CN105006860A - 一种可控充放电装置及基于此装置的超级电容的均压电路 - Google Patents

Abstract

一种可控充放电装置，包括：DC/DC变换器1、充电放电电路2、超级电容3、控制电路4、辅助电源5。该DC/DC变换器1提供直流能量，在充电放电电路2处于充电状态时给超级电容3充电。超级电容3储存和提供能量并在充电放电电路2工作时对应的被充电或者被放电。控制电路4接收到信号输入端的信号后输出相应的控制信号到通路输出端“Output？1”和“Output？2”，来控制充电放电电路2执行相应的充电工作或者放电工作。辅助电源5为控制电路4提供能量。本发明的有益效果在于：实现串联超级电容组中的单体超级电容的两端电压接近相等的均压效果，并且充放电可快速控制、漏电流小、待机时可防止超级电容电压反灌，从而提升串联的超级电容组的可靠性和使用寿命。本发明的装置可以适用于为超级电容组或者电池组的进行充电的应用场合。

Description

一种可控充放电装置及基于此装置的超级电容的均压电路

技术领域

本发明涉及超级电容组或电池组的充放电装置，特别涉及通过控制装置本身工作状态来实现超级电容组中或电池组中各单体的超级电容或者电池的电压均衡的可控充放电装置及基于此装置的超级电容的均压电路。

现有技术

常见的超级电容大多是双电层结构，具有比静电电容器高得多的能量密度和比电池高得多的功率密度,并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。近年来，超级电容器作为瞬时、高功率密度储能器件，已经用于电力机车启动、备份电源、城市公交等多种场合，未来还会在城市轨道交通等方面发挥重要作用。

由于工艺原因，超级电容的额定电压一般比较低，单体超级电容的额定工作电压一般在2.8V左右，所以大多数情况下需要串联使用；并联可以增加容量，但其端电压仍很低，仍被视作一个“单体”超级电容；由于应用中常需要大电流充电、放电，又由于串联回路每个单体容量很难保证100％相同，也很难保证每个单体漏电也相同，这样，在充电时可能会出现某个单体电压超过其耐压上限。超级电容器单体长期工作在过压状态，会缩短使用寿命，进而影响模组的性能，可能会导致电容过压损坏，严重时可能会发生爆炸。因此，超级电容串联使用需要注意的问题是串联的超级电容之间的电压均衡问题，也就是本发明所说的“均压”问题。

现有方案中，有些方案是通过并联大功率小阻值电阻对超级电容进行放电的方法解决均压问题，如图1所示，每个超级电容并联一个大功率小阻值电阻，这样漏电流也随之大幅增加，损耗加大，而且放电速度比较慢，均压效果较差，去掉充电器后漏电流造成的损耗依然存在；还有一些方案是通过充电器为超级电容组充电，再在每一个超级电容上并联一个DC/DC变换器，通过控制对应的DC/DC变换器的工作来对单体超级电容进行补充充电从而实现相对均压，如图2所示，由于检测到单体超级电容的电压不均信号后控制DC/DC变换器从关闭状态到DC/DC变换器重新建立恒流充电需要的开机时间大约需要10ms左右乃至更长，故这种方法响应速度较慢，而且DC/DC变换器被控制关断后，超级电容上的电压还会通过DC/DC变换器的输出等效电阻和输出等效电容反灌到DC/DC变换器上，形成反灌电流，如图3所示，将影响到DC/DC模块的可靠性，而且DC/DC变换器只能对超级电容进行充电，无法放电。

针对现有为超级电容充电的均压技术中存在的漏电流大、充放电响应速度慢、DC/DC变换器被控制关断时超级电容电压反灌等不足是目前需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述为超级电容充电的均压技术中存在的漏电流大、充放电响应速度慢、DC/DC变换器被控制关断后超级电容电压反灌等问题，本发明提供了一种可控充放电装置，通过对该装置输入不同的控制信号去控制该装置对单体超级电容执行充电、放电、待机三种工作状态来控制单体超级电容的两端电压，从而实现使被充放电的单体超级电容相对于串联超级电容组中的其它单体超级电容的两端电压接近相等的均压效果，以此来解决串联的超级电容组里面单体超级电容之间的均压问题。

