CN101630869A - 作为电源的超级电容控制电路 - Google Patents

Abstract

一种作为电源的超级电容控制电路，有2^M组超级电容和2(n－1)个1×2开关，第一组超级电容的一端与输出端相连，该电容的另一端与第一支单刀双掷开关的“刀”相连，该开关的位置“1”连接到对负载总输出的另一端，而位置“2”连接到第二支单刀双掷开关的位置“2”，第二支单刀双掷开关位置“1”连接到对应负载总输出，其“刀”连接到第二组超级电容的一端，该电容的另一端与第三支单刀双掷开关相连，该单刀双掷开关的位置“1”连接到对应负载总输出的另一端，而其位置“2”连接到第四支单刀双掷开关的位置“2”，……依此类推。本发明总的输出维持在负载所需的电压范围之内，最大限度的利用超级电容中存储的能量。简单、易行，可靠性高。

Description

作为电源的超级电容控制电路

技术领域

本发明涉及一种超级电容控制电路。特别是涉及一种能够使总的输出维持在负载所需的电压范围之内，最大限度的利用超级电容中存储的能量的作为电源的超级电容控制电路。

背景技术

超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。

但超级电容不具备像化学电池那样的恒压特性，而是随着电流的消耗其输出电压也随之下降，这一缺点给用电系统带来控制上的困难。为解决这一困难，常规的做法是采用DC/DC稳压电路。如王海杰提出的实用新型发明专利：用于电动车的电容器储电装置(专利号：ZL 00231295.6)，就是采用这一方法。其缺点也是显而易见的：由于DC/DC稳压电路本身的效率有限带来能量的损失，同时增加了成本，降低了可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够使总的输出维持在负载所需的电压范围之内，最大限度的利用超级电容中存储的能量的作为电源的超级电容控制电路。

本发明所采用的技术方案是：一种作为电源的超级电容控制电路，包括有2^M组超级电容和2(n-1)个1×2开关，其中M＝1、2、3……，n＝1、2、3……，所述2^M组超级电容和2(n-1)支单刀双掷开关的连接方式为：第一组超级电容的一端与对应负载总输出的一端A相连，第一组超级电容的另一端与第一支单刀双掷开关的“刀”相连，该第一支单刀双掷开关的位置“1”连接到对负载总输出的另一端B，而位置“2”连接到第二支单刀双掷开关的位置“2”，而该第二支单刀双掷开关位置“1”连接到对应负载总输出的A，第二支单刀双掷开关的“刀”连接到第二组超级电容的一端，第二组超级电容的另一端与第三支单刀双掷开关相连，第三支单刀双掷开关的位置“1”连接到对应负载总输出的另一端B，而第三支单刀双掷开关的位置“2”连接到第四支单刀双掷开关的位置“2”，……最后一支单刀双掷开关的位置“2”接上一支单刀双掷开关的位置“2”，最后一支单刀双掷开关的位置“1”连接到对应负载总输出的A，最后一支单刀双掷开关的“刀”连接到最后一组超级电容的一端，最后一组超级电容的另一端连接到对应负载总输出的另一端B。

所述的每组充满电的超级电容组的端电压小于等于负载所允许的最大值。

所述的多支单刀双掷开关是继电器。

所述的多支单刀双掷开关是大功率晶体管。

所述的多支单刀双掷开关是大功率MOS管。

所述的多支单刀双掷开关是大功率IGTB管。

本发明的的作为电源的超级电容控制电路，通过2(n-1)个单刀双掷开关控制2^m组超级电容组的串、并联状态，其中，m＝1，2，3，……。n＝1，2，……，2^m。使得其总的输出维持在负载所需的电压范围之内，最大限度的利用超级电容中存储的能量。本发明简单、易行，可靠性高，可以克服超级电容作为电源的常规方法的缺点。

附图说明

图1是本发明作为电源的超级电容控制电路的系统构成方框图；

图2是本发明作为电源的超级电容控制电路实施例一的系统构成方框图；

图3是本发明作为电源的超级电容控制电路实施例二的系统构成方框图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的作为电源的超级电容控制电路做出详细说明。

