CN105429201A - 基于sepic电路的电容器智能充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，包括主电路、控制电路、电流传感器、电压传感器、电容器、温度传感器，主电路由供电模块、SEPIC主电路模块、高频变压器模块组成；控制电路由主控电路模块、DC/DC转换模块、A/D转换模块、IGBT驱动模块和上位机监控模块组成，通过SEPIC主电路模块的高效转换效率和输出可调使得电容器充电时间缩短，充电速度快；高频变压器模块弥补了SEPIC主电路模块升压不足的缺陷，采用大电流恒流后恒压的方式使电容器充电时间大大缩短，主控电路模块和上位机模块通信使系统参数能在线修改，在线监测，提高了电容器充电的可靠性。

Description

基于SEPIC电路的电容器智能充电系统
技术领域
本发明涉及电容器智能充电系统领域，具体涉及基于SEPIC电路的电容器智能充电系统。
背景技术
超级电容是20世界70年代发展起来的一种介于传统静电电容与化学电池之间的新型储能器件；超级电容与传统静电电容相比，比容量是传统电容的2000到6000倍，具有提供瞬间大电流、快速充电、电容量大的特征；与化学电池相比，比功率是化学电池的10倍，功率密度是化学电池的100倍，可以大电流充电，充满电的时间只需几秒到数分钟，具有充电效率高，充电循环次数多，无污染、免维护、工作温度范围宽、无记忆且安全等优点；因此，超级电容受到各个国家的高度重视，并对其展开了大量研究，被广泛引用于风能与太阳能发电、机车启动系统、电能武器、通讯、消费和娱乐电子、信号监控、后背电源以及叉式升降机的电源灯方面，尤其是在电动车领域中的开发应用已引起全球的广泛关注，成为了当前能源技术领域的热点。
随着社会的发展，电容器特别是超级电容广泛应用在各种领域，尤其在城市电动机车领域已成为被关注的重点；使用蓄电池储能的机车由于其动力不足、充电时间长、污染较严重等问题，亟待解决，而相对于使用蓄电池储能的机车，使用超级电容的机车在启动、爬坡等方面有明显的优势，而且有充电时间短、安全无污染、充电无需人工参与等优点，得以在电动机车领域推广使用；但是，目前专门用于电容器的充电系统少之又少，应用给蓄电池充电的充电系统存在充电时间很长的严重问题，会缩短电容器的寿命、影响电容器大电流快速充电的特性发挥。
为缩短电容器的充电时间、充分发挥电容器的特性，有必要研究一种基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，根据电容器的充放电特性，专用于电容器的充电，既能达到快速充电，又能提高电容器寿命和保护电容器的目的。
发明内容
本发明的目的是为了提供能快速充电和提高电容器使用寿命的基于SEPIC电路的电容器智能充电系统。
本发明通过以下技术方案实现：基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，包括主电路、控制电路、电流传感器、电压传感器、电容器、温度传感器，所述主电路包括供电模块、SEPIC主电路模块、高频变压器模块；所述控制电路包括主控电路模块、DC/DC转换模块、A/D转换模块、IGBT驱动模块和上位机监控模块,所述供电模块连接SEPIC主电路模块和DC/DC转换模块，所述SEPIC主电路模块连接高频变压器模块，所述高频变压器模块连接电流传感器，所述电流传感器连接电压传感器，所述电压传感器连接电容器，所述电容器连接温度传感器，所述温度传感器、电压传感器、电流传感器还连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接主控电路模块，所述DC/DC转换模块也连接主控电路模块，所述主控电路模块还连接IGBT驱动模块，所述IGBT驱动模块连接SEPIC主电路模块，所述上位机监控模块连接主控电路模块；所述主控电路模块包括隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、主控芯片、人机交互模块和RS232通信模块，所述主控芯片分别连接隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、人机交互模块和RS232通信模块,所述主控芯片为ARM内核的单片机STM32F103RBT6；所述供电模块可以为蓄电池或直流电源，由于SEPIC电路的升降压特性可在不同电压等级系统中应用；所述上位机监控模块还设有数据存储和监控的功能。