与此相应，本发明还提供一种基于此可控充放电装置的超级电容的均压电路。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可控充放电装置，用于超级电容的均压控制，包括电源输出端及与电源输出端并联连接的超级电容的正端和负端，该电源输出端包括输出正端和输出负端，其特征在于：还包括充电放电电路、控制电路和辅助电源，所述充电放电电路，包括充电单元和放电单元，该充电单元分别连接电源输出正端及超级电容的正端，该放电单元分别连接超级电容的正端、负端及电源输出负端；所述辅助电源，与控制电路连接，用以为控制电路提供直流偏置电压Vcc；所述控制电路，包括两个信号输入端和受信号输入端控制的两个通路，该第一通路形成于辅助电源与充电单元之间，第二通路形成于辅助电源与放电单元之间，当第一信号输入端为低电平信号，第二信号输入端为高电平信号时，开通第一通路，使辅助电源的直流偏置电压Vcc经第一通路施加于充电单元，则充电单元导通，电源通过导通的充电单元以为超级电容进行充电；同时，第二通路被拉低为电源输出负端电位，放电单元关断；当第一信号输入端为高电平信号，第二信号输入端为低电平信号时，第一通路被拉低为电源输出负端电位，充电单元关断；同时，第二通路开通，使辅助电源的直流偏置电压Vcc经第二通路施加于放电单元，则放电单元开通，以为超级电容进行放电；当第一信号输入端和第二信号输入端均为高电平信号时，两个通路均被拉低为电源输出负端电位，以切断辅助电源与充电放电电路，则该可控充放电装置处于既不充电也不放电的待机状态，同时使电源处于输出空载的工作状态；当第一信号输入端和第二信号输入端均为低电平信号时，关断两个通路，则该可控充放电装置处于既不充电也不放电的待机状态，同时使电源处于输出空载的工作状态。

优选的，所述充电放电电路，包括主要由MOS管S5和MOS管S6构成的充电单元，及主要由MOS管S7、二极管D1和电阻R7构成的放电单元，所述MOS管S5的源极连接电源输出正端，MOS管S5的漏极和MOS管S6的漏极相连，MOS管S5的栅极和MOS管S6的栅极相连并连接到控制电路的第一通路输出端，所述MOS管S6的源极与MOS管S7的漏极相连并且连接到超级电容的正端，MOS管S7的栅极连接到控制电路的第二通路输出端，MOS管S7的源极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端分别连接电源输出负端Vo-及超级电容的负端；当控制电路的第一通路开通时，辅助电源的直流偏置电压Vcc经第一通路施加于MOS管S5的栅极和MOS管S6的栅极，使MOS管S5和MOS管S6导通，则电源能量经充电单元为超级电容进行充电；当控制电路的第二通路开通时，辅助电源的直流偏置电压Vcc经第二通路施加于MOS管S7的栅极，使MOS管S7导通，则超级电容的能量经放电单元进行放电；当控制电路的两个通路处于切断或关断状态时，MOS管S5、S6、S7均处于截止，则该可控充放电装置处于既不充电也不放电的待机状态，同时使电源处于输出空载的工作状态。

