串联超级电容的高效充电和可控电压供电装置的制作方法

本实用新型涉及一种充电供电装置，特别是一种串联超级电容的高效充电和可控电压供电装置。

背景技术：

电容器在稳压充电情况下存在着半能损失问题，即充电效率最多只有50%，有一半能量消耗在限流电阻上或以电磁波的形式辐射出去。随着超级电容的普遍应用和超级电容容量大幅增加，这部分能量的损失已相当可观。另一方面，单一超级电容或内部采用固定连接方式的超级电容器组合体只能供电到负载所能承受的最低电压，而超级电容可以供电到接近0V，这和蓄电池不一样，因此超级电容中储存的相当一部分能量不能被有效利用，例如5.5V 4.0F超级电容供电到5V单片机工作所需的最低电压为4.7V时，它的理论供电效率只有（5.5²-4.7²）/5.5²<27%，为此提高超级电容的充电效率和供电效率是急需要解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种串联超级电容的高效充电和可控电压供电装置。

本实用新型的目的是这样实现的：一种串联超级电容的高效充电和可控电压供电装置，包括光控电流方向开关、超级电容、充电端子、充电二极管、充电地二极管、充电地端子、高位电源引出端子、AD采样分压电阻、供电端子、供电地端子、单片机模块，其特征在于：

A、所述的光控电流方向开关包括1个光耦、至少1个三级管、1个控制电源输入端子、1个控制IO输入端子、1个电流正极端子、1个电流负极端子，所述光耦的发光二极管的正极连接控制电源输入端子，光耦的发光二极管的负极连接控制IO输入端子，光耦的光电三极管的集电极与三级管的集电极连接后连接到电流正极端子，光耦的光电三极管的发射极与三级管的基极连接；所述三级管的发射极连接到电流负极端子；所述控制电源输入端子连接单片机的工作电源；所述控制IO输入端子通过1个限流电阻连接单片机的一个IO口；

B、所述的超级电容至少为2个串联连接，依据电压从高到低排序，正极电压最高的为第一级超级电容，正极电压最低的为末级超级电容，两个相邻超级电容间的连接线上还T接有3个光控电流方向开关，其中一个光控电流方向开关的电流正极端子连接所述的充电端子，电流负极端子连接在连接线上；另一个光控电流方向开关的电流正极端子连接在连接线上，电流负极端子连接所述的充电地端子；第三个光控电流方向开关的电流正极端子连接在连接线上，电流负极端子连接所述的供电端子；

C、所述的第一级超级电容的正极与所述的高位电源引出端子相连，与高位电源引出端子相连的还有所述充电二极管的负极和1个光控电流方向开关的电流正极端子，开关的电流负极端子连接供电端子，充电二极管的正极连接充电端子；在高位电源引出端子与充电地端子之间还串联有2个所述的AD采样分压电阻，在2个AD采样分压电阻间的连接线上引出1个串联超级电容的最高电压采样点连接到单片机的1个AD采样端口；

D、所述末级超级电容的负极与所述充电地二极管的正极相连，与充电地二极管正极相连的还有所述的供电地端子，充电地二极管的负极连接所述的充电地端子；

E、在所述的末级超级电容正极与负极间串联有2个AD采样分压电阻，在2个AD采样分压电阻间的连接线上引出1个串联超级电容的最低电压采样点连接到单片机的1个AD采样端口；

F、在所述的供电端子和所述的供电地端子之间串联有2个AD采样分压电阻，在2个AD采样分压电阻间的连接线上引出1个供电电压采样点连接到单片机的1个AD采样端口；

G、在所述的充电端子和所述的充电地端子之间串联有2个AD采样分压电阻，在2个AD采样分压电阻间的连接线上引出1个充电电压采样点连接到单片机的1个AD采样端口。

所述的单片机模块包括单片机、电源模块、标准电压源、串口通信端子、电源端子、接地端子，所述单片机的IO口通过限流电阻与相应的所述光控电流方向开关的控制IO输入端子相连，所述单片机的AD端口与相应的所述采样点连接，所述电源模块的2个输入端子分别连接所述的高位电源引出端子和所述的供电端子，所述电源模块的2个输出端子分别连接所述的电源端子和所述的接地端子，所述单片机的串口与所述的串口通信端子相连，所述的标准电压源一端连接所述单片机的1个AD端口，另一端连接所述的接地端子。

