CN101710740A - 自发电应急电源及恒功率充电模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自发电应急电源及恒功率充电模块，其恒功率充电模块包括输入端，输出端，高频开关电路，电流采样分流器，采样电流放大电路，采样比较放大电路以及PWM调节控制器。高频开关电路用于调节输出电流的大小。电流采样分流器与高频开关电路相连后设置在输入端与输出端之间。采样电流放大电路将采样分流器上的电压放大并与输出端的采样电压结合后送至采样比较放大电路的信号输入，其与基准电压比较放大后，输出一个控制电平至PWM调节控制器。PWM调节控制器分别与采样比较放大电路以及高频开关电路相连，用于根据控制电平，向高频开关电路输出PWM驱动脉冲，以使输出功率保持恒定。本发明可以大大缩短对容性负载的充电时间。

Description

自发电应急电源及恒功率充电模块

技术领域

本发明涉及储能电源技术领域，特别涉及可恒功率充电的自发电应急电源及其恒功率充电模块。

背景技术

目前，应急电源已经被应用在许多领域，其可以在用电设备主电源(电池)电能耗尽的情况下，为设备提供临时的应急供电。例如手摇发电机，常常是手持终端、小功率电台等设备的配套设备，其可以在野外为各种手持终端、小功率电台提供临时供电。但是，单独的手摇发电机在使用时，必须持续转动发电机摇柄，一旦停下就会造成供电中断，操作极为不便，因此通常需要有两个人来进行操作，其中一人持续摇动摇柄，另一人才能对负载设备进行操作。

为此，有的手摇发电机采用了可以储存电能的储能单元，这样就可以先进行摇动发电机摇柄充电，再利用储存的电能为负载设备供电，令使用者操作起来更加方便。如中国专利局专利号为200710000114.6的发明公开了一种车辆应急电源，其用于在紧急情况下通过人力向车辆提供电力。如图1所示，这种车辆应急电源包括手动发电机11、充电电路12、电容器单元13以及连接器14。其中，充电电路12又包括有恒压/恒流电路15，其是以恒压/恒流的模式将充电电力提供给电容器单元13中的多个电容器16，并对电能进行存储。而这里所述的恒压/恒流模式是指在电容器单元13初始充电时保持恒流模式，而当充电饱和时则切换到恒压模式，也即是采用了业内最常用的恒流充电方式。然后再将电容器16中储存的电能通过连接器14传输给车载电池17。

因此，这种车辆应急电源无需任何复杂机械即可使用人力来产生应急电力，操作方便，能有效解决车载电池意外用尽而令汽车无法发动的问题。

但是对于手摇式的应急电源，特别对于带有大容量储能单元的手摇式应急电源，往往需要较长的充电时间，也即需要使用者长时间地为发动机进行人力发电，会消耗使用者大量的体力。因此，如何能缩短应急电源的充电时间，也是业内有待解决的一个课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自发电应急电源，以解决现有的应急电源充电时间过长的问题。

本发明的另一目的是提供一种恒功率充电方案，并实际设计出恒功率充电模块，以解决现有的应急电源充电时间过长的问题。

本发明提出一种自发电应急电源，其包括手摇发电机，输出口，储能电容模块，恒功率充电模块以及稳压变换模块。储能电容模块用于储存手摇发电机所产生的电能。恒功率充电模块分别与手摇发电机及储能电容模块相连，用于将手摇发电机产生的电能转换为储能电容模块可接收的电能，并对储能电容模块进行恒功率充电。稳压变换模块分别与储能电容模块及输出口相连，用于将储能电容模块中的可用电能量转换成外接负载设备可使用的电能，并通过输出口输出。

依照本发明较佳实施例所述的自发电应急电源，恒功率充电模块又进一步包括输入端，输出端，高频开关电路，电流采样分流器，采样电流放大电路，采样比较放大电路以及PWM调节控制器。高频开关电路用于(由调节控制器产生的PWM驱动脉冲)调节输出电流的大小。电流采样分流器与高频开关电路相连后设置在输入端与输出端之间。采样电流放大电路将采样分流器上的电压放大并与输出端的采样电压结合后送至采样比较放大电路的信号输入，其与基准电压比较放大后，输出一个控制电平至PWM调节控制器。PWM调节控制器分别与采样比较放大电路以及高频开关电路相连，用于根据控制电平，向高频开关电路输出PWM驱动脉冲，以使输出功率保持恒定。

