CN101728875B - 超级电容器均衡双向充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述方法包括以下步骤：在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压；开启高频充电器对所述超级电容器进行充电，此时所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，以及控制所述可变电压调节器与所述充电电路处于断开状态，同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流；随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路。本发明的方法在节约电能的前提下还能够使得超级电容器充电均衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级电容器的充电方法，尤其是涉及一种双向充电的，超级电容器的均衡充电方法。
背景技术
超级电容器是本领域公知的，并且当前开发为用在诸如发动机起动方面，以及用作不间断电源之类的高能量电器中的电源。在这些应用中，需要的是可以快速充电并进行多次循环的电源，而这种电源往往包含有超级电容器，而不是包含常规的电池。
超级电容器能够在短时间内传送较高的比功率。超级电容器的放电(或充电)时间性能是在几秒或数十秒内可以传送超过1kW/kg的比功率。单个超级电容器的电容从1F至大约3500F不等，然而具有非常低的电阻，通常小于1m′Ω。
当对超级电容器进行充电时，重要的是在超级电容器两端处不能超过最大电压。应当对超级电容器的充电进行控制，如果两端处电压达到本领域公知的预定值，则自动停止充电。如果电压超过预定值，将会加速超级电容器的老化，从而降低其自控性和能量存储能力。
超级电容器模块通常包括多个串联的超级电容器，可以达到超过数十伏特或甚至数百伏特的电压。在这种情况下，超级电容器模块充电结束时，可以发现各超级电容器彼此之间的性能存在不均衡现象。这是由于超级电容器模块中各超级电容器的内在性质(串联电阻和电容)的不均衡、超级电容器在使用过程中的老化，以及由于其环境模块内的温度梯度变化导致的。而这将引起模块内各超级电容器不同的泄露电流，并由此导致各超级电容器两端的充电电压存在差别。
这些问题将危及超级电容器模块的正常工作。模块中的一些超级电容器会达到超过其额定充电电压的电压，这将降低其性能并导致其过早老化。由此模块整体不能正常发挥作用。
为了解决这种问题，有人提出了在超级电容器的模块的各超级电容器的两端并联包括MOS晶体管的旁路电路，以及在各超级电容器的两端并联低通滤波器，以便于对各超级电容器两端的电压进行检测的技术。然而，这种技术存在对充电能量的浪费，以及实际效果欠佳的缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种更加有效和节能的超级电容器充电电压控制方法，其中采用将低通滤波器串联至旁路电路的方式，使得低通滤波器能够更加有效地工作。并且本发明还在旁路电路中设置了用于回收旁路电能的可充电电池，从而达到节能的效果。特别是，可充电电池所回收的能量可以在各超级电容器自发放电时，反过来补充超级电容器的能量损失，因此说本发明采用的是一种双向充电模式。并且由于本发明所述的方法将应用在超级电容器模块的各超级电容器上，因此将对各超级电容器进行保护，并将各超级电容器充至预定电压，从而使得所述超级电容器模块充电均衡。
为此，根据本发明的一个方案，提供一种超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、为所述超级电容器的充电电路设置一个旁路电路；在所述超级电容器的充电电路上设置可变电压调节器；所述旁路电路包括串联设置的低通滤波器、晶体管和可充电电池；在所述充电电路上设置控制单元；设置检测器与所述超级电容器电连接以及与所述旁路电路电连接；
步骤二、在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压；
步骤三、开启高频充电器对所述超级电容器进行充电，此时所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，以及控制所述可变电压调节器与所述充电电路处于断开状态，同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流；
步骤四、随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路；
步骤五、当所述检测器检测到所述旁路电路中有电流时，通知所述控制单元控制所述可变电压调节器与所述充电电路接通，以及控制所述可充电电池与所述旁路电路接通，从而向所述可充电电池充电；
步骤六、所述高频充电器停止工作后，当所述检测器检测到所述超级电容器的电压低于所述充满电压时，通知所述控制单元控制所述低通滤波器与所述旁路电路断开，以及控制所述可变电压调节器与所述充电电路接通；