优选的，所述控制电路，包括MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6，所述MOS管S1的漏极分别与MOS管S2的漏极、电阻R1的一端、电阻R2的一端及辅助电源的输出端Vcc相连，MOS管S1的栅极、MOS管S3的栅极、电阻R1的另一端、电阻R5的一端与控制电路的第一信号输入端相连；MOS管S1的源极和MOS管S2的源极、电阻R3的一端、电阻R4的一端相连；MOS管S2的栅极、MOS管S4的栅极、电阻R2的另一端、电阻R6的一端与控制电路的第二输入信号端相连；MOS管S3的漏极与电阻R3的另一端、电阻R5的另一端相连，并引出作为第一通路输出端；MOS管S4的漏极与电阻R4的另一端、电阻R6的另一端相连，并引出作为第二通路输出端；MOS管S3的源极和MOS管S4的源极分别连接到电源输出负端，当第一信号输入端为低电平信号，第二信号输入端为高电平信号时，MOS管S1、MOS管S3截止，MOS管S2、MOS管S4导通，辅助电源的直流偏置电压Vcc通过MOS管S2、电阻R3所形成的第一通路输出到充电单元；当第一信号输入端为高电平信号时，第二信号输入端为低电平信号时，MOS管S2、MOS管S4截止，MOS管S1、MOS管S3导通；辅助电源的直流偏置电压Vcc电压通过MOS管S1、电阻R4所形成的第二通路输出到放电单元；当第一信号输入端和第二信号输入端均为高电平信号时，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均导通，使两个通路输出端的电位均被拉低为电源输出负端电位；当第一信号输入端和第二信号输入端均为低电平信号时，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均截止，使两个通路均被关断。

本发明还提供一种超级电容的均压电路，包括电源、超级电容及连接于电源与超级电容之间的上述的可控充放电装置，所述电源采用DC-DC变换器。

本发明另还提供一种超级电容的均压电路，包括电源、超级电容及连接于电源与超级电容之间的上述的可控充放电装置，所述电源为变压器副边整流滤波后的直流电压，所述辅助电源来源于变压器的一个辅助绕组。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种可控充放电装置，通过对该装置输入不同的控制信号去控制该装置对单体超级电容执行充电、放电、待机三种工作状态来控制单体超级电容的两端电压，从而实现使被充放电的单体超级电容相对于串联超级电容组中的其它单体超级电容的两端电压接近相等的均压效果，以此来解决串联的超级电容组里面单体超级电容之间的均压问题，并提供一个充放电可快速控制、漏电流小、待机时可防止超级电容电压反灌的装置，从而提升串联的超级电容组的可靠性和使用寿命。

本发明可以应用在功率变换器的内部，也可以应用在功率变换器的外部，也可以应用在超级电容或者电池的输入前端。

本发明的控制装置可以适用于为串联使用的超级电容组或者电池组进行充放电的均压控制应用场合。

附图说明

图1为现有的由n个单体超级电容组成的超级电容组充电的充电方案电路结构框图；

图2为现有的另一种由n个单体超级电容组成的超级电容组充电的充电方案电路结构框图；

图3为图2方案中当DC/DC变换器被控制关断后，单体超级电容的反灌电流流向示意图；

图4为本发明第一实施例的可控充放电装置的电路原理图；

图5为本发明第一实施例可控充放电装置应用于n个单体超级电容组成的超级电容组的电路原理图；

图6为本发明第二实施例的可控充放电装置的电路原理图。

本发明可以应用在功率变换器的内部，也可以应用在功率变换器的外部，也可以应用在超级电容或者电池的输入前端。

具体实施方式

实施案例一

下面结合图4对对本发明进一步说明：

一种可控充放电装置，包括：DC/DC变换器1、充电放电电路2、超级电容3、控制电路4、辅助电源5。

DC/DC变换器1的输出连接到充电放电电路2的输入端，充电放电电路2的输出与超级电容3相连，辅助电源5输出的直流偏置电压Vcc输出到控制电路4的Vcc输入端，控制电路4包括两个信号输入端Charge、Discharge和受信号输入端控制的两个通路A、B，该控制电路4的两个信号输入端Charge、Discharge用于分别与信号输入端的两个信号端连接；通路A形成于辅助电源与充电单元之间，通路B形成于辅助电源与放电单元之间，控制电路4的两个通路A、B的输出端Output1、Output2分别连接充电放电电路2的充电单元和放电单元的控制输入端。两个信号输入端Charge、Discharge的输入信号来源于本装置之外的外部控制单元。