依照本发明较佳实施例所述的自发电应急电源，其恒功率充电模块的高频开关电路包括一第一场效应管、一第二场效应管以及一续流电感，该续流电感串接在第一场效应管的源极和输出端之间的通道上，该第一场效应管、第二场效应管的栅极均与该PWM调节控制器相连，该第一场效应管的漏极和源极设置在输入端和输出端之间的通道上，该第二场效应管的漏极和源极跨接在该续流电感的一端(与第一场效应管的源极相连的端)和恒功率充电模块的负极之间。

依照本发明较佳实施例所述的自发电应急电源，恒功率充电模块还包括输入保护电路，输入保护电路又进一步包括一自恢复保险丝以及一TVS二极管，该自恢复保险丝串接在输入端和输出端之间的通道上，该TVS二极管跨接在自恢复保险丝的后端(这里所述的后端是指自恢复保险丝与滤波电感相连的一端)与恒功率充电模块的负极之间。

依照本发明较佳实施例所述的自发电应急电源，恒功率充电模块还包括滤波电路，滤波电路又进一步包括一滤波电感及至少一个滤波电容，该滤波电感设置在输入端和该第一场效应管的漏极之间，该滤波电容跨接在该第一场效应管的漏极与恒功率充电模块的负极之间。

依照本发明较佳实施例所述的自发电应急电源，其还包括电量显示控制模块，其与储能电容模块相连，用于显示储能电容模块中可利用的电能量。

本发明另提出一种恒功率充电方案，并实际设计出恒功率充电模块，其包括输入端，输出端，高频开关电路，电流采样分流器，采样电流放大电路，采样比较放大电路以及PWM调节控制器。高频开关电路用于(由调节控制器产生的PWM驱动脉冲)调节输出电流的大小。电流采样分流器与高频开关电路相连后设置在输入端与输出端之间。采样电流放大电路将采样分流器上的电压放大并与输出端的电压结合后送至采样比较放大电路的信号输入，其与基准电压比较放大后，输出一个控制电平至PWM调节控制器。PWM调节控制器分别与采样比较放大电路以及高频开关电路相连，用于根据控制电平，向高频开关电路输出PWM驱动脉冲，以使输出功率保持恒定。

依照本发明较佳实施例所述的恒功率充电模块，其高频开关电路包括一第一场效应管、一第二场效应管以及一续流电感，该续流电感串接在第一场效应管的源极和输出端之间的通道上，该第一场效应管、第二场效应管的栅极均与该PWM调节控制器相连，该第一场效应管的漏极和源极设置在输入端和输出端之间的通道上，该第二场效应管的漏极和源极跨接在该续流电感的一端(与第一场效应管的源极相连的端)和恒功率充电模块的负极之间。

本发明的有益效果是：本发明采用恒功率的方式为储能电容模块充电，可以大大缩短应急电源的充电时间。对于大容量的自发电应急电源，节约了使用者人力发电的时间，也减少了使用者体力的消耗。

附图说明

图1为中国专利局专利号为200710000114.6的一种车辆应急电源的实施例结构图；

图2为本发明自发电应急电源的一种实施例结构图；

图3为本发明恒功率充电模块的一种实施例结构图；

图4为本发明恒功率充电模块的一种实施例电路图；

图5为本发明开关调节电路的工作时钟周期示意图。

具体实施方式

本发明主要是将恒功率充电的思想带入到自发电应急电源中，实现对储能电容模块的快速充电。相对于现有技术中常用的恒流充电方式，恒功率充电的方式能够达到更快速的充电效果，其理由如下：

由于储能电容模块的容量C不变，发电机额定输出功率P不变，储能电容模块的允许最高端电压Um不变。故

1)恒流充电电流只能是I＝P/Um，则恒流充电时的总充电时间

T＝Q/I＝CUm/(P/Um)＝C×Um×Um/P

2)恒功率充电时的总充电时间

T＝A/P＝(1/2)C×Um×Um/P    注：A为储存的总能量

跟据理论计算恒功率充电时间只有恒流充电时间的一半，这样就大大缩短了自发电应急电源的充电时间。

以下结合附图，具体说明本发明，其中本发明中所述的两个结构或元件之间的连接是指直接或者间接的电气连接。

请参见图2，其为本发明自发电应急电源的一种实施例结构图。此自发电应急电源包括手摇发电机21，恒功率充电模块22，储能电容模块24，稳压变换模块23，电量显示控制模块25以及输出口26。恒功率充电模块22分别与手摇发电机21及储能电容模块24相连，稳压变换模块23设置在储能电容模块24与输出口26之间，电量显示控制模块25与储能电容模块24相连。