所述的充电端子有1个，连接外部直流充电电源的正极；

所述的充电地端子有1个，连接外部直流充电电源的负极；

所述的供电端子有1个，对外提供直流电源的正极；

所述的供电地端子有1个，对外提供直流电源的负极；

本实用新型通过单片机控制光控电流方向开关实现对串联超级电容的先整组、再分组、再逐个进行充电的目的。超级电容串联分组的充电方法能大幅提高超级电容的稳压充电效率，例如：1F电容等效为4个0.25F电容的并联，1F电容充电到额定电压与4个0.25F电容分别充电到相同电压所储存的能量相同，但将4个0.25F超级电容串联，采取先4个整组串联充电到额定电压、再2个分组串联充电到额定电压、再逐个充电到额定电压方法，与1F超级电容直接充电到相同额定电压时的Q-U曲线对比如图3所示，图中线段OF为1F超级电容的充电曲线，折线OAJCBE为4个0.25F电容串联分组的充电曲线，曲线对横坐标的面积为电源的有效作功，两者蓄能相同，但1F超级电容直接充电的理论效率是50%，而4个0.25F超级电容串联分组充电的理论效率是72.7%，并且串联超级电容可以提供更宽的供电电压范围。如果参与串联充电的超级电容数目越多，分组越细，充电效率还会更高。本实用新型通过单片机串口接收用户的输出电压设定值，通过单片机采集第一级超级电容的最高电压、末级超级电容的最低电压、供电电压和充电电压，对比超级电容额定电压和用户的输出电压设定值来选择控制相应的光控电流方向开关进行超级电容的充电过程和供电过程，实现超级电容的高效充电和可控电压供电的目的。装置的充电效率高、控制灵活、使用简便、应用范围广、工作安全可靠。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是本实用新型的光控电流方向开关电路原理图；

图3是四级串联超级电容的高效充电和可控电压供电装置电路原理图；

图4是两个三极管的光控电流方向开关电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。如图1、2、3、4所示：

图中K1~K10为10个光控电流方向开关，IO1~IO10为其相应的控制端口，IO1~IO10分别通过限流电阻连接到单片机相应的IO端脚上；C1~C4为5.4V 50F的超级电容；Vin为充电端子；D1为充电二极管；D2为充电地二极管；Gin为充电地端子；Vj为高位电源引出端子；R1、R3、R5、R7为1MΩ的AD采样分压电阻；R2、R4、R6、R8为100kΩ的AD采样分压电阻；Vout为供电端子；Gout为供电地端子；IC1为STC15F408AD型号的单片机；IC2为向IC1供电的电源模块；R1~R10为1kΩ的单片机IO驱动限流电阻；Vcc为单片机电源端子；Rxd为单片机串口接收端子；Txd为单片机串口发送端子；Gnd为单片机接地端子。

光控电流方向开关包括1个型号为EL817C的光耦OC1、2个型号为S9013的三级管QT1和QT2、1个控制电源输入端子1（Vcc）、1个控制IO输入端子2（IOk）、1个电流正极端子3（K+）、1个电流负极端子4（K-）。2个三极管采取并联连接方式，QT1和QT2的基极与基极、集电极与集电极、发射极与发射极分别连接在一起，OC1的发光二极管的正极接1端子，OC1的发光二极管的负极接2端子，OC1的光电三极管的集电极与QT1和QT2的集电极连接后连接到3端子，OC1的光电三极管的发射极与QT1和QT2的基极连接，QT1和QT2的发射极连接到4端子，1端子外部连接IC1的Vcc电源端子， 2端子通过1个1kΩ限流电阻连接到单片机IC1的相应IO口上，当单片机IC1相应的IO口输出低电平时，光耦导通，外部电流将能从3端子导通到4端子，反方向则不通。通过电流为1A时，光控电流方向开关正向导通压降为0.63V。

本实施例的超级电容有4个，采取串联连接方式，依据电压从高到低依次排序：第一级超级电容为C1、第二级超级电容为C2、第三级超级电容为C3、末级超级电容为C4。

C1的正极与Vj端子相连，Vj端子还与D1的负极和K1的3端子相连，K1的4端子连接供电端子Vout，D1的正极连接充电端子Vin，D1的作用是防止串联超级电容向充电直流电源反供电，Vin连接外部充电直流电源的正极，Vj端子与Gin端子之间还串联有R11和R12电阻，在R11和R12间的连接线上引出AD1采样点连接到单片机IC1的AD采样端口AD1端脚上，采样值放大系数为11倍，AD1是本实施例串联电容的最高电压采样点，其上限控制电压为5.4*4=21.6V，既当AD1达到21.6V时，单片机控制IO2、IO4、IO5、IO6、IO8、IO9端子输入高电平（5V），停止对超级电容充电，防止超级电容过压损坏。

