源极替换为GTO的阴极；如果使用IGBT，以下MOS管的漏极替换为IGBT的集电极，MOS管的栅极替换为IGBT的门极，MOS管的源极替换为IGBT的发射极；如果使用三极管，以下MOS管的漏极替换为三极管的集电极，MOS管的栅极替换为三极管的基极，MOS管的源极替换为三极管的发射极。第三光耦03的发射管的负极与第十电阻RlO相连，第四光耦04的发射管的负极与第十三电阻R13相连，第十电阻RlO和第十三电阻R13的另外一端均与控制器401共地；第三光耦03的接收管的集电极经过第八电阻R8与第四二级管D4的负极相连，第四光耦04的接收管的集电极经过第十一电阻Rll与第四二级管D4的负极相连。第九电阻R9与第三开关S3的栅极和第三光耦03的接收管的发射极相连，第十二电阻R12与第四开关S4的栅极和第四光耦04的接收管的发射极相连；第九电阻R9另一端、第十二电阻R12的另一端、第三开关S3的源极和第四开关S4的源极连接在一起。第三开关S3的源极和第四开关S4的源极分别与直流电源的负极相连，第三开关S3的漏极与第二二级管D2的负极相连，第四开关S4的漏极与第三二级管D3的正极相连，第二二级管D2的正极和第三二级管D3的负极相连。第二二级管D2的作用是防止能量转移电容上能量转移结束后继续反向充电，第三二级管D3的作用是防止在过充泄能模式下，过冲超级电容器单体的低电位端直接与直流电源负极相接。第二电感L2与第四二级管D4的正极和第四开关S4的漏极相连。第二电感L2的另一端定义为端口 Z，第三光耦03的正极定义为充电控制电路的C0N5，第四光耦04的发射管的正极定义为充电控制电路的C0N6端口，第四开关S4的源极定义为充电控制电路的V端口，第二二极管D2的正极定义为充电控制电路的X端口，第二二极管D2的负极定义为充电控制电路的W端口，第四二级管D4的负极定义为充电控制电路的Y端口。
[0044]结合图2、图3和图4，对本发明工作过程进行以下说明。
[0045]假设超级电容器组中，超级电容器单体C1、C2、C3、C4的电容值分别为C1、C2、C3、C4，且电容值Cl<C2〈C3〈C4。充电开始时，控制器401通过控制CONl、C0N2、C0N3、C0N4、C0N5端口向泄能控制模块101、102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第三开关S3输入低电平，泄能控制模块101、102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第三开关S3均被关断，泄能控制模块将能量转移电容Ct和超级电容器组隔开，同时第三开关S3将能量转移电容Ct与充电电路501隔开。控制器通过控制端口 C0N6向第四开关S4输入PWM波，第四开关S4在PWM波的高电平期间导通，在低电平期间关断，此时，直流充电电源、超级电容器、第二电感L2、第四开关S4、第四二级管D4构成一个DC/DC降压充电电路，PWM波需要根据充电电流的大小适当设计，此时，充电电路工作于正常充电模式。
[0046]由于第一超级电容器单体Cl的电容值最小，其电压上升速度较其余超级电容器单体C2、C3、C4要快，会最先超过门限电压(在安全范围以内，门限电压适当高于超级电容器单体的额定电压)，此时第一电压检测和信号传输模块201中的电压比较器电路会输出高电平，将第一光稱01的发光管点亮,第一光稱01的接收管导通,Tl端口上的电压为高电平。控制器401检查到Tl端口的高电平后，立即控制泄能控制模块101的CONl端口向第一泄能控制模块101发出PWM波，在PWM波的高电平期间，第一泄能控制模块101的第一开关SI和第二开关S2同时导通，在PWM波的低电平期间，第一泄能控制模块101的第一开关SI和第二开关S2同时关断。此 时，第一超级电容器单体Cl、第一泄能控制模块101的第一开关S1、第一电感L1、能量转移电容Ct、第一泄能控制模块101的第二开关S2和第一二极管Dl构成一个DC/DC降压充电电路，第一超级电容器单体Cl上多余的能量向能量转移电容Ct上转移，此时，充电电路工作于过充泄能模式。在此模式下，控制器401通过控制第二、第三和第四泄能控制模块102、103、104的0)吧、0^3、0)财端口和充电控制电路501的C0N5端口向第二、第三和第四泄能控制模块102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第三开关S3输入低电平，第二、第三和第四泄能控制模块102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第三开关S3均被关断。充电控制电路501的第四开关S4根据设计需要，可以关断也可工作于正常充电模式。