在使用时，输出口26连接移动终端、通讯电台等外接负载设备，可以先通过摇动手摇发电机21的摇柄将人工机械能转变为电能(如24V的直流电)，然后再由恒功率充电模块22将手摇发电机21产生的电能转变成储能电容模块24可以接收的电压范围，并通过恒功率充电的方式将电能储存在储能电容模块24中。在充电过程中，电量显示控制模块25会粗略显示出储能电容模块24中可利用的电能量。

当充电完成后，便可以停止摇动摇柄，并将输出口26与外接负载设备(电源)输入端相连，供负载设备使用。稳压变换模块23可以将储能电容模块24中的电能转换为外接设备可使用的电压，并通过输出口26输出电能。

本发明的重点就在于，恒功率充电模块22是采用恒功率的充电方式对储能电容模块24进行充电，从而大大缩短了充电所需要的时间。请参见图3，其为本发明恒功率充电模块的一种实施例结构图。其包括输入端31，输出端37，高频开关电路32，电流采样分流器33，采样电流放大电路34、采样比较放大电路35以及PWM调节控制器36。输入端31与手摇发电机21相连，输出端37与储能电容模块24相连。高频开关电路32与电流采样分流器33相连后设置在输入端31与输出端37之间。采样电流放大电路34分别与电流采样分流器33以及采样比较放大电路35相连。采样比较放大电路35分别与采样电流放大电路34以及输出端37相连。PWM调节控制器36分别与采样比较放大电路35以及高频开关电路32相连。

工作时，手摇发电机21输出的电能从输入端31输入恒功率充电模块中，并通过高频开关电路32、电流采样分流器33后从输出端37输出给储能电容模块24。而在这过程中，采样电流放大电路34将采样分流器33两端的电压信号放大送至采样比较放大电路35，采样比较放大电路35将放大后的电流信号与输出端37的输出电压进行结合后，向PWM调节控制器36输出一个控制电平。而PWM调节控制器36会根据这个控制电平向高频开关电路32输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)驱动脉冲，并跟据PWM来控制输出电流的大小。由于控制电平、PWM驱动脉冲均是根据输出端37的输出电压值和电流采样分流器33上的电流值决定的，因此高频开关电路32可以有效地使输出端37保持输出一个恒定的功率。即当输出电压增大时，高频开关电路32使输出电流减小；当输出电压减小时，高频开关电路32使输出电流增大。

便于更深入地理解本发明，申请人揭示了恒功率充电模块的一种较佳的实施例电路图，如图4所示。

在图4中，高频开关电路32包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2以及续流电感L2。第一场效应管Q1与第二场效应管Q2的栅极均与PWM调节控制器U3相连。第一场效应管Q1的漏极和源极以及续流电感L2均设置在输入端INPUT和输出端OUTPUT之间的通道上。第二场效应管Q2的漏极和源极跨接在续流电感L2一端(与第一场效应管的源极相连的端)和充电模块的负极之间。第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的导通与关断实现了输出电流的PWM控制，而第一场效应管Q1作为主开关管，其每个周期的导通占空比大小决定了输出电流的大小。

采样电流放大电路，设置在电流采样分流器R1与采样比较放大电路之间，其主要包括一个采样电流放大器U4A。采样比较放大电路，设置在采样电流放大电路与PWM调节控制器36之间，其主要包括一个采样比较放大器U4B。

工作时，从电流采样分流器R1上进行输出电流采样，经采样电流放大器U4A进行输出电流信号放大并与恒功率充电模块的输出电压结合，然后将结合后的信号输入至采样比较放大器U4B的一个输入端(图中为反向输入端)，经采样比较放大器U4B放大后，在其输出端输出合适的电平，该电平即为对PWM调节控制器U3的控制电平。使PWM调节控制器U3产生合适的PWM驱动脉冲，驱动场效应管Q1、Q2的导通与截止，从而在不同的输出电压段产生相应适宜的输出电流，达到恒功率输出之目的。

