CN103683455A - 基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，包括电流互感器、整流滤波电路、DC/DC模块、锂电池以及电源管理单元，电流互感器从高压电缆感应取能，经整流滤波电路，再经过DC/DC模块输出稳定的电压，还包括超级电容，所述的电源管理单元包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路，DC/DC模块通过超级电容充电控制电路给超级电容充电，超级电容为负载供电，同时DC/DC模块通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，锂电池为负载供电。采用超级电容作为储能装置，解决现有环网柜在线监测系统所用电源装置的循环使用次数少、维护量大，体积大且需要停电改造现有的环网柜等问题。

Description

基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置

技术领域

    本发明涉及一种电源技术，尤其涉及一种基于高压测量系统感应取能电源装置。

背景技术

高压测量系统的供电问题是目前工程应用的一个难点，研究稳定、可靠、低功耗的供电电源具有重要的工程使用价值。

目前常用的供电方式有太阳能、蓄电池、激光功能、母线感应取能等。由于太阳能电池板体积庞大，不利于安装，而且易受气候的影响,在南方多雨多雾的气候条件下不适用于在线设备；电压互感器对绝缘性要求高，易受温度、杂散电容和电磁干扰等多种因素的影响。虽然可以通过改变电容C的大小来调整功率的输出，但大电容的选用可能产生谐波，造成分压不稳，影响后续电路；激光功能易受地理条件限制，设备复杂导致成本过高且功率和效率都很低；最有发展前景的供电方式是从输电线路抽取电能,在导线上套装取能线圈感应出交流电压,然后经过整流、滤波、稳压后输出稳定可靠的直流,实现隔离式供电。

目前电力系统高压输电线路在线监测系统很多采用GSM/GPRS数据传输方式,GSM/GPRS模块在数据收发瞬间大功率,电流会高达几百毫安,而待机情况下工作电流仅为10～20 mA。采用感应取能在小电流情况下电源输出功率很小,不足以为数据收发传输时提供足够的大功率电能。取能线圈配合锂离子电池浮充方式，存在锂离子电池充电管理复杂,充电温度受限制等缺点。本电源电路设计中加入了超级电容器,解决了瞬间大功率供电这个难点,电路简单易于维护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，采用超级电容作为储能装置，特制电流互感器(TA)和锂电池锂电池能仪器、设备的特性，做好仪器、设备的维修保养工作。实验完备两路取能，解决现有环网柜在线监测系统所用电源装置的循环使用次数少、维护量大，体积大且需要停电改造现有的环网柜等问题。

技术方案

为达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

    基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，包括电流互感器、整流滤波电路、DC/DC模块、锂电池以及电源管理单元，通过电流互感器从高压电缆感应取能，经过整流滤波电路将交流电转化直流电，再经过DC/DC模块输出稳定的电压，还包括超级电容，所述的电源管理单元包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路，DC/DC模块通过超级电容充电控制电路给超级电容充电，超级电容为负载供电，同时DC/DC模块通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，锂电池为负载供电。

    作为本发明的进一步优化方案，所述电流互感器包括铁芯和绕在铁芯上的线圈，所述线圈为单端或双端开气隙的线圈。

    作为本发明的进一步优化方案，还包括冲击保护电路，所述的线圈输出端接至冲击保护电路，所述冲击保护电路则接至整流滤波电路的输入端。

    作为本发明的进一步优化方案，还包括过压保护电路，过压保护电路的输入端接至整流滤波电路的输出端，过压保护电路的一路输出端则接至锂电池的充电端，另一路输出端则接至DC/DC模块输入端。

    作为本发明的进一步优化方案，所述的超级电容包括第一、第二超级电容器，所述DC/DC模块为所述第一超级电容器充电，第一超级电容器为第二超级电容器充电，第二超级电容器为负载供电。

有益效果

（1）与蓄电池相比，本方法能在线取电并为超级电容充电，不需要更换电池；

（2）与太阳能电池相比，本方法的能量密度大，能量转换率高，在各种气候下都能可靠供电；

（3）与母线取能加蓄电池组合方法相比，本方法超级电容已可部分替代电池的功能，并在充放电次数和使用寿命上优于电池。此外，当监测系统有数据远传装置时，超级电容的瞬时大功率放电特性可很好地满足发送数据瞬间的大功率需求，而不会引起大幅压降。