如图1所示，本发明的作为电源的超级电容控制电路，包括有2^M组超级电容C1、C2、…Cn和2(n-1)个1×2开关(单刀双掷开关)K1、K2、…K2(n-1)，其中，m＝1，2，3，……。n＝2，……，2^m。所述2^M组超级电容和2(n-1)支单刀双掷开关的连接方式为：第一组超级电容C1的一端与对应负载总输出的一端A相连，电容C1的另一端与第一支单刀双掷开关K1的“刀”相连，该第一支单刀双掷开关K1的位置“1”连接到对负载总输出的另一端B，而位置“2”连接到第二支单刀双掷开关K2的位置“2”，而该第二支单刀双掷开关K2位置“1”连接到对应负载总输出的A，第二支单刀双掷开关K2的“刀”连接到第二组超级电容C2的一端，第二组超级电容C2的另一端与第三支单刀双掷开关K3相连，第三支单刀双掷开关K3的位置“1”连接到对应负载总输出的另一端B，而第三支单刀双掷开关K3的位置“2”连接到第四支单刀双掷开关K4的位置“2”，……最后一支单刀双掷开关K2(n-1)的位置“2”接上一支单刀双掷开关K2(n-1)-1的位置“2”，最后一支单刀双掷开关K2(n-1)的位置“1”连接到对应负载总输出的A，最后一支单刀双掷开关K2(n-1)的“刀”连接到最后一组超级电容Cn的一端，最后一组超级电容Cn的另一端连接到对应负载总输出的另一端B。

所述的每组充满电的超级电容组的端电压小于等于负载所允许的最大值。

所述的多支单刀双掷开关是继电器或是大功率晶体管或是大功率MOS管或是大功率IGTB管。

正常工作时控制电路检测各组或其中一组的端电压，当端电压处于标称值附近时，所有的超级电容组均并联为负载供电。当工作一段时间后，超级电容组的端电压下降到负载工作允许的电压最大值的一半时，控制电路通过2(n-1)个开关将原来超级电容组从全部并联切换成先串联成两大组后再并联，使得切换后的超级电容组的端电压又升高到接近负载工作允许的电压最大值。当继续工作一段时间后，超级电容组的端电压又下降到负载工作允许的电压最大值的一半时，控制电路再次通过继电器将原来超级电容组从两大组串联切换成四大组串联后再并联，又使得串联后的超级电容组的端电压又升高到接近负载工作允许的电压最大值。……，如此反复，可以将超级电容组的输出电压维持在某个特定的范围，直到最后几乎耗尽超级电容组中所存储的能量。

如图2所示，C1和C2是两组端电压相等的超级电容组，他们的总的端电压值输出为U₀，K1和K2用于控制C1和C2的连接关系：并联或串联。在C1和C2充满电时，由控制器(图中没有画出)控制K1和K2都处于“1”位置，因此，C1和C2为并联。当C1和C2的端电压下降到最大值(超级电容组充电允许的最大值，也是负载所允许的最大电压值)时，控制器将K1和K2同时切换到“2”位置，此时，C1和C2串联给负载供电，其总的端电压值U₀又为负载所允许的最大电压值，可以继续给负载供电。

如果负载供电范围在最大值U_MAX至该值的一半，每组超级电容的容量为C₀，则仅仅采用两组超级电容组直接供电的能量利用率为

$\frac{P_T-P_C}{P_T}=\frac{\frac{1}{2}\left(2C_0\right)U_{\mathrm{MAX}}^2-\frac{1}{2}\left(2C_0\right){\left(\frac{U_{\mathrm{MAX}}}{2}\right)}^2}{\frac{1}{2}\left(2C_0\right)U_{\mathrm{MAX}}^2}=0.75$

其中：P_T——总能量，P_C——可消耗能量。

采用本发明后：

$\frac{P_T-P_C}{P_T}=\frac{\frac{1}{2}\left(2C_0\right)U_{\mathrm{MAX}}^2-\frac{1}{2}\left(2C_0\right){\left(\frac{U_{\mathrm{MAX}}}{4}\right)}^2}{\frac{1}{2}\left(2C_0\right)U_{\mathrm{MAX}}^2}=0.9375$