下面以第一场效应管Q1，第二场效应管Q2的一个开关周期T为例：

在充电过程中，因负载是容性负载，故其工作状态实际工作在限流状态而非稳压状态。只是其限流值随输出电压的变化而变化，从而达到恒功率输出之目的。本实施例中控制器U3的工作主时钟频率是不变的，故工作时钟周期也是不变的，其工作时钟周期如图5所示。

当输出电压降低时，采样比较放大器U4B输出电压升高，经过电阻R10和二极管D4，让控制器U3的3脚电平升高，将使控制器U3输出的PWM的导通时间Ton变长，截止时间Toff变短(即第一场效应管Q1导通的时间变长，第二场效应管Q2导通的时间变短)，从而使输出电流增大。反之，当输出电压升高时，采样比较放大器U4B输出电平降低，经过电阻R10和二极管D4，拉低控制器U3的3脚电平，使控制器U3输出的PWM的导通时间Ton变短，截止时间Toff变长，从而使输出电流减小。这样就实现了输出电流因输出电压和其本身电流的变化而变化，从而实现恒功率输出之目的。

另外，图4的电路图中还包括了输入保护电路和滤波电路。输入保护电路由自恢复保险丝F1和TVS二极管D1构成，其起到输入反接保护及输入过压保护的作用。滤波电路包括滤波电感L1及滤波电容C1、C2构成。保护电路和滤波电路均为现有技术中常用的电路，故在此不再赘述。

图4的电路，是在恒流控制电路的基础上，加入了输出电压补偿，使输出功率接近恒功率，但不是完全的恒功率。为了证明快速充电，申请人以图4为例做了以下理论计算：

本实施例充电电路在最大输出电压为Um时，输出电流为I＝P/Um，

在输出电压为1/2Um时，输出电流为I＝2P/Um，

在输出电压为0V时，输出电流为I＝3P/Um，

1.假如充电电压在0V～Um/2之间，充电功率近似线性增大，可得0V到Um/2之间，充电功率以平均P/2计算，则：

(1/2)P×T1＝(1/2)C×(Um/2)²

得到前一阶段充电时间：T1＝(1/4)C×Um×Um/P

充电电压在Um/2～Um之间，充电平均功率以P计算，则：

P×T2＝(1/2)C×Um×Um-(1/2)C×(Um/2)²

得到后一阶段充电时间：T2＝(3/8)C×Um×Um/P

两段充电总时间是：

T1+T2＝C×Um×Um/(4P)+(3/8)C×Um×Um/P

＝(5/8)C×Um×Um/P

因而与恒流充电时间相比整个充电过程缩短了37.5％。若储能电容模块的电容容量C＝190F，此充电电路的最大输出电压Um＝5.35V，手摇发电机的额定输出功率P＝17W，则恒流充电时间理论计算是：

T＝C×Um×Um/P＝190×5.35×5.35/17＝320(秒)

而利用本实施例的电路进行实验，相同的数据实测整个充电过程充满电的时间是214秒左右，缩短了33％，接近理论计算值。

2.输出电压在Um/2～Um之间的恒流充电时间是：

T2＝(C×Um-C×Um/2)/(P/Um)＝(1/2)C×Um×Um/P

输出电压在Um/2～Um之间的恒功率充电，缩短的时间是：

(1/2)C×Um×Um/P-(3/8)C×Um×Um/P＝(1/8)C×Um×Um/P

缩短了(0.125C×Um×Um/P)/(0.5C×Um×Um/P)＝25％。

输出电压在Um/2～Um之间的恒流充电理论计算时间：

T2＝(1/2)C×Um×Um/P＝160(秒)

而采用本实施例的实测后一阶段充满电时间是120秒左右，缩短了25％，与理论计算值相符。可见恒功率充电可以大大缩短充电时间。

本发明另提出一种恒功率充电模块，其结构、功能与前述自发电应急电源的恒功率充电模块相同，在此不再赘述。值得注意的是，该恒功率充电模块并不局限于为自发电应急电源进行充电，也可以为其他任意的容性负载充电。只要将输出电压，电流依据被充电负载，充电模块功率作相应调整即可。

