CN100574046C - 自发电超级电容储能电源 - Google Patents

Abstract

一种自发电超级电容储能电源，属于储能电源技术领域。本发明由手摇发电机、全波整流电路、充电控制电路、储能电容模块和输出稳压电路构成，其特征是：手摇发电机的输出电压经全波整流电路整流后作为充电控制电路的输入电压，充电控制电路的输入电压是在7V-60V范围变化的直流电压，充电控制电路具有电压过高报警功能，储能电容模块由超级电容和保护电路构成，储能电容模块的后面接输出稳压电路，在储能电容模块的电压由额定下降为0.3V时，输出电压都能保持稳定。优点在于输入电压范围宽、输出电压稳定、功耗小、工作效率高；可以大电流快速充电然后长时间稳定地放电，是绿色环保电源。

Description

自发电超级电容储能电源

技术领域

本发明属于储能电源技术领域，尤其是提供了一种自发电超级电容储能电源。

背景技术

洁净的能源、方便地充电，这是现代社会每个人的需求。目前广泛使用的镍氢、锂电都会造成环境污染，并且它们共同的不足就是充电次数少，每次充电时间长。随着超级电容技术的发展，单体电容的容量可达到2000F以上，充电10秒～几分钟可达到额定容量的95％以上，充放电循环使用次数可达50万次，其产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染。所以设计输入电压范围宽、输出电压稳定、工作效率高的超级电容储能电源将是理想的绿色环保电源。

目前公开的电容储能电源(装置)的不足之处有五个方面，每种装置都存在其中一种以上不足。

1、充电电压范围窄，充电电路效率低。因为电容电压较低，用交流输入时降压电路损耗了大部分电能。

2、用于储能的电容单体容量小，储存能量太少，不足以作为实用电源。

3、没有输出稳压电路，电容电压直接作为输出电压，而电容电压在放电时随时间下降很快，所以不能对负载提供稳定的电压。

4、输出稳压电路效率低。稳压电路消耗的功率大，电容的储能很大一部分浪费在电源内部，电源的输出效率很低。

5、没有电源状态指示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自发电超级电容储能电源，解决了以上五个方面的不足，本发明提供一种自发电电源，它是输入电压范围宽、输出电压稳定、功耗小、工作效率高的自发电超级电容储能电源，它提供3～30种输出电压，并有输入过充和输出电压的状态指示。

本发明由手摇发电机、全波整流电路、充电控制电路、储能电容模块和输出稳压电路五部分组成，见图1。

手摇发电机1可以采用常见的手摇或脚踏交流发电机。

手摇发电机1的输出电压经全波整流电路2整流后作为充电控制电路3的输入电压。

充电控制电路3的正常输入电压是在7V-60V范围变化的直流电压。充电控制电路3具有电压过高报警功能，当手摇或脚踏的速度过快，充电控制电路3的输入电压超过60V时，电压过高报警功能起作用，点亮发光二极管LED1，提醒使用者降低转速。充电控制电路3的输出电压可以通过电阻R2和R3进行调节，这样就可以根据需要给不同电压的储能电容模块充电。充电控制电路的输出电压可由电路参数调节，便于给不同额定电压的储能电容模块充电。

充电控制电路使用了芯片LM2576HV-ADJ，芯片LM2576HV-ADJ的管脚₁对地接电容(C1)，芯片LM2576HV-ADJ的管脚₁同时对地接稳压管(D1)、电阻(R1)、发光二极管(LED1)串联的支路，当芯片LM2576HV-ADJ的管脚₁的电压超过50V时，发光二极管(LED1)亮，表明手摇或脚踏发电机的电压过高，应降低转速。

芯片LM2576HV-ADJ的管脚₂对地接二极管(D2)，芯片LM2576HV-ADJ的管脚₂同时接电感(L1)，电感(L1)的另一端子为充电控制电路的电压输出端子(V1)，充电控制电路的电压输出端子(V1)对地接电容(C2)，充电控制电路的电压输出端子(V1)同时对地接电阻(R2)和电阻(R3)支路，芯片LM2576HV-ADJ的管脚₄接电阻(R2)和电阻(R3)之间的节点，改变电阻(R2)和电阻(R3)的阻值，可以改变输出电压值。

充电控制电路的输出端(V1)对地接有二极管(D3)、发光二极管(LED2)、电阻(R4)串联的支路，当超级电容充满电时，发光二极管(LED2)亮，指示电容已充满电，应停止发电。

储能电容模块4由超级电容和保护电路构成。储能电容模块的后面接输出稳压电路，在储能电容模块的电压由额定下降为0.3V时，输出稳压电路都能使电源的输出电压保持稳定，电源可以大电流快速充电然后长时间稳定地放电，是绿色环保电源。

