CN103501035B - 一种超级电容器充电系统及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种超级电容器充电系统及充电方法，其中系统为将待充电的超级电容器组通过第一运放与模拟线性光耦的一端相连接，所述模拟线性光耦的另一端通过第二运放与OUT端相连接；所述待充电的超级电容器组两端分别连接电阻，用于组成分压电路后与所述第一运放连接，所述第一运放用于所述分压电路的跟随电路，用于提高所述第一运放的输入阻抗，减小连接电阻的放大倍数；所述模拟线性光耦还连接一电阻，用于限制输入电流通过所述模拟线性光耦。采用上述方案，解决了超级电容器在初始电容电压为零时，电容器对充电系统而言是短路状态，使得通用充电系统磁路无法复位，引起磁通饱和，导致炸机的问题。

Description

一种超级电容器充电系统及充电方法

技术领域

本发明属于电容器充电技术领域，尤其涉及的是一种超级电容器充电系统及充电方法。

背景技术

目前超级电容充电所采用的方法主要有：DC/DC法、多输出变压器法、串并切换法和飞渡电容器法四种。DC/DC法是在两个相邻单体电容器之间级联一个DC/DC电路或直接通过DC/DC模块对电容器进行充电，该方法最大的缺点是当电容器组单体个数较多时，所需的DC/DC充电电路数目较多，使得整套充电系统非常庞大，导致成本较高。多输出变压器法是根据变压器互感原理进行充电的，由于绕组数量过多，磁通动态分配不均，内外绕组在匝数相同时，输出功率难以相等，同时变压器漏感较大，导致系统效率降低，又由于绕组间存在互感现象，使得系统控制困难。串并切换法由于在串并联切换时，使用较多的开关，故该种方法仅适用于串联的个数较少的超级电容器情况，当个数较多时电路数量非常庞大，而且系统控制繁琐。飞渡电容器法是通过不断“扫描”各超级电容单体的电压值，通过切换开关网络重复由电压最高的单体向最低的单体放电的动作，当超级电容单体过多时，所使用的开关网络比较庞大，开关切换次数会非常多，时间较长。上述几种方法都没有考虑当单体超级电容初始电压为零时的充电状况，由于超级电容容量较大，在初始电压为零时对超级电容充电，对充电系统而言相当于短路，这样就使得固定频率的充电方式效率降低，难以达到恒流的效果，使得充电时间较长。

从拓扑结构来讲，现有的充电系统拓扑结构主要分隔离式和非隔离式两类，不管哪种类型，都基本采用专用芯片控制，一旦电路参数确定，开关管的开关频率就固定下来，无法在线更改。例如，使用buck型结构的充电系统对初始电压为零的超级电容充电时，当开关管开通时，电源电压向励磁电感充电的同时，也向电容充电，由于超级电容容量较大，当开关管断开时，超级电容上的电压使励磁电感上的磁路复位，但是由于电容电压较小，在开关管的关断时间内，超级电容上的电压不能可靠地使磁路复位，极易导致磁通饱和，引起炸机。若采用半桥型或全桥型的充电系统对初始电压为零的超级电容充电时，由于充电开始时刻，超级电容相当于短路，原边绕组的电流仅由高频变压器的漏感所限制，而高频变压器漏感较小，这样就使得开关管的开通时间很短，引起充电时间变慢。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种超级电容器充电系统及充电方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种超级电容器充电系统，其中，将待充电的超级电容器组通过第一运放与模拟线性光耦的一端相连接，所述模拟线性光耦的另一端通过第二运放与OUT端相连接；所述待充电的超级电容器组两端分别连接电阻，用于组成分压电路后与所述第一运放连接，所述第一运放用于所述分压电路的跟随电路，用于提高所述第一运放的输入阻抗，减小连接电阻的放大倍数；所述模拟线性光耦还连接一电阻，用于限制输入电流通过所述模拟线性光耦。

所述的超级电容器充电系统，其中，所述OUT端还设置与A/D转换器相连接，用于根据A/D转换器的输入范围，确定连接的电阻的阻值范围。

所述的超级电容器充电系统，其中，所述待充电的超级电容器组还设置与限流电阻相连接，用于限制通过的电流。

本发明还提供一种超级电容器充电方法，其中，包括以下步骤：

步骤100：在超级电容两端电压，采用模拟线性光耦进行了隔离；

步骤101：检测到超级电容电压是否低于预设电压，是则进入步骤102，否则结束；

步骤102：启动直流母线电压检测，当检测到直流母线电压时，依据公式1计算直流母线与超级电容等效电压之差；

公式1： $\mathrm{\Δu}=L*\frac{{\mathrm{di}}_l}{\mathrm{dt}};$

公式1中Δu为直流母线与超级电容等效电压之差，L是高频变压器的漏感，di_l是高频变压器原边电流变化范围，dt是开关管的开通时间；

步骤103：设定2*dt是开关管的开关周期，di_l/2为高频变压器的原边电流平均值，也即开关管的电流容量，公式1是根据开关管的电流容量实时计算开通时间，根据该时间控制PWM的数值，保证了恒流充电；