所以，该方法大幅度提高了能量利用率。

其中的开关K1和K2可以是继电器，也可以是晶体管或MOS管等半导体器件。

如图3所示，C1、C2、C3和C4是4组端电压相等的超级电容组，他们的总的端电压值输出为U₀，K1、K2、K3、K4、K5和K6用于控制C1、C2、C3和C4的连接关系：并联或串联。在C1、C2、C3和C4充满电时，由控制器(图中没有画出)控制的K1、K2、K3、K4、K5和K6都处于“1”位置，因此，C1、C2、C3和C4为并联。当C1、C2、C3和C4的端电压下降到最大值(超级电容组充电允许的最大值，也是负载所允许的最大电压值)的一半时时，控制器将K1和K2、K5和K6同时切换到“2”位置，K3和K4保持在“1”位置，此时，C1和C2串联给负载供电，C3和C4串联给负载供电，其总的端电压值U₀又为负载所允许的最大电压值，可以继续给负载供电。随着超级电容组的电量消耗，其总的端电压U₀又会进一步下降，当U₀再次下降到最大值(超级电容组充电允许的最大值，也是负载所允许的最大电压值)的一半时时，控制器将K3和K4同时切换到“2”位置，K1、K2、K5和K6也保持在“2”位置，所有的超级电容组串联输出总的端电压值U₀又为负载所允许的最大电压值，仍然可以为负载供电一段时间。

本发明的作为电源的超级电容控制电路的能量利用率为0.984375，几乎可以完全利用超级电容中的能量。

其中的开关K1、K2、K3、K4、K5和K6可以是继电器，也可以是晶体管或MOS管等半导体器件。

Claims (6)

1.一种作为电源的超级电容控制电路，包括有2^M组超级电容(C1、C2、…Cn)和2(n-1)个1×2开关(K1、K2、…K2(n-1))，其中M＝1、2、3……，n＝1、2、3……，其特征在于，所述2^M组超级电容和2(n-1)支单刀双掷开关的连接方式为：第一组超级电容(C1)的一端与对应负载总输出的一端A相连，第一组超级电容(C1)的另一端与第一支单刀双掷开关(K1)的“刀”相连，该第一支单刀双掷开关(K1)的位置“1”连接到对负载总输出的另一端(B)，而位置“2”连接到第二支单刀双掷开关(K2)的位置“2”，而该第二支单刀双掷开关(K2)位置“1”连接到对应负载总输出的A，第二支单刀双掷开关(K2)的“刀”连接到第二组超级电容(C2)的一端，第二组超级电容(C2)的另一端与第三支单刀双掷开关(K3)相连，第三支单刀双掷开关(K3)的位置“1”连接到对应负载总输出的另一端B，而第三支单刀双掷开关(K3)的位置“2”连接到第四支单刀双掷开关(K4)的位置“2”，……最后一支单刀双掷开关(K2(n-1))的位置“2”接上一支单刀双掷开关(K2(n-1)-1)的位置“2”，最后一支单刀双掷开关(K2(n-1))的位置“1”连接到对应负载总输出的A，最后一支单刀双掷开关(K2(n-1))的“刀”连接到最后一组超级电容(Cn)的一端，最后一组超级电容(Cn)的另一端连接到对应负载总输出的另一端B。

2.根据权利要求1所述的作为电源的超级电容控制电路，其特征在于，所述的每组充满电的超级电容组的端电压小于等于负载所允许的最大值。

3.根据权利要求1所述的作为电源的超级电容控制电路，其特征在于，所述的多支单刀双掷开关是继电器。

4.根据权利要求1所述的作为电源的超级电容控制电路，其特征在于，所述的多支单刀双掷开关是大功率晶体管。

5.根据权利要求1所述的作为电源的超级电容控制电路，其特征在于，所述的多支单刀双掷开关是大功率MOS管。

6.根据权利要求1所述的作为电源的超级电容控制电路，其特征在于，所述的多支单刀双掷开关是大功率IGTB管。

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