[0047]为了将第一超级电容器单体Cl上的电压降到额定电压，能量转移电容Ct的大小需要适当设计。设门限电压为Umax，超级电容器的电容值为C，额定电压为Uw，为了使超级电容上多余能量可以被一次性转移走，能量转移电容Ct的电容值大小应为:(UmaX-Uw)*C/Uw。过充泄能模式需要维持一定延时，延时长度根据完全转移第一超级电容器单体Cl上多余能量所需时间设定。
[0048]过充泄能模式延时结束后，控制器401通过控制泄能控制模块101、102、103、104的端口 C0N1、C0N2、C0N3、C0N4和充电控制电路501的C0N6向泄能控制模块101、102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第四开关S4输入低电平，泄能控制模块101、102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第四开关S4均被关断，同时控制器401通过控制C0N5端口向充电控制电路501的第三开关S3输入PWM波，第三开关S3在PWM波的高电平期间导通，在低电平期间关断，此时，直流充电电源、超级电容器、第二电感L2、第三二级管D3、能量转移电容Ct、第三开关S3和第四二级管D4构成一个DC/DC降压充电电路，PWM波需要根据充电电流的大小适当设计，此时，充电电路工作于能量转移模式。
[0049]为了将能量转移电容Ct上的能量完全转移，需要对能量转移模式进行适当延时，延时长度根据完全转移能量转移电容Ct上的能量所需时间设定。第二二级管D2可以防止能量转移电容Ct被反向充电。
[0050]能量转移模式延时结束后，控制器401关断第三开关S3和第四开关S4，此时，充电电路回到正常充放电模式时的工作状态。
[0051 ] 电路按以上步骤循环进行，直到电压检测电路301指示超级电容器组充电已满，控制器401通过控制泄能控制模块101、102、103、104的C0N1、C0N2、C0N3、C0N4端口和充电控制电路501的C0N5和C0N6端口向泄能控制模块101、102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第三开关S3、第四开关S4输入低电平，泄能控制模块101、102、103、104的第一开关S1、第二开关S2和充电控制电路501的第三开关S3、第四开关S4均被关断，充电结束。
【权利要求】
1.一种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路，所述的超级电容器组由N个超级电容器单体串联而成，其特征在于:所述的充电电路由一个能量转移电容(Ct)、第一电感(LI )、第一二级管(D1 )、N个泄能控制模块、N个电压检测和信号传输模块、充电控制电路(501)、控制器(401)，以及电压检测电路(301)组成；每个超级电容器单体并联一个泄能控制模块和一个电压检测和信号传输模块；N个泄能控制模块均与第一二极管(Dl)并联，第一电感(LI)和第一二级管(Dl)串联后与能量转移电容(Ct)并联；电压检测和信号传输模块为控制器(401)提供每个超级电容器单体是否过充的信号，电压检测电路(301)与超级电容器组相连，并向控制器(401)传递信号，为控制器(401)提供所述超级电容器组的电压状态；控制器(401)控制泄能控制模块和充电控制电路(501)实现平衡电压和DC/DC降压充电功能。