本发明采用恒功率的方式为储能电容模块充电，可以大大缩短应急电源的充电时间。对于大容量的自发电应急电源，节约了使用者人力发电的时间，也减少了使用者体力的消耗。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自发电应急电源，其包括一手摇发电机和一输出口，其特征在于，还包括：

一储能电容模块，用于储存该手摇发电机所产生的电能；

一恒功率充电模块，其分别与该手摇发电机及该储能电容模块相连，用于将该手摇发电机产生的电能转换为该储能电容模块可接收的电能，并对该储能电容模块进行恒功率充电；

一稳压变换模块，其分别与该储能电容模块及该输出口相连，用于将该储能电容模块中的可用能量转换成外接设备可使用的电能，并通过该输出口输出。

2.如权利要求1所述的自发电应急电源，其特征在于，该恒功率充电模块又进一步包括：

一输入端；

一输出端；

一高频开关电路，用于调节输出电流的大小；

一电流采样分流器，其设置在高频开关电路与该输出端之间，用于输出电流采样；

一采样电流放大电路，其设置在采样分流器与采样比较放大电路之间，用于将采样分流器上的电压放大；

一采样比较放大电路，其分别与该采样电流放大电路的输出以及该恒功率充电模块输出端相连，用于将采样电流样值与输出电压进行结合，并与基准电压比较放大后，输出一个控制电平至PWM调节控制器；

一PWM调节控制器，其分别与该采样比较放大电路以及该高频开关电路相连，用于根据控制电平，向高频开关电路输出PWM驱动脉冲，以使输出功率保持恒定。

3.如权利要求2所述的自发电应急电源，其特征在于，该高频开关电路包括一第一场效应管、一第二场效应管以及一续流电感，该续流电感串接在第一场效应管的源极和输出端之间的通道上，该第一场效应管、第二场效应管的栅极均与该PWM调节控制器相连，该第一场效应管的漏极和源极设置在输入端和输出端之间的通道上，该第二场效应管的漏极和源极跨接在第一场效应管的源极和恒功率充电模块的负极之间。

4.如权利要求2所述的自发电应急电源，其特征在于，该恒功率充电模块还包括一输入保护电路，该输入保护电路又进一步包括一自恢复保险丝以及一TVS二极管，该自恢复保险丝串接在输入端和输出端之间的通道上，该TVS二极管跨接在自恢复保险丝的后端与恒功率充电模块的负极之间。

5.如权利要求2所述的自发电应急电源，其特征在于，该恒功率充电模块还包括一滤波电路，该滤波电路又进一步包括一滤波电感及至少一个滤波电容，该滤波电感设置在输入端和该第一场效应管的漏极之间，该滤波电容跨接在该第一场效应管的漏极与恒功率充电模块的负极之间。

6.如权利要求1所述的自发电应急电源，其特征在于，其还包括一电量显示控制模块，其与该储能电容模块相连，用于显示该储能电容模块中可利用的电能量。

7.一种恒功率充电模块，包括一输入端及一输出端，其特征在于，包括：

一高频开关电路，用于调节输出电流的大小；

一电流采样分流器，其设置在高频开关电路与该输出端之间，用于输出电流采样；

一采样电流放大电路，其设置在采样分流器与采样比较放大电路之间，用于将采样分流器上的电压放大；

一采样比较放大电路，其分别与该采样电流放大电路的输出以及该充电模块输出端相连，用于将采样电流样值与输出电压进行结合，并与基准电压比较放大后，输出一个控制电平至PWM调节控制器；

一PWM调节控制器，其分别与该采样比较放大电路以及该高频开关电路相连，用于根据控制电平，向高频开关电路输出PWM驱动脉冲，以使输出功率保持恒定。

8.如权利要求7所述的恒功率充电模块，其特征在于，该高频开关电路包括一第一场效应管、一第二场效应管以及一续流电感，该续流电感串接在第一场效应管的源极和输出端之间的通道上，该第一场效应管、第二场效应管的栅极均与该PWM调节控制器相连，该第一场效应管的漏极和源极设置在输入端和输出端之间的通道上，该第二场效应管的漏极和源极跨接在该第一场效应管的源极和恒功率充电模块的负极之间。

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