附图说明

图1是取能电源的原理框图；

图2（a）是常规线圈的结构图；

图2（b）是改进线圈的结构图；

图3铁芯改进前后磁化曲线对比图；

图4是过压保护电路电路原理图；

图5是超级电容充电控制电路图；

图6是电源管理单元电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开一种基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，包括电流互感器、冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路、DC/DC模块、两个超级电容器、锂电池以及电源管理单元。特制TA套在高压电缆上，利用电磁感应原理通过电流互感器从高压电缆感应取能，经过整流滤波电路将交流电转化直流电，经过过压保护电路一方面将多余的能量供给锂电池，另一方面经过高效率的DC/DC模块，输出稳定的电压，为高压测量系统供能。所述的电源管理单元包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路，当电压过大时，启动过压保护电路，一部分能量通过DC/DC模块给负载供电（DC/DC模块通过超级电容充电控制电路给超级电容充电，超级电容为负载供电），同时将多余的能量通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，锂电池为负载供电。本电路通过超级电容充电控制单元和锂电池充电控制单元，有效解决了电源续航能力和输出电压稳定性问题。

（1）电流互感器

如图2（a）所示，为现有技术的电流互感器。电流互感器1包括铁芯和成匝绕在铁芯上的线圈。

由于铁芯磁饱和时，二次侧电压十分不稳定，深度饱和时感应电压波形发生畸变，成为尖顶脉冲波。由于后端电子元件耐压值不高，峰值增大时达几百伏，可能造成芯片烧毁等严重后果。长期工作在深度饱和状态使铁损居高不下，线圈温升过高，有可能引起高频振动甚至烧坏线圈。因此应尽量防止铁芯工作在饱和状态，避免长期工作在深度饱和状态。

如图2（b）所示为本发明电流互感器，所述的线圈为单端或双端开气隙的线圈，通过引入气隙δ1和δ2的办法，增加磁路的磁阻，减小相对磁导率μr，推迟铁芯达到饱和时H值。

如图3所示，铁芯改进后的磁化曲线对比图。所以选用使用低磁导率、高饱和磁感应强度的硅钢片作为磁芯材料，结构为开合式。

（2）冲击保护电路

    为了防止雷电冲击电流和瞬时故障大电流时烧毁电源电路,在整流桥前使用了瞬变抑制二极管(TVS)（即冲击保护电路），TVS限制了感应线圈输出的冲击电压。即所述的电流互感器输出端接至冲击保护电路的输入端，所述冲击保护电路的输出端则接至整流滤波电路的输入端。

（3）整流滤波电路

整流采用桥式整流，滤波采用的常用的π型LC滤波。

（4）过压保护电路

过压保护电路的输入端接至整流滤波电路的输出端，过压保护电路一路输出端接至锂电池的充电端，另一路输出端则接至DC/DC模块输入端。如图4所示，左边是接整流滤波电路的输出端，右边一路则接DC/DC模块的输入端,右边另一路则接充电芯片的输入端。当R3两端的电压小于继电器的动作电压时，继电器选通“1”端，滤波后全部电压加到DC/DC模块两端，全部功率提供给负载；当R3的电压大于继电器动作电压时，继电器选通“2”端，R1被切除，R2和R3电压接入DC/DC模块的输入端，供给负载；R1电压接入锂电池充电芯片输入端，为电池充电提供能量。

（5）稳压电路

     选用一种高效、高转换率、降压型稳压模块，具有高转换率和宽输入范围，高转换率有利于进一步降低启动电流，宽的输入范围使电源可以工作的一次电流范围更大。

（6）超级电容充电控制电路

    如图5所示，由于高压取电不同于其他形式电源，其输出功率受负载大小的影响很大，母线电流一定的情况下，负载只要超出一定范围，输出功率就会不足，因为稳压芯片都有一定的电压输入下限，电压低于下限时，芯片无法正常启动，无输出或输出不稳定。为尽量减小母线电流死区，在使用双电容的情况下，对C1充电作为缓冲，然后以断续的形式供给C2，再输出给等效负载RL，则负载电压可在合理范围内波动，从而减小电流死区，在输出功率稍不足时可使电器正常工作。当RL两端电压高于D1动作电压下限时，D1输出高电平，VT1断开，DC/DC模块为C1充电；当RL两端电压低于D1电压下限时，D1输出低电平，VT1导通，DC/DC为C1充电的同时，C1为C2充电。

（7）电源管理单元

   如图6所示，DC/DC模块的输出端给第一超级电容器充电，第二比较器D2的输出端则接至第四开关电路的控制端，第四开关电路串联DC/DC模块输出保护电阻Rp，所述相串联第四开关电路和保护电阻Rp两端并联至DC/DC模块的两输出端，DC/DC模块的正输出端接至第一开关电路的输入端，第一开关电路的控制端接至第一比较器D1输出端，第一比较器D1的负输入端接至负载正极，第一开关电路的输出端接至第二开关电路的输入端，第二开关电路的输出端接至第三开关电路的输出端，锂电池放电输出端则接至第三开关电路的输入端，第二开关电路的输出端经二极管接至负载的正极。第二开关电路和第三开关电路的基极相互连接，锂电池充电控制电路的使能端接至第三比较器D3的输出端，第三比较器D3的负输入端接至负载的正极。超级电容包括第一、第二超级电容器，所述DC/DC模块为所述第一超级电容器充电，第一超级电容器为第二超级电容器充电，第二超级电容器为负载供电。