2.根据权利要求1所述的具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路，其特征在于；每个所述的泄能控制模块的E端口与第一二极管(Dl)的负极相连，F端口与第一二极管(Dl)的正极相连，每个泄能控制模块通过G端口和H端口均并联一个超级电容器单体，每个电压检测和信号传输模块通过M端口和N端口与一个超级电容器单体并联，泄能控制模块的G端口和电压检测和信号传输模块的M端口与所并联的超级电容器单体的正极相连，泄能控制模块的H端口和电压检测和信号传输模块的N端口与所并联的超级电容器单体的负极相连；电压检测和信号传输模块的T端口和电压检测电路(301)的U端口均与控制器(401)相连且向控制器(401)传递信号，电压检测电路(301)的P端口与超级电容器组的正极相连，电压检测电路(301)的Q端口、超级电容器组的负极和充电控制电路(501)的Z端口连接在一起；控制器(401)与充电控制电路(501)的C0N5端口、C0N6端口和N个泄能控制模块的CON端口均相连，以控制整个充电电路的能量转移；充电控制电路(501)的W端口与直流充电电源的正极相连，充电控制电路(501)的V端口与直流充电电源的负极相连；能量转移电容(Ct)与第一二极管(Dl)正极相连的一端与充电控制电路(501)的Y端口相连，能量转移电容(Ct)的另外一端与充电控制电路(501)的X端口相连。
3.根据权利要求1所述的具有电 压均衡能力的超级电容器组用充电电路，其特征在于:所述的泄能控制模块由第一开关(SI)、第二开关(S2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第一光耦(01)连接而成；第一开关(SI)和第二开关(S2)使用N沟道MOS管；第一开关的漏极和第一光耦(01)接收管的集电极相连，第一开关(SI)的栅极、第二开关(S2)的栅极、第一电阻(Rl)的一端均和第一光耦(01)接收管的发射极相连，第一电阻(Rl)的另一端与第二开关(SI)的源极相连；第二电阻(R2)的一端与第一光耦(01)发射管的负极相连，第二电阻(R2)的另一端与控制器(401)共地；第一开关(SI)的源极定义为泄能控制模块的E端口，第一开关(SI)的漏极定义为泄能控制模块的G端口，第二开关(S2)的漏极定义为泄能控制模块的F端口，第二开关(S2)的源极定义为泄能控制模块的H端口，第一光稱(01)发射管的正极定义为泄能控制模块的CON端口。
4.根据权利要求1所述的具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路，其特征在于:所述的电压检测和信号传输模块包括电压检测电路和信号传输电路，电压检测电路包括第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一稳压管(W1)、第一比较器(COMl);第三电阻(R3)与第四电阻(R4)串联，形成一个分压电路，分压后的信号从第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的中点引出后与第一比较器(COMl)的同相输入端相连；第三电阻(R3)的另一端连接第一比较器(COMl)的电源正极，第四电阻(R4)的另一端连接第一比较器(COMl)的电源负极；第五电阻(R5)的一端、第一稳压管(Wl)的正极和第一比较器的(COMl)反相输入端相连；第五电阻(R5)的另一端与第一比较器(COMl)的电源正极相连，第一稳压管(Wl)的负极与第一比较器(COMl)的电源负极相连；信号传输电路包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)和第二光耦(02);第六电阻(R6)接在第一比较器(COMl)的输出端和第二光耦(02)的发射管正极之间，第二光耦(02)的发射管的负极与第一比较器(COMl)的电源负极相连；第七电阻(R7)和第二光耦(02)接收管的发射极连接，第七电阻(R7)的另一端与控制器(401)共地，第二光耦(02)接收管的另一端与控制器(401)共电源；第一比较器(COMl)的电源正极定义为电压检测和信号传输模的M端口，第一比较器(COMl)的电源负极定义为电压检测和信号传输模的N端口，第二光耦(02)接收管的发射极定义为电压检测和信号传输模的T端口。