步骤104：根据公式2计算超级电容两端电压；

公式2： $u_c=\frac{1}{c}{\∫i}_c\mathrm{dt};$

公式2中i_c是超级电容的平均充电电流；c为超级电容的电容值；公式2是根据u_c的变化数值、开关管的开通时间、充电电流的数值，计算超级电容的容量c。

以上技术方案，可保证超级电容器恒流充电，达到快速充电的目的，同时也能保证磁通完全复位，提高系统的可靠性。

采用上述方案，解决了超级电容器在初始电容电压为零时，电容器对充电系统而言是短路状态，使得通用充电系统磁路无法复位，引起磁通饱和，导致炸机的问题。本充电系统借用变频及PWM，采集直流母线电压和超级电容电压，利用高频变压器的变比，计算二者之间的相对差值，根据高频变压器的漏感和开关管的电流容量，实时计算开关管的开通和关断时间。在超级电容额定电压值范围内的任何值时，均能保证恒流充电，而且充电时间较短。尤其是超级电容电压为零时，超级电容相当于短路的情况，该系统仍能保持恒流充电，同时也能保证磁通完全复位，提高系统可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种超级电容器充电系统，其中，将待充电的超级电容器组通过第一运放与模拟线性光耦的一端相连接，所述模拟线性光耦的另一端通过第二运放与OUT端相连接；所述待充电的超级电容器组两端分别连接电阻，用于组成分压电路后与所述第一运放连接，所述第一运放用于所述分压电路的跟随电路，用于提高所述第一运放的输入阻抗，减小连接电阻的放大倍数；所述模拟线性光耦还连接一电阻，用于限制输入电流通过所述模拟线性光耦。

优选的，所述OUT端还设置与A/D转换器相连接，用于根据A/D转换器的输入范围，确定连接的电阻的阻值范围。

优选的，所述待充电的超级电容器组还设置与限流电阻相连接，用于限制通过的电流。

为了保证系统可靠性，在超级电容两端电压检测时，采用模拟线性光耦HCNR201进行了隔离，电路如图1所示。其中，C1,…,Cn为待充电的超级电容器组，U1B,U2B分别为运放，OUT端进A/D转换器。

当CPU检测到超级电容电压为零或低于设定电压时，启动直流母线电压检测程序，当检测出直流母线电压时，根据高频变压器的参数，计算出直流母线与超级电容等效电压之差，根据公式其中，l是高频变压器的漏感，di_l是高频变压器原边电流变化范围，dt是开关管的开通时间，2*dt是开关管的开关周期，这样就可使得该充电器不管在超级电容电压为任何值时，高频变压器的原边电流平均值为di_l/2，通过改变开关管的开关周期，保证了恒流充电，超级电容两端电压其中i_c是超级电容的平均充电电流。

在上述实施例的基础上，C1,…,Cn为待充电的超级电容器，R1和R2接在超级电容器C1,…,Cn的两端，组成分压电路，运放U1A作为电压跟随电路，用于提高运放U1A的输入阻抗，减小R1和R2对放大倍数的影响，电阻R6限制通过线性光耦HCNR201的输入电流，由于HCNR201的平均输入电流数值为1-20mA，运放U1的供电电压为±15V，故R6的选取应在1k左右，电阻R4和R5是为了限制流过线性光耦HCNR201的电流，R7和R8的阻值根据输出电压的范围确定。图1中，根据A/D输入范围，确定R7和R8的阻值范围。图1中，R4和R5串联，限制流过光耦HCNR201的PD1电流。

采用上述方案，解决了超级电容器在初始电容电压为零时，电容器对充电系统而言是短路状态，使得通用充电系统磁路无法复位，引起磁通饱和，导致炸机的问题。本充电系统借用变频及PWM，采集直流母线电压和超级电容电压，利用高频变压器的变比，计算二者之间的相对差值，根据高频变压器的漏感和开关管的电流容量，实时计算开关管的开通和关断时间。在超级电容额定电压值范围内的任何值时，均能保证恒流充电，而且充电时间较短。尤其是超级电容电压为零时，超级电容相当于短路的情况，该系统仍能保持恒流充电，同时也能保证磁通完全复位，提高系统可靠性。

实施例2

在上述实施例的基础上，如图1所示，本发明提供一种超级电容器充电方法，其中，包括以下步骤：

步骤100：在超级电容两端电压，采用模拟线性光耦进行了隔离；

步骤101：检测到超级电容电压是否低于预设电压，是则进入步骤102，否则结束；

步骤102：启动直流母线电压检测，当检测到直流母线电压时，依据公式1计算直流母线与超级电容等效电压之差；

公式1： $\mathrm{\Δu}=L*\frac{{\mathrm{di}}_l}{\mathrm{dt}};$

公式1中Δu为直流母线与超级电容等效电压之差，L是高频变压器的漏感，di_l是高频变压器原边电流变化范围，dt是开关管的开通时间；

步骤103：设定2*dt是开关管的开关周期，di_l/2为高频变压器的原边电流平均值，也即开关管的电流容量，公式1是根据开关管的电流容量实时计算开通时间，根据该时间控制PWM的数值，保证了恒流充电；