C1和C2间的连接线上T接有3个光控电流方向开关K2、K3、K4，K2的3端子连接Vin端子，K2的4端子连接在C1和C2间的连接线上，K3的3端子连接在C1和C2间的连接线上，K3的4端子连接Gin端子，K4的3端子连接在C1和C2间的连接线上，K4的4端子连接Vout端子。

C2和C3间的连接线上T接有3个光控电流方向开关K5、K6、K7，K5的3端子连接Vin端子，K5的4端子连接在C2和C3间的连接线上，K6的3端子连接在C2和C3间的连接线上，K6的4端子连接Gin端子，K7的3端子连接在C2和C3间的连接线上，K7的4端子连接Vout端子。

C3和C4间的连接线上T接有3个光控电流方向开关K8、K9、K10，K8的3端子连接Vin端子，K8的4端子连接在C3和C4间的连接线上，K9的3端子连接在C3和C4间的连接线上，K9的4端子连接Gin端子，K10的3端子连接在C3和C4间的连接线上，K10的4端子连接Vout端子。C4的负极与D2的正极相连，与D2正极相连的还有Gin端子， D2的负极连接Gout端子，D2的作用是防止在分组充电过程中发生非充电的超级电容对充电地Gin的放电。

C4的正极与负极间串联有电阻R15和R16，在R15和R16间的连接线上引出1个串联超级电容的最低电压采样点AD2连接到IC1的AD采样端口AD2端脚上，采样值放大系数为11倍，AD2是本实施例串联超级电容的最低电压采样点，其上限控制电压为5.4V，既当AD2达到5.4V时，单片机控制IO2、IO4、IO5、IO6、IO8、IO9端子输入高电平（5V），停止对所有超级电容的充电。

在充电端子Vin和充电地端子Gin之间串联有R11和R12电阻，在R11和R12电阻间的连接线上引出AD0采样点连接到IC1的AD采样端口AD0端脚上，采样值放大系数为11倍，本实施例采用5V手机充电器。

在供电端子Vout和供电地端子Gout之间串联有电阻R17和R18，在R17和R18间的连接线上引出1个供电电压采样点AD3连接到IC1的AD采样端口AD3端脚上，采样值放大系数为11倍，单片机根据用户设定值，及AD0、AD1、AD2、AD3的采样值，通过计算来确定K1~K10的控制策略使供电电压满足用户的要求，当充电和供电同时进行时，AD3的稳压输出偏差不超过±0.5V，默认输出电压的设定值为5V。用户设定值的许可范围在4.8V~20V。

电源模块IC2有两个输入端子，分别与Vj和Vout端子连接，经5V稳压电路输出到单片机IC1的电源端子Vcc和接地端子Gnd。IC1的Rxd端脚与Rxd端子相连，IC1的Txd端脚与Txd端子相连。IC1的标准电压源采用型号为TL431B的芯片，连接于IC1的AD4端口，作为单片机电压计算的基准。

本实施例采用对折分组充电方式，首先整组充电，IC1控制充电开关的控制IO输入端子IO2、IO4、IO5、IO6、IO8、IO9为高电平（5V），既K2、K4、K5、K6、K8、K9均为截至状态，直到AD1采样电压加上1V达到充电输入电压为止；接着进行1/2分组串联充电，IC1控制IO5为低电平（0V），其它充电开关的控制IO输入端子为高电平（5V），C3和C4串联充电，直到AD1采样电压加上1.3V达到1.5倍充电输入电压时为止；接着IC1控制IO6为低电平（0V），其它充电开关的控制IO输入高电平（5V），C1和C2串联充电，直到AD1采样电压加上1.3V达到2倍充电输入电压时为止。最后进行逐个充电，IC1控制IO4为低电平（0V），其它充电开关的控制IO输入高电平（5V），C1充电，直到AD1采样电压加上1.3V达到2.5倍充电输入电压时为止；IC1控制IO2和IO6输入低电平（0V），其它充电开关的控制IO输入高电平（5V），C2充电，直到AD1采样电压加上1.3V达到3倍充电输入电压时为止；IC1控制IO5和IO9输入低电平（0V），其它充电开关的控制IO输入高电平（5V），C3充电，直到AD1采样电压加上1.3V达到3.5倍充电输入电压时为止；IC1控制IO8输入低电平（0V），其它充电开关的控制IO输入高电平（5V），C4充电，直到AD1采样电压加上1.2V达到4倍充电输入电压时为止；IC1控制充电开关的控制IO输入端子IO2、IO4、IO5、IO6、IO8、IO9为高电平（5V），既K2、K4、K5、K6、K8、K9均为截至状态，充电过程结束。装置的充电效率高，输出电压范围宽，结构简单，控制灵活，工作可靠。