5.根据权利要求1所述的具有电压均衡能力的超级电容器组充电电路，其特征在于:所述的充电控制电路(501)由第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第i^一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第三光耦(03)、第四光耦(04)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和第二电感(L2)组成；第三开关(S3)和第四开关(S4)为N沟道MOS管，此外还可使用GTO、IGBT和三极管等多种开关，以下内容以MOS管为例，如果使用其他开关，相应的端口名称应做改变；第三光耦(03)发射管的负极与 第十电阻(RlO)相连，第四光耦(04)发射管的负极与第十三电阻(R13)相连，第十电阻(RlO)的另外一端和第十三电阻(R13)的另外一端均与控制器(401)共地；第三光耦(03)接收管的集电极经过第八电阻(R8)与第四二级管(D4)的负极相连，第四光耦(04)的接收管的集电极经过第十一电阻(Rll)与第四二级管(D4)的负极相连；第九电阻(R9)、第三开关(S3)的栅极和第三光耦(03)的接收管的发射极相连，第十二电阻(R12)、第四开关(S4)的栅极和第四光耦(04)的接收管的发射极相连，第九电阻(R9)的另一端、第十二电阻(R12)的另一端、第三开关(S3)的源极和第四开关(S4)的源极连接在一起；第三开关(S3)的漏极与第二二级管(D2)负极相连，第三二级管(D3)的正极、第四二级管(D4)的正极分别与第四开关(S4)的漏极相连，第二二级管(D2)的正极和第三二级管(D3)的负极相连；第二电感(L2)与第四开关(S4)的漏极相连，第二电感(L2)的另一端定义为充电控制电路的Z端口，第三光耦(03)发射管的正极定义为充电控制电路的C0N5端口，第四光耦(04)发射管的正极定义为充电控制电路的C0N6端口，第四开关(S4)的源极定义为充电控制电路的V端口，第二二极管(D2)的正极定义为充电控制电路的X端口，第二二极管(D2)的负极定义为充电控制电路的W端口，第四二级管(D4)的负极定义为充电控制电路的Y端口。
6.根据权利要求3或5所述的具有电压均衡能力的超级电容器组充电电路，其特征在于:所述的第一开关(SI)、第二开关(S2)、第三开关(S3)和第四开关(S4)使用GTO或IGBT或三极管替换N沟道MOS管。
7.根据权利要求1所述的具有电压均衡能力的超级电容器组充电电路，其特征在于:所述的电压检测电路的正极电压输入端定义为电压检测电路的P端口，电压检测电路的负极电压输入端定义为电压检测电路的Q端口，电压检测电路的输出端定义为电压检测电路的U端口。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或7的任一项所述的具有`电压均衡能力的超级电容器组充电电路，其特征在于:所述的电压检测和信号传输模块实时向控制器(401)传递超级电容器单体上的电压状态；全部超级电容器单体上电压未超过门限电压时，控制器(401)控制充电控制电路(501)对超级电容器组进行充电，此工作状态称为正常充电模式；当某一超级电容器单体电压超过门限电压，控制器(401)控制与所述过充超级电容器单体并联的泄能控制模块，将所述过充超级电容器单体上多余能量泄放到能量转移电容上，过充超级电容器单体上电压开始降低，此工作状态称为过充泄能模式；待过充超级电容器单体上电压低于门限电压时，控制器(401)切断所有泄能控制模块，通过控制充电控制电路(501)，将已充电的能量转移电容(Ct)串入充电回路对超级电容器组进行充电，此时，能量转移电容(Ct)储存的能量被转移到超级电容器组中，此状态称为能量转移模式；待能量转移状态维持设定时间后，整个充电电路恢复到正常充电模式；如此循环往复，直到电压检测电路(301)提供的信息显示超级电容器组充电已满，控制器(401)关断泄能控制模块和充电控制电路(501)，结束充电。
【文档编号】H02J7/00GK103427462SQ201310362179
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】黄博, 马衍伟, 韦统振, 张熊, 孙现众, 张大成 申请人:中国科学院电工研究所