在电源管理单元中，左边接过压保护电路的输出。第一、第二比较器分别为单电源迟滞比较器，其中第一比较器D1、第二比较器D2和第三比较器D3反相使用，第三比较器D3为一般比较器；第一开关电路VT1、第二开关电路VT2、第三开关电路VT3和第四开关电路VT4分别为为MOSFET管，作为选择开关使用；二极管VD1用来防止第二超级电容器C2中的电流回流进第一超级电容器C1和锂电池(第一条通过C2→VD1→VT3→稳压芯片→充电控制芯片。第二条通过VD1→VT2→VT1→C1)，造成电路无法正常工作；由于每节锂电池电压在4.2 V左右，所以本设计使用2节锂电池进行供电，后端选用稳压器得到+ 5V输出；DC/DC模块输出保护电阻Rp为DC/DC模块的输出保护电阻。锂电池充放电控制功能由第三比较器D3实现。本设计中，如图1所示DC/DC输出模块在为负载供电的同时也给锂电池充电。当负载RL的端电压高于4.8V时，LT1512的使能端S／S输入高电平开始正常工作，为锂电池进行充电和第一超级电容器C1充电；当负载RL的端电压低于4.8 V时，S／S端输入低电平，电池充电停止，此时DC/DC输出模块为第一超级电容器C1充电的同时，第一超级电容器C1也为第二超级电容器C2充电，然后第二超级电容器C2对负载进行供电。电源选择及DC/DC模块输出保护功能由第二开关电路VT2、第三开关电路VT3、第四开关电路VT4和第二比较器D2实现。第二开关电路VT2、第三开关电路VT3采用背靠背连接实现选择DC/DC模块输出或锂电池对负载供电。在保证负载RL正常工作时，使第二比较器D2的动作下限低于4.8V，同时使第三比较器D3先于第二比较器D2动作，从而实现当DC/DC模块出现功率不足时先暂停锂电池充电，如果负载电压继续下降到第二比较器D2动作下限值，即表明只带负载RL时DC/DC模块输出功率仍然不足，可判定DC/DC模块无法维持负载RL正常工作，第二比较器D2动作输出低电平，（将由充电控制芯片通过稳压芯片为负载RL供电）第三开关电路VT3导通，第二开关电路VT2关闭，负载RL由锂电池进行供电。在DC/DC模块输出功率充足的情况下，第二比较器D2输出高电平，第二开关电路VT2导通，第三开关电路VT3关闭，此时DC/DC模块为负载RL供电。第四开关电路VT4动作由第二比较器D2控制，由于二次侧不能开路，否则会出现大电压对DC/DC模块本身和电路造成损坏，所以设计中加入了保护电阻Rp。当负载RL选择锂电池供电时，第二比较器D2输出低电平，第四开关电路VT4导通，将保护电阻Rp并联接入第一超级电容器C1两端作为负载RL的等效负载，其电阻值可根据实际正常使用负载大小情况进行配置。

Claims (5)

1.基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，包括电流互感器、整流滤波电路、DC/DC模块、锂电池以及电源管理单元，通过电流互感器从高压电缆感应取能，经过整流滤波电路将交流电转化直流电，再经过DC/DC模块输出稳定的电压，其特征在于：还包括超级电容，所述的电源管理单元包括超级电容充电控制电路和锂电池充电控制电路，DC/DC模块通过超级电容充电控制电路给超级电容充电，超级电容为负载供电，同时DC/DC模块通过锂电池充电控制电路给锂电池充电，锂电池为负载供电。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，其特征在于：所述电流互感器包括铁芯和绕在铁芯上的线圈，所述线圈为单端或双端开气隙的线圈。

3.根据权利要求2所述的基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，其特征在于：还包括冲击保护电路，所述的线圈输出端接至冲击保护电路，所述冲击保护电路则接至整流滤波电路的输入端。

4.根据权利要求1或2所述的基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，其特征在于：还包括过压保护电路，过压保护电路的输入端接至整流滤波电路的输出端，过压保护电路的一路输出端则接至锂电池的充电端，另一路输出端则接至DC/DC模块输入端。

5.根据权利要求1或2所述的基于超级电容的高压测量系统感应取能电源装置，其特征在于：所述的超级电容包括第一、第二超级电容器，所述DC/DC模块为所述第一超级电容器充电，第一超级电容器为第二超级电容器充电，第二超级电容器为负载供电。

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