步骤104：根据公式2计算超级电容两端电压；

公式2： $u_c=\frac{1}{c}{\∫i}_c\mathrm{dt};$

公式2中i_c是超级电容的平均充电电流；c为超级电容的电容值；公式2是根据u_c的变化数值、开关管的开通时间、充电电流的数值，计算超级电容的容量c。

为了保证系统可靠性，在超级电容两端电压检测时，采用模拟线性光耦HCNR201进行了隔离，电路如图1所示。其中，C1,…,Cn为待充电的超级电容器组，U1B,U2B分别为运放，OUT端进A/D转换器。

当CPU检测到超级电容电压为零或低于设定电压时，启动直流母线电压检测程序，当检测出直流母线电压时，根据高频变压器的参数，计算出直流母线与超级电容等效电压之差，根据公式其中，l是高频变压器的漏感，di_l是高频变压器原边电流变化范围，dt是开关管的开通时间，2*dt是开关管的开关周期，这样就可使得该充电器不管在超级电容电压为任何值时，高频变压器的原边电流平均值为di_l/2，通过改变开关管的开关周期，保证了恒流充电，超级电容两端电压其中i_c是超级电容的平均充电电流。

在上述实施例的基础上，C1,…,Cn为待充电的超级电容器，R1和R2接在超级电容器C1,…,Cn的两端，组成分压电路，运放U1A作为电压跟随电路，用于提高运放U1A的输入阻抗，减小R1和R2对放大倍数的影响，电阻R6限制通过线性光耦HCNR201的输入电流，由于HCNR201的平均输入电流数值为1-20mA，运放U1的供电电压为±15V，故R6的选取应在1k左右，电阻R4和R5是为了限制流过线性光耦HCNR201的电流，R7和R8的阻值根据输出电压的范围确定。图1中，根据A/D输入范围，确定R7和R8的阻值范围。图1中，R4和R5串联，限制流过光耦HCNR201的PD1电流。

以上技术方案，可保证超级电容器恒流充电，达到快速充电的目的，同时也能保证磁通完全复位，提高系统的可靠性。

采用上述方案，解决了超级电容器在初始电容电压为零时，电容器对充电系统而言是短路状态，使得通用充电系统磁路无法复位，引起磁通饱和，导致炸机的问题。本充电系统借用变频及PWM思想，采集直流母线电压和超级电容电压，利用高频变压器的变比，计算二者之间的相对差值，根据高频变压器的漏感和开关管的电流容量，实时计算开关管的开通和关断时间。在超级电容额定电压值范围内的任何值时，均能保证恒流充电，而且充电时间较短。尤其是超级电容电压为零时，超级电容相当于短路的情况，该系统仍能保持恒流充电，同时也能保证磁通完全复位，提高系统可靠性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种超级电容器充电系统，其特征在于，将待充电的超级电容器组C1,…,Cn通过第一运放与模拟线性光耦HCNR201的一端相连接，所述模拟线性光耦HCNR201的另一端通过第二运放与OUT端相连接；所述待充电的超级电容器组C1,…,Cn两端分别连接电阻R1、电阻R2，用于组成分压电路后与所述第一运放连接，所述第一运放用于所述分压电路的跟随电路，用于提高所述第一运放的输入阻抗，减小连接电阻R1、电阻R2的放大倍数；所述模拟线性光耦HCNR201还连接一电阻R6，用于限制输入电流通过所述模拟线性光耦HCNR201；所述待充电的超级电容器组C1,…,Cn还设置与限流电阻R4和电阻R5相连接，用于限制通过模拟线性光耦HCNR201的电流；在所述超级电容器组两端电压检测时，采用模拟线性光耦HCNR201进行了隔离，当CPU检测到超级电容电压为零或低于设定电压时，启动直流母线电压检测程序，当检测出直流母线电压时，根据高频变压器的参数，根据公式1，计算出直流母线与超级电容等效电压之差，公式1：其中，l是高频变压器的漏感，di_l是高频变压器原边电流变化范围，dt是开关管的开通时间，2*dt是开关管的开关周期，通过改变开关管的开关周期，保证恒流充电，所述待充电的超级电容器组两端电压为其中i_c是超级电容的平均充电电流，c为超级电容的电容值。

2.如权利要求1所述的超级电容器充电系统，其特征在于，所述OUT端还设置与A/D转换器相连接，用于根据A/D转换器的输入范围，确定连接的电阻R7和电阻R8的阻值范围。