DC/DC变换器可以是一种直流输出的功率变换器，也可以是功率变换器的直流输出部分，其输出Vo+连接充电放电电路的输入端，其输出Vo-与充电放电电路的参考点、超级电容的负极、控制电路的参考点、信号输入端的参考点、辅助电源的参考点相连。

充电放电电路2，包括充电单元和放电单元，该充电单元分别连接电源输出正端及超级电容的正端，该放电单元分别连接超级电容的正端、负端及电源输出负端；该充电单元主要由MOS管S5和MOS管S6构成，该放电单元主要由MOS管S7、二极管D1和电阻R7构成，其中，MOS管S5的源极连接DC/DC变换器的Vo+，MOS管S5的栅极和MOS管S6的栅极相连并连接到控制电路4的通路输出端Output 1，MOS管S5的漏极和MOS管S6的漏极相连，MOS管S6的源极与MOS管S7的漏极相连并且连接到超级电容的正极，MOS管S7的栅极连接到控制电路4的通路输出端Output 2，MOS管S7的源极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接DC/DC变换器的输出负端Vo-并且连接到超级电容的负极。

超级电容可以是一个在串联充电的超级电容组中的单体超级电容，也可以是一个在串联充电的电池组中的单体电池；超级电容被本发明的装置在不同的控制状态下充电或者放电。

该控制电路4包括MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6。MOS管S1的漏极分别与MOS管S2的漏极、电阻R1的一端、电阻R2的一端及辅助电源的输出端Vcc相连；MOS管S1的栅极、MOS管S3的栅极、电阻R1的另一端、电阻R5的一端与信号输入端Charge相连；MOS管S1的源极和MOS管S2的源极、电阻R3的一端、电阻R4的一端相连；MOS管S2的栅极、MOS管S4的栅极、电阻R2的另一端、电阻R6的一端与输入信号端Discharge相连；MOS管S3的漏极“Output 1”与电阻R3的另一端、电阻R5的另一端相连，并引出作为通路输出端Output 1；MOS管S4的漏极与电阻R4的另一端、电阻R6的另一端相连，并引出作为通路输出端Output 2；MOS管S3和MOS管S4的源极相连并连接到DC/DC变换器的输出负端Vo-。

该信号输入端包含两个端口：“Charge”端口和“Discharge”端口。

该辅助电源5输出一个直流偏置电压Vcc，为控制电路4供电，同时也可以为其它控制芯片供电。

原理描述：

一种可控充放电装置，通过对该装置输入不同的控制信号去控制该装置对单体超级电容执行充电、放电、待机三种工作状态来控制单体超级电容的两端电压，从而实现使被充放电的单体超级电容相对于串联超级电容组中的其它单体超级电容的两端电压接近相等的均压效果，以此来解决串联的超级电容组里面单体超级电容之间的均压问题，其工作原理如下：

在DC/DC变换器处于待机状态下，当“Charge”端口相对于参考点输入低电平信号、“Discharge”端口相对于参考点输入高电平信号或者悬空时，MOS管S1、MOS管S3截止，MOS管S2、MOS管S4导通，辅助电源5的Vcc电压通过MOS管S2、电阻R3并经电阻R5分压后输出到“Output 1”，施加于MOS管S5、MOS管S6的栅极，使其栅极-源极电压大于相应MOS管的导通门限电压，MOS管S5、MOS管S6导通，DC/DC变换器能量经过MOS管S5、MOS管S6为超级电容充电。另外由于MOS管S2、MOS管S4导通，MOS管S4将“Output 2”端的输出电压拉低，MOS管S7处于截止状态，即放电单元关断。可控充放电装置工作于充电状态，功率变换器为超级电容进行充电。