超级电容可以根据需要采用单体超级电容或将2～100个超级电容并联组合，使储能电容模块实现不同的额定电压和额定容量。保护电路具有防止超级电容过电压、防止超级电容对充电控制电路放电、电容充满电后点亮发光二极管LED2报警等功能。

输出稳压电路5能提供3～30组恒定的输出电压，当储能电容模块4的电压由额定一直降到0.3V，输出电压都能保持稳定。输出稳压电路5的负载有一组发光二极管(LED3～LED5)，最多可以并接11个白色发光二极管，这组发光二极管可以用开关K1控制通断。输出稳压电路5还有4V、5V的输出接口，它们可以分别用开关K2和K3控制通断。4V、5V的输出接口可以为手机充电或作为小电器的电源。当4V输出接口有电压时，发光二极管LED6和LED7亮，当5V输出接口有电压时，发光二极管LED8亮。根据具体需要，选择不同输出电压的NCP1402芯片，还可以提供1.8V至5.0V范围内，增量为100mV的输出电压。

芯片NCP1402是输出稳压电路(5)的核心，该芯片可以提供1.8V到5V、间隔100mV的直流输出电压，将两路或3～10路输出并联，就可以增加输出电流，在应用中可以根据用电设备的容量，确定输出稳压电路的输出电压和输出电流，选择NCP1402芯片参数。

芯片NCP1402的外接元件有电感(L2、L3、L4、L5)、二极管(D5、D6、D8、D10)和电容(C3、C4、C5、C6)，其中电感(L2、L3、L4、L5)的一个端子经开关接到超级电容的非接地端子(V2)，电感(L2、L3、L4、L5)的另一个端子接芯片NCP1402的管脚₅，二极管(D5、D6、D8、D10)的正极接芯片NCP1402的管脚₅，二极管(D5、D6、D8、D10)的负极接的电容(C3、C4、C5、C6)，电容(C3、C4、C5、C6)另一端子接地，二极管(D5、D6、D8、D10)负极端子也是自发电超级电容储能电源的输出电压端子。

本发明可以提供3～30组输出电压，一组接用于照明的发光二极管(LED3、LED4、LED5)，其它输出电压(4V、5V，或者1.8V到5V、间隔100mV的直流输出电压)可以给手机充电或者作为小电器的电源。

本发明的有益效果是，可以给野外作业等无交流电源的工作环境提供自发电电源，该电源可以通过手摇或脚踏快速充电，电能储存在超级电容中，然后稳定地放电，可带的负载有一组LDE灯和4V、5V或者1.8V到5V、间隔100mV的直流输出电压等输出接口，可以给手机充电或作为小电器的电源。本发明的特点是输入电压范围宽，输出电压稳定，功耗小，效率高，可以大电流快速充电然后通过输出稳压电路长时间稳定地放电。

附图说明

图1是本发明的技术方案框图。

图2是本发明的充电电路原理图。全波整流电路2采用整流桥。

图3是本发明的储能电容模块4的电路原理图。

图4是本发明的输出稳压电路5的电路原理图。

具体实施方式

图1～图4为本发明的一种实施方式。

其中，图2中充电控制电路3的具体结构和作用是，采用LM2576HV-ADJ芯片，芯片的输入电压是7V-60V范围内的可变直流电压，输出电压可调，输出电压的表达式为： $V1=V_{\mathrm{REF}}(1+\frac{R2}{R3}),$ 其中V_REF＝1.23V，电阻R3的阻值范围是1kΩ至5kΩ，当确定了输出电压后，可以根据上式计算电阻R2和R3的数值。芯片LM2576HV-ADJ的管脚₁接全波整流电路2的输出电压。芯片LM2576HV-ADJ的管脚₁同时对地接两个支路，一个是由稳压管D1、电阻R1和发光二极管LED1组成的支路，用于在手摇发电机转速过快时报警；另一个是由电容C1组成的支路，用于滤波。芯片LM2576HV-ADJ的管脚₃和芯片LM2576HV-ADJ的管脚₅直接接地。芯片LM2576HV-ADJ的管脚₂接二极管D2、电感线圈L1和电容C2，L1和C2中间的节点是充电控制电路3的输出电压V1。芯片LM2576HV-ADJ的管脚₄接到电阻R2和R3中间的节点，通过调节R2和R3的比值可以改变充电控制电路3的输出电压V1。

图3是超级电容模块4的构成原理图，其中二极管D4防止超级电容对充电控制电路放电，二极管D3、发光二极管LED2、电阻R4具有超级电容充满电时报警的功能，当超级电容充满电后，发光二极管LED2亮，应该停止手摇发电机的工作。图3中的超级电容用于储存电能，可以是单体超级电容或者由2～几百个超级电容并联构成。