步骤七、所述可变电压调节器将充电电路的电压限定在所述充满电压值，并且所述控制单元进一步控制所述可充电电池通过所述可变电压调节器向所述超级电容器充电。
进一步地，本发明所述的超级电容器均衡双向充电方法中，所述可变电压调节器为一个可变电阻。
进一步地，本发明所述的超级电容器均衡双向充电方法中，所述晶体管为MOS晶体管。
进一步地，本发明所述的超级电容器均衡双向充电方法中，在所述可充电电池和所述超级电容器之间设置有升压转换器，用于将所述可充电电池的电压升压后充至所述超级电容器。
进一步地，本发明所述的超级电容器均衡双向充电方法中，在所述控制单元为一个控制芯片。
进一步地，本发明所述的超级电容器均衡双向充电方法中，在所述可充电电池为锂电池。
根据本发明的另一方案，还提供一种超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、为所述超级电容器的充电电路设置一个旁路电路；在所述超级电容器的充电电路上设置电流限制部件；所述旁路电路包括串联设置的低通滤波器、晶体管和可充电电池；在所述充电电路上设置控制单元；设置检测器与所述超级电容器电连接以及与所述旁路电路电连接；
步骤二、在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压；
步骤三、开启高频充电器对所述超级电容器进行充电，此时所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，以及控制所述电流限制部件将所述充电电路的电流值限定在一设定值，同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流；
步骤四、随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路；
步骤五、当所述检测器检测到所述旁路电路中有电流时，通知所述控制单元控制所述电流限制部件与所述充电电路接通，以及控制所述可充电电池与所述旁路电路接通，从而向所述可充电电池充电；
步骤六、所述高频充电器停止工作后，当所述检测器检测到所述超级电容器的电压低于所述充满电压时，通知所述控制单元控制所述低通滤波器与所述旁路电路断开；
步骤七、所述电流限制部件将充电电路的电压限定在所述充满电压值，并且所述控制单元进一步控制所述可充电电池向所述超级电容器充电。
在这种方案中，所述的超级电容器均衡双向充电方法中，所述晶体管为MOS晶体管。
在这种方案中，所述的超级电容器均衡双向充电方法中，在所述可充电电池和所述超级电容器之间设置有升压转换器，用于将所述可充电电池的电压升压后充至所述超级电容器。
在这种方案中，所述的超级电容器均衡双向充电方法中，所述可充电电池为锂电池
本发明提供的两种超级电容器均衡双向充电方法中，涵盖了能使超级电容器充电均衡的方法，同时也涵盖了收集所消耗电能的方法。在方案一中，采用可变电压调节器，使得当可充电电池反向給超级电容器充电时，用可变电压调节器控制所述超级电容器两端的电压不超过额定电压，同时也控制电压不至于过低而导致充电效率的降低。
附图说明
图1为根据本发明一个实施方式的超级电容器均衡双向充电方法所采用的系统的结构示意图；
图2为根据本发明的另一个实施方式的超级电容器均衡双向充电方法所采用的系统的结构示意图；
图3为根据本发明的又一个实施方式的超级电容器均衡双向充电方法所采用的系统的结构示意图；
图4为根据本发明的又一个实施方式的超级电容器均衡双向充电方法所采用的系统的结构示意图；
图5为根据本发明的超级电容器均衡双向充电方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明进行详细的描述。
图1为根据本发明一个实施方式的超级电容器均衡双向充电方法所采用的系统的结构示意图。如图1所示，本发明所述的超级电容器均衡双向充电方法所用的系统包括：可以组成超级电容器模块的超级电容器，由于在超级电容器模块上的每一个超级电容器都要采用这种方法充电，才能够确保超级电容器充电均衡，因此图中只示出了一个超级电容器作为说明。
本发明为所述超级电容器的充电电路设置一个旁路电路，旁路电路中包括低通滤波器、晶体管和可充电电池。但是在使用过程中，这些元器件不总是同时接通的。在所述超级电容器的充电电路上设置可变电压调节器；在所述旁路电路上串联设置低通滤波器、晶体管和可充电电池；在所述充电电路上设置控制单元；设置检测器与所述超级电容器电连接以及与所述旁路电路电连接。
本发明的操作步骤如图5所示，首先在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压。这里晶体管是在开关模式下工作的，当晶体管两端电压没有达到阈值电压时，晶体管处于关闭状态；一旦晶体管两端电压达到阈值电压，晶体管就会被接通，也就是此时旁路电路被导通。此时，需要开启可变电压调节器，对充电电路进行保护，使得充电电路的电阻值远远大于旁路电路的电阻。此时，高频充电器发出的电能通过导通的晶体管进入到可充电电池中，对可充电电池进行充电。