本发明通过SEPIC主电路模块将供电模块的电压升高或降低，再将经过SEPIC主电路模块得到的电压通过高频变压器模块进一步对供电模块升降压得到大电流、高电压提供给电容器，然后电流传感器、电压传感器、温度传感器分别对电容器上的电流、电压、温度进行采样，采样得到的信号传输到A/D转换模块中，再经A/D转换模块传输到主控电路模块，信号经过主控电路模块处理后通过PWM输出模块调节PWM的占空比在IGBT驱动模块上可控制SEPIC主电路模块的输出，使得输出可以调节；主控电路模块还通过RS232通信模块将数据传输到上位机监控模块，并将这些数据实时显示和存储。
本发明的有益之处在于：1）通过SEPIC主电路模块的高效转换效率和输出可调使得电容器充电时间缩短，充电速度快；2）供电模块可以为蓄电池或直流电源，保证供电模块的多样化，而且加入了电流传感器和电压传感器，电容器恒流充电保证充电速度，再恒压充电能保护电容器的使用寿命；3）主控电路模块通过RS232通信模块将数据传输到上位机监控模块，使得上位机监控模块能监控整个系统运行状况，对系统所有参数进行监测，保证了系统安全可靠。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明主控电路模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。
见图1至图2，基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，包括主电路、控制电路、电流传感器、电压传感器、电容器、温度传感器，所述主电路包括供电模块、SEPIC主电路模块、高频变压器模块；所述控制电路包括主控电路模块、DC/DC转换模块、A/D转换模块、IGBT驱动模块和上位机监控模块,所述供电模块连接SEPIC主电路模块和DC/DC转换模块，所述SEPIC主电路模块连接高频变压器模块，所述高频变压器模块连接电流传感器，所述电流传感器连接电压传感器，所述电压传感器连接电容器，所述电容器连接温度传感器，所述温度传感器、电压传感器、电流传感器还连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接主控电路模块，所述DC/DC转换模块也连接主控电路模块，所述主控电路模块还连接IGBT驱动模块，所述IGBT驱动模块连接SEPIC主电路模块，所述上位机监控模块连接主控电路模块；所述主控电路模块包括隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、主控芯片、人机交互模块和RS232通信模块，所述主控芯片分别连接隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、人机交互模块和RS232通信模块,所述主控芯片为ARM内核的单片机STM32F103RBT6；所述供电模块可以为蓄电池或直流电源，由于SEPIC电路的升降压特性可在不同电压等级系统中应用；所述上位机监控模块还设有数据存储和监控的功能。
本实施方式中，所述供电模块可以是蓄电池或直流电源，能分别给SEPIC主电路模块和主控电路模块供电；所述SEPIC主电路模块将供电模块的电压升高或降低并在高频变压器模块的原边产生高频PWM电平，通过高频变压器模块进一步对供电模块升降压；所述主控电路模块由隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、主控芯片、人机交互模块和RS232通信模块组成，所述由隔离输入模块和继电器输出模块为功能扩展作用，能够增加模块的提供接口；所述PWM输出模块通过调节PWM的占空比可达到电路升降压的目的，能控制SEPIC主电路模块；所述故障保护模块用于系统过压、欠压、过流、高温时切断输入保护系统；所述人机交互模块包括数码管显示和按键部分，通过调节按键的状态可使数码管在电压、电流和温度显示之间自由切换；所述RS232通信模块能将数据传输到上位机监控模块，建立主控电路模块与上位机监控模块之间的连接，达到TTL电平与232电平之间的转换；所述上位机监控模块上设有RS232接口、数据库软件和电容器智能充电系统监控软件，上位机监控模块通过RS232接口向主控电路模块发送数据请求命令，主控电路模块接到命令会将所采集到的数据信号通过RS232接口传输到上位机监控模块，上位机监控模块实时显示并将数据存储到数据库。
本实施方式中，所述供电模块可以为蓄电池或直流电源，由于SEPIC电路具有升降压的特性，供电模块的电压允许范围较大，可在不同电压等级系统中应用。