在DC/DC变换器处于待机状态下，当“Charge”端口相对于参考点输入高电平信号或者悬空、“Discharge”端口相对于参考点输入低电平信号时，MOS管S2、MOS管S4截止，MOS管S1、MOS管S3导通；Vcc电压通过MOS管S1，电阻R4并经电阻R6分压后输出到“Output 2”端，施加于MOS管S7的栅极，使其栅极-源极电压高于相应MOS管的导通门限电压，MOS管S7导通，即放电单元开通，超级电容电能经过MOS管S7、二极管D1、电阻R7释放电能。另外由于MOS管S1、MOS管S3导通，MOS管S3将“Output 1”端的输出电压拉低，MOS管S5、MOS管S6处于截止状态，即充电单元关断。可控充放电装置工作于放电状态，为超级电容进行放电，同时DC/DC变换器处于输出空载的工作状态。

在DC/DC变换器处于待机状态下，当“Charge”端口和“Discharge”端口均相对于参考点输入高电平信号或者悬空时，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均导通，则两个通路输出端Output 1、Output2的电位均被拉低为电源输出负端电位，使“Output 2”、“Output 1”均输出低电平电压，MOS管S5、MOS管S6、MOS管S7均处于截止状态，可控充放电装置工作于既不充电也不放电的待机状态，同时DC/DC变换器处于输出空载的工作状态。

在DC/DC变换器处于待机状态下，当“Charge”端口和“Discharge”端口均相对于参考点输入低电平信号，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均截止，则两个通路均被关断，“Output 2”、“Output 1”均输出低电压，MOS管S5、MOS管S6、MOS管S7均处于截止状态，可控充放电装置工作于既不充电也不放电的待机状态，同时DC/DC变换器处于输出空载的工作状态。

上述充电放电电路2有一个特点是，充电单元开通时，放电单元关断；放电单元开通时，充电单元关断；即充电单元和放电单元可以同时关断，但不能同时开通。

上述充电放电电路2的特点还在于MOS管S5和MOS管S6两个MOS管反向连接、MOS管S7的源极与二极管D1的阳极连接，可控充放电装置可以起到待机时防止电容电压反灌的作用。

上述“悬空”并不是真正意义上的MOS驱动悬空，而是端口悬空，即“Charge”端口和/或“Discharge”端口可“不接输入信号”或者“无信号输入”的意思。

如图5所示，为本发明可控充放电装置应用于n个单体超级电容组成的超级电容组中的电路原理图。

实施案例二

实施案例二的电路结构框图，见图6，本实施案例与实施案例一的区别是在于本实施案例的辅助电源电压来源于变压器的一个辅助绕组，本实施案例的充电放电电路的输入端接副边整流滤波后的直流电压。本实施案例的其它连接关系与实施案例一大体一致，在此不再赘述。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可控充放电装置，用于超级电容的均压控制，包括电源输出端及与电源输出端并联连接的超级电容的正端和负端，该电源输出端包括输出正端和输出负端，其特征在于：还包括充电放电电路、控制电路和辅助电源，

所述充电放电电路，包括充电单元和放电单元，该充电单元分别连接电源输出正端及超级电容的正端，该放电单元分别连接超级电容的正端、负端及电源输出负端；

所述辅助电源，与控制电路连接，用以为控制电路提供直流偏置电压Vcc；

所述控制电路，包括两个信号输入端和受信号输入端控制的两个通路，该第一通路形成于辅助电源与充电单元之间，第二通路形成于辅助电源与放电单元之间，

当第一信号输入端为低电平信号，第二信号输入端为高电平信号时，开通第一通路，使辅助电源的直流偏置电压Vcc经第一通路施加于充电单元，则充电单元导通，电源通过导通的充电单元以为超级电容进行充电；同时，第二通路被拉低为电源输出负端电位，放电单元关断；

当第一信号输入端为高电平信号，第二信号输入端为低电平信号时，第一通路被拉低为电源输出负端电位，充电单元关断；同时，第二通路开通，使辅助电源的直流偏置电压Vcc经第二通路施加于放电单元，则放电单元开通，以为超级电容进行放电；