利用低通滤波器的目的是滤去高频充电器中的高频谐波，从而使得晶体管的控制更加精确。也就是说，晶体管根据经过滤波的电压判断是否达到阈值电压，比直接使用高频充电器发出的电流产生的电压判断是否达到阈值电压更为有效。
在开启高频充电器对所述超级电容器进行充电时，所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，因此此时并不需要对可充电电池进行充电，只有当超级电容器充满之后，电流流向旁路电路时，才需要接通可充电电池。所述控制单元控制所述可变电压调节器与所述充电电路处于断开状态，此时不需要可变电压调节器保护超级电容器两端的电压，因此有包括晶体管的旁路电流在对超级电容器进行保护。同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流。
随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路。
当所述检测器检测到所述旁路电路中有电流时，通知所述控制单元控制所述可变电压调节器与所述充电电路接通，以及控制所述可充电电池与所述旁路电路接通，从而向所述可充电电池充电。在給充电电池充电的过程中，需要打开可变电压调节器，对充电电路进行限压，以防止充电电路中电压超过预定值，进而导致所述超级电容器两端电压超标。
所述高频充电器停止工作后，由于超级电容器的自放电效应，当所述检测器检测到所述超级电容器的电压低于所述充满电压时，通知所述控制单元控制所述低通滤波器与所述旁路电路断开，以及控制所述可变电压调节器与所述充电电路接通。在此，可变电压调节器与充电电路接通的目的还是为了对超级电容器进行保护，防止所述可充电电池在超级电容器两端加载过高的电压，对超级电容器造成损害。
所述可变电压调节器将充电电路的电压限定在所述充满电压值，并且所述控制单元进一步控制所述可充电电池通过所述可变电压调节器向所述超级电容器充电。
其中，所述可变电压调节器为一个可变电阻。
其中，所述晶体管为MOS晶体管。
如图2所示，根据权利要求1所述的超级电容器均衡双向充电方法中，在所述可充电电池和所述超级电容器之间设置有升压转换器，用于将所述可充电电池的电压升压后充至所述超级电容器。
其中，在所述控制单元为一个控制芯片。
其中，在所述可充电电池为锂电池，也可以是其它蓄电池。
如图3所示，在本发明的另一种超级电容器均衡双向充电方法中，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、为所述超级电容器的充电电路设置一个旁路电路；在所述超级电容器的充电电路上设置电流限制部件；在所述旁路电路上串联设置低通滤波器、晶体管和可充电电池；在所述充电电路上设置控制单元；设置检测器与所述超级电容器电连接以及与所述旁路电路电连接；设置电流限制部件的目的是为了防止充电电路上产生过电流，对充电器造成损害。同时当可充电电池对超级电容器反向充电是，电流限制部件也能起到对超级电容器的保护作用。
步骤二、在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压。
步骤三、开启高频充电器对所述超级电容器进行充电，此时所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，以及控制所述电流限制部件将所述充电电路的电流值限定在一设定值，同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流。这个设定值根据超级电容器和高频充电器的实际情况确定，以不在高频充电器中产生过电流为益。
步骤四、随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路。
步骤五、当所述检测器检测到所述旁路电路中有电流时，通知所述控制单元控制所述电流限制部件与所述充电电路接通，以及控制所述可充电电池与所述旁路电路接通，从而向所述可充电电池充电。这里电流限制部件将充电电路中的电流限制在极小的数值上，以防止对可充电电池进行充电时，对所述超级电容器造成损害。也就是说，控制高频充电器发出的电能全部进入旁路电路。
步骤六、所述高频充电器停止工作后，当所述检测器检测到所述超级电容器的电压低于所述充满电压时，通知所述控制单元控制所述低通滤波器与所述旁路电路断开；
步骤七、所述电流限制部件将充电电路的电压限定在所述充满电压值，并且所述控制单元进一步控制所述可充电电池向所述超级电容器充电。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、为所述超级电容器的充电电路设置一个旁路电路；在所述超级电容器的充电电路上设置可变电压调节器；所述旁路电路包括串联设置的低通滤波器、晶体管和可充电电池；在所述充电电路上设置控制单元；设置检测器与所述超级电容器电连接以及与所述旁路电路电连接；
步骤二、在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压；