本实施方式中，所述SEPIC主电路模块后连接高频变压器模块，保证了SEPIC主电路模块升压倍数不受限。
本实施方式中，所述供电模块经过DC/DC转换模块转换供电给主控电路模块；另一面也给电容器充电，所述SEPIC主电路模块和高频变压器模块组成两级放大电路，为电容器提供充足的充电电流和电压，所述高频变压器模块的原边和SEPIC主电路模块相互耦合，共同受到IGBT驱动模块的作用。
本实施方式中，所述高频变压器模块连接电流传感器，所述电流传感器连接电压传感器，所述电压传感器连接电容器，所述电容器连接温度传感器，所述温度传感器、电压传感器、电流传感器还连接A/D转换模块，通过电流传感器、电压传感器、温度传感器分别对电容器上的电流、电压、温度进行采样，再传输到A/D转换模块将采集到的模拟信号转换成数字信号送给主控电路模块，通过主控电路模块的处理，产生不同占空比的PWM信号作用于IGBT驱动模块，进而控制SEPIC主电路模块的输出，达到闭环控制的目的；为保护电容器的充电电压、电流和温度，系统还包括上位机监控模块，对电容器的状态进行监控，保证了充电可靠性。
本实施方式中，所述SEPIC主电路模块的输入级电感和电容是储存能量的主要器件，采用带铁心的变压器作为输入级的电感，采用多个小电容并联的方式提高了电能储存和转换效率，将输入级电容末端引出作为高频变压器模块的原边输入，输出级电容的末端接高频变压器模块的副边，通过两级升压，保证了电容器的充电能力。
本实施方式中，所述主控电路模块由隔离输入模块、主控芯片、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、人机交互模块和RS232通信模块组成，所述主控芯片为ARM内核的单片机STM32F103RBT6，此芯片集成集成A/D转换、PWM控制、串行通信多个功能，引脚多达64个，满足系统需求，所述隔离输入模块和继电器输出模块都用于扩展功能，使之在不改变主电路的前提下应用在更多的领域；PWM输出模块能产生三路PWM信号，一路用于控制SEPIC主电路模块的输出，另外两路用于电容器的均衡控制；在系统发生短路、过压、过流、高温等故障时故障保护模块能及时切断输入，有效保护电容器；在现场调试时人机交互模块对电容器电压、电流、温度等数据切换显示；所述RS232通信模块为系统与上位机模块提供通信接口，使系统能够将采集到的数据保存、分析和预测，提高系统可靠性。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，包括主电路和控制电路，其特征在于：还包括电流传感器、电压传感器、电容器、温度传感器，所述主电路包括供电模块、SEPIC主电路模块、高频变压器模块；所述控制电路包括主控电路模块、DC/DC转换模块、A/D转换模块、IGBT驱动模块和上位机监控模块,所述供电模块连接SEPIC主电路模块和DC/DC转换模块，所述SEPIC主电路模块连接高频变压器模块，所述高频变压器模块连接电流传感器，所述电流传感器连接电压传感器，所述电压传感器连接电容器，所述电容器连接温度传感器，所述温度传感器、电压传感器、电流传感器还连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接主控电路模块，所述DC/DC转换模块也连接主控电路模块，所述主控电路模块还连接IGBT驱动模块，所述IGBT驱动模块连接SEPIC主电路模块，所述上位机监控模块连接主控电路模块；所述主控电路模块包括隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、主控芯片、人机交互模块和RS232通信模块，所述主控芯片分别连接隔离输入模块、继电器输出模块、PWM输出模块、故障保护模块、人机交互模块和RS232通信模块,所述主控芯片为ARM内核的单片机STM32F103RBT6。
2.根据权利要求1所述的基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，其特征在于：所述供电模块可以为蓄电池或直流电源，由于SEPIC电路的升降压特性可在不同电压等级系统中应用。
3.根据权利要求1所述的基于SEPIC电路的电容器智能充电系统，其特征在于：所述上位机监控模块还设有数据存储和监控的功能。
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