当第一信号输入端和第二信号输入端均为高电平信号时，两个通路均被拉低为电源输出负端电位，以切断辅助电源与充电放电电路，则该可控充放电装置处于既不充电也不放电的待机状态，同时使电源处于输出空载的工作状态；

当第一信号输入端和第二信号输入端均为低电平信号时，关断两个通路，则该可控充放电装置处于既不充电也不放电的待机状态，同时使电源处于输出空载的工作状态。

2.根据权利要求1所述的可控充放电装置，其特征在于：所述充电放电电路，包括主要由MOS管S5和MOS管S6构成的充电单元，及主要由MOS管S7、二极管D1和电阻R7构成的放电单元，

所述MOS管S5的源极连接电源输出正端，MOS管S5的漏极和MOS管S6的漏极相连，MOS管S5的栅极和MOS管S6的栅极相连并连接到控制电路的第一通路输出端，所述MOS管S6的源极与MOS管S7的漏极相连并且连接到超级电容的正端，MOS管S7的栅极连接到控制电路的第二通路输出端，MOS管S7的源极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端分别连接电源输出负端Vo-及超级电容的负端；

当控制电路的第一通路开通时，辅助电源的直流偏置电压Vcc经第一通路施加于MOS管S5的栅极和MOS管S6的栅极，使MOS管S5和MOS管S6导通，则电源能量经充电单元为超级电容进行充电；

当控制电路的第二通路开通时，辅助电源的直流偏置电压Vcc经第二通路施加于MOS管S7的栅极，使MOS管S7导通，则超级电容的能量经放电单元进行放电；

当控制电路的两个通路处于切断或关断状态时，MOS管S5、S6、S7均处于截止，则该可控充放电装置处于既不充电也不放电的待机状态，同时使电源处于输出空载的工作状态。

3.根据权利要求1所述的可控充放电装置，其特征在于：所述控制电路，包括MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6，所述MOS管S1的漏极分别与MOS管S2的漏极、电阻R1的一端、电阻R2的一端及辅助电源的输出端Vcc相连，MOS管S1的栅极、MOS管S3的栅极、电阻R1的另一端、电阻R5的一端与控制电路的第一信号输入端相连；MOS管S1的源极和MOS管S2的源极、电阻R3的一端、电阻R4的一端相连；MOS管S2的栅极、MOS管S4的栅极、电阻R2的另一端、电阻R6的一端与控制电路的第二输入信号端相连；MOS管S3的漏极与电阻R3的另一端、电阻R5的另一端相连，并引出作为第一通路输出端；MOS管S4的漏极与电阻R4的另一端、电阻R6的另一端相连，并引出作为第二通路输出端；MOS管S3的源极和MOS管S4的源极分别连接到电源输出负端，

当第一信号输入端为低电平信号，第二信号输入端为高电平信号时，MOS管S1、MOS管S3截止，MOS管S2、MOS管S4导通，辅助电源的直流偏置电压Vcc通过MOS管S2、电阻R3所形成的第一通路输出到充电单元；

当第一信号输入端为高电平信号，第二信号输入端为低电平信号时，MOS管S2、MOS管S4截止，MOS管S1、MOS管S3导通；辅助电源的直流偏置电压Vcc电压通过MOS管S1、电阻R4所形成的第二通路输出到放电单元；

当第一信号输入端和第二信号输入端均为高电平信号时，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均导通，使两个通路输出端的电位均被拉低为电源输出负端电位；

当第一信号输入端和第二信号输入端均为低电平信号时，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均截止，使两个通路均被关断。

4.一种超级电容的均压电路，包括电源、超级电容及连接于电源与超级电容之间的权利要求1至3中任一项所述的可控充放电装置，其特征在于：所述电源采用DC-DC变换器。

5.一种超级电容的均压电路，包括电源、超级电容及连接于电源与超级电容之间的权利要求1至3中任一项所述的可控充放电装置，其特征在于：所述电源为变压器副边整流滤波后的直流电压，所述辅助电源来源于变压器的一个辅助绕组。