图4是输出稳压电路5的构成原理图，其中NCP1402芯片是微功率脉冲频率调制升压开关稳压器，按从上往下的顺序，第一个NCP1402芯片的输出电压是3V，输出电流最大可达200mA，电感L2接在超级电容输出电压V2和NCP1402芯片的管脚₅之间，NCP1402芯片的管脚₅对地接二极管D5和电容C3，当超级电容输出电压V2从超级电容的额定电压一直降到0.3V，二极管D5和电容C3之间的节点都可以输出稳定的3V电压，用于点亮白色发光二极管进行照明。第二个NCP1402芯片和第三个NCP1402芯片的输出电压是4V，它们的输出并联，可以提供的最大输出电流为400mA，可以为手机充电或作为其它电源。当输出端子Vout1有4V电压时，发光二极管LED6和LED7点亮，表示输出端子Vout1正常。第四个NCP1402芯片的输出电压是5V，最大输出电流200mA，它可以为手机充电或作为其它电源。当输出端子Vout2有5V电压时，发光二极管LED8点亮，表示输出端子Vout2正常。从图4电路可以看出，芯片NCP1402是输出稳压电路5的核心，该芯片可以提供1.8V到5V、间隔100mV的直流输出电压，将两路或3～10路输出并联，就可以增加输出电流，在应用中可以根据用电设备的容量，确定输出稳压电路5的输出电压和输出电流，选择NCP1402芯片参数，然后确定超级电容的额定电压和容量，就可以构成相应的自发电超级电容储能电源。

Claims (6)

1、一种自发电超级电容储能电源，由手摇发电机、全波整流电路、充电控制电路、储能电容模块和输出稳压电路构成，其特征是：手摇发电机(1)的输出电压经全波整流电路(2)整流后作为充电控制电路(3)的输入电压，充电控制电路(3)的输入电压是在7V-60V范围变化的直流电压，充电控制电路(3)具有电压过高报警功能，储能电容模块(4)由超级电容和保护电路构成，储能电容模块的后面接输出稳压电路(5)，在储能电容模块(4)的电压由额定值下降为0.3V时，该电源的输出电压都能保持稳定。

2、根据权利要求1所述的自发电超级电容储能电源，其特征是：充电控制电路(3)使用了芯片LM2576HV-ADJ，芯片LM2576HV-ADJ的管脚1对地接第一电容(C1)，芯片LM2576HV-ADJ的管脚1同时对地接由稳压管(D1)、第一电阻(R1)和发光二极管(LED1)组成的串联支路，当芯片LM2576HV-ADJ的管脚1的电压超过50V时，发光二极管(LED1)亮，表明手摇发电机的电压过高，应降低转速。

3、根据权利要求2所述的自发电超级电容储能电源，其特征是：芯片LM2576HV-ADJ的管脚2对地接二极管(D2)，芯片LM2576HV-ADJ的管脚2同时接电感(L1)的一端子，电感(L1)的另一端子为充电控制电路的电压输出端子(V1)，充电控制电路的电压输出端子(V1)对地接第二电容(C2)，充电控制电路的电压输出端子(V1)同时对地接由第二电阻(R2)和第三电阻(R3)组成的串联支路，芯片LM2576HV-ADJ的管脚4接第二电阻(R2)和第三电阻(R3)之间的节点，改变第二电阻(R2)和第三电阻(R3)的阻值，改变充电控制电路的输出电压值。

4、根据权利要求1所述的自发电超级电容储能电源，其特征是：充电控制电路(3)的输出端(V1)对地接有由二极管(D3)、发光二极管(LED2)和电阻(R4)组成的串联支路，当超级电容充满电时，发光二极管(LED2)亮，指示超级电容已充满电，应停止发电。

5、根据权利要求1所述的自发电超级电容储能电源，其特征是：输出稳压电路(5)的核心是芯片NCP1402，芯片NCP1402提供1.8V到5V、间隔100mV的直流输出电压，将两路或3～10路输出并联，增加输出稳压电路的输出电流。

6、根据权利要求5所述的自发电超级电容储能电源，其特征是：芯片NCP1402的外接元件有电感(L2、L3、L4、L5)、二极管(D5、D6、D8、D10)和电容(C3、C4、C5、C6)，其中电感(L2、L3、L4、L5)的一个端子经开关接到超级电容的非接地端子(V2)，电感(L2、L3、L4、L5)的另一个端子接NCP1402的管脚5，二极管(D5、D6、D8、D10)的正极接NCP1402的管脚5，二极管(D5、D6、D8、D10)的负极接电容(C3、C4、C5、C6)的一端子，电容(C3、C4、C5、C6)另一端子接地，二极管(D5、D6、D8、D10)负极也是自发电超级电容储能电源的输出电压端子。

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