步骤三、开启高频充电器对所述超级电容器进行充电，此时所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，以及控制所述可变电压调节器与所述充电电路处于断开状态，同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流；
步骤四、随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路；
步骤五、当所述检测器检测到所述旁路电路中有电流时，通知所述控制单元控制所述可变电压调节器与所述充电电路接通，以及控制所述可充电电池与所述旁路电路接通，从而向所述可充电电池充电；
步骤六、所述高频充电器停止工作后，当所述检测器检测到所述超级电容器的电压低于所述充满电压时，通知所述控制单元控制所述低通滤波器与所述旁路电路断开，以及控制所述可变电压调节器与所述充电电路接通；
步骤七、所述可变电压调节器将充电电路的电压限定在所述充满电压值，并且所述控制单元进一步控制所述可充电电池通过所述可变电压调节器向所述超级电容器充电。
2.根据权利要求1所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述可变电压调节器为一个可变电阻。
3.根据权利要求1所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述晶体管为MOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，在所述可充电电池和所述超级电容器之间设置有升压转换器，用于将所述可充电电池的电压升压后充至所述超级电容器。
5.根据权利要求1所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述控制单元为一个控制芯片。
6.根据权利要求1所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述可充电电池为锂电池。
7.一种超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、为所述超级电容器的充电电路设置一个旁路电路；在所述超级电容器的充电电路上设置电流限制部件；所述旁路电路包括串联设置的低通滤波器、晶体管和可充电电池；在所述充电电路上设置控制单元；设置检测器与所述超级电容器电连接以及与所述旁路电路电连接；
步骤二、在所述控制单元中，将所述超级电容器被充满时的充满电压通过所述低通滤波器滤去谐波电压的过滤电压设为所述晶体管的阈值电压；
步骤三、开启高频充电器对所述超级电容器进行充电，此时所述控制单元控制所述可充电电池与所述旁路电路处于断开状态，以及控制所述电流限制部件将所述充电电路的电流值限定在一设定值，同时所述检测器实时监测所述旁路电路中的旁路电流；
步骤四、随着充电的进行，当所述超级电容器的电压升至通过所述低通滤波器过滤后达到所述阈值电压时，所述晶体管导通，电流流经所述旁路电路；
步骤五、当所述检测器检测到所述旁路电路中有电流时，通知所述控制单元控制所述电流限制部件与所述充电电路接通，以及控制所述可充电电池与所述旁路电路接通，从而向所述可充电电池充电；
步骤六、所述高频充电器停止工作后，当所述检测器检测到所述超级电容器的电压低于所述充满电压时，通知所述控制单元控制所述低通滤波器与所述旁路电路断开；
步骤七、所述电流限制部件将充电电路的电压限定在所述充满电压值，并且所述控制单元进一步控制所述可充电电池向所述超级电容器充电。
8.根据权利要求7所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述晶体管为MOS晶体管。
9.根据权利要求7所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，在所述可充电电池和所述超级电容器之间设置有升压转换器，用于将所述可充电电池的电压升压后充至所述超级电容器。
10.根据权利要求7所述的超级电容器均衡双向充电方法，其中，所述可充电电池为锂电池。
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Address after: Nanshan District Xueyuan Road in Shenzhen city of Guangdong province 518000 No. 1001 Nanshan Chi Park B1 Building 5 floor Patentee after: TIG TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: Shenzhen City High Tech Park in Guangdong province 518057 South Branch building room 306 building Patentee before: Shenzhen City TIG New Energy Technologies Co., Ltd. |