CN106505726B - 基于电池和超级电容的直流不间断电源 - Google Patents

基于电池和超级电容的直流不间断电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电池和超级电容的直流不间断电源，包括整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电路、超级电容充放电路和两个稳压电容。该直流电源采用了超级电容和备用电源相结合的方法，当交流输入正常时，电池和超级电容进行充电；当交流输入异常时，在电池放电的切换时间内由超级电容进行放电，从而保证了备用电源的无缝切换，适用于对电源要求苛刻的场合，并能适应不同输入电压的情况，具有体积较小，零件数目较少，制造成本较低等优点，便与推广使用。

Description

基于电池和超级电容的直流不间断电源
技术领域
本发明涉及一种直流不间断电源，具体地说，涉及一种基于电池和超级电容的直流不间断电源，属于电子技术领域源。
背景技术
随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我国工业的整体面貌，其中，精密电子仪器和设备对电源质量的要求也越来越高。在各种供电方式中，不间断电源除了可以提供高质量电源外，还可以保证电源不会间断，所以不间断电源现已成为供给高质量电源的一种最优方案。
传统的备用电源需要一定的切换时间才可以为负载供电，不能应用于对电源质量要求苛刻的场合。
因此，如何发展一种可改进上述现有缺陷的基于电池和超级电容的直流不间断电源，实为相关技术领域技术人员目前所迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供一种基于电池和超级电容的直流不间断电源，可适用于对电源要求苛刻的场合，并能适应不同输入电压。
解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于电池和超级电容的直流不间断电源，其特征在于：它包括整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2，所述整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2连接。
本发明中，所述整流电路为由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成的全桥整流电路，所述二极管D1的阴极与二极管D2的阳极连接且为整流电路的第一交流电流输入端AC1，所述二极管D3的阳极与二极管D4的阴极连接且为整流电路的第二交流输入端AC2，所述二极管D2的阴极与二极管D3的阴极连接且为整流电路的正极直流电压输出端V1+，所述二极管D1的阳极与二极管D4的阳极连接且为整流电路的负极直流电压输出端V1-。
本发明中，所述稳压电容C1一端与整流电路的正极直流电压输出端V1+连接，所述稳压电容C1另一端与整流电路的负极直流电压输出端V1-连接，所述稳压电容C2一端与正极直流电压输出端V2+连接，所述稳压电容C2另一端与负极直流电压输出端V2-连接。
本发明中，所述DC/DC稳压单元一端口与整流电路的正极直流电压输出端V1+、整流电路的负极直流电压输出端V1-连接，所述DC/DC稳压电路另一端口与正极直流电压输出端V2+、整流电路的负极直流电压输出端V2-连接。
本发明中，所述电池充放电路包括负载电阻R、开关K和超级电容CS，所述负载电阻R与开关K并联后的一端与正极直流电压输出端V2+连接，所述负载电阻R与开关K并联后的另一端通过超级电容CS与负极直流电压输出端V2-连接。
本发明中，所述超级电容充放电路包括增强型NMOS管Q1、增强型NMOS管Q2、二极管D5、二极管D6、电感L和电池Battery，所述增强型NMOS管Q1与二极管D5反向并联，所述增强型NMOS管Q2与二极管D6反向并联，所述增强型NMOS管Q1的源极与二极管D5的阳极连接，所述增强型NMOS管Q1的漏极与二极管D5的阴极连接且为正极直流电压输出端V2+，所述增强型NMOS管Q2的源极与二极管D6的阳极连接且为正极直流电压输出端V2-，所述增强型NMOS管Q2的漏极与二极管D6的阴极连接且与增强型NMOS管Q1的源极连接，所述电感L一端与增强型NMOS管Q1的源极连接，所述电感L另一端与电池Battery正极连接，所述电池Battery的负极与增强型NMOS管Q2的源极连接。
本发明的基于电池和超级电容的直流不间断电源，由于采用整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2，整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2连接的结构，具有的优点是：体积较小、零件数目较少、电路复杂度较低以及制造成本较低、电路使用率较高。此外，该直流电源采用了超级电容和备用电源相结合的方法，当交流输入正常时，电池和超级电容进行充电；当交流输入异常时，在电池放电的切换时间内由超级电容进行放电，从而保证了备用电源的无缝切换，适用于对电源要求苛刻的场合，并能适应不同输入电压，另外在工控领域，可以以极低的成本保证设备断电后的正常运作，避免宕机等一系列隐患。
附图说明
图1是本发明基于电池和超级电容的直流不间断电源的电路框图；
图2是本发明基于电池和超级电容的直流不间断电源的电路原理图；
图3是本发明基于电池和超级电容的直流不间断电源的运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基于电池和超级电容的直流不间断电源，包括整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2，所述整流电路、DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2连接。稳压电容C1为图1中稳压电容1，稳压电容C2为图1中稳压电容2。
如图2所示，本发明的基于电池和超级电容的直流不间断电源的整流电路为由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成的全桥整流电路，所述二极管D1的阴极与二极管D2的阳极连接且为整流电路的第一交流电流输入端AC1，所述二极管D3的阳极与二极管D4的阴极连接且为整流电路的第二交流输入端AC2，所述二极管D2的阴极与二极管D3的阴极连接且为整流电路的正极直流电压输出端V1+，所述二极管D1的阳极与二极管D4的阳极连接且为整流电路的负极直流电压输出端V1-。所述稳压电容C1一端与整流电路的正极直流电压输出端V1+连接，所述稳压电容C1另一端与整流电路的负极直流电压输出端V1-连接，所述稳压电容C2一端与正极直流电压输出端V2+连接，所述稳压电容C2另一端与负极直流电压输出端V2-连接。所述DC/DC稳压单元一端口与整流电路的正极直流电压输出端V1+、整流电路的负极直流电压输出端V1-连接，所述DC/DC稳压电路另一端口与正极直流电压输出端V2+、负极直流电压输出端V2-连接。所述电池充放电路包括负载电阻R、开关K和超级电容CS，所述负载电阻R与开关K并联后的一端与正极直流电压输出端V2+连接，所述负载电阻R与开关K并联后的另一端通过超级电容CS与负极直流电压输出端V2-连接。所述超级电容充放电路包括增强型NMOS管Q1、增强型NMOS管Q2、二极管D5、二极管D6、电感L和电池Battery，所述增强型NMOS管Q1与二极管D5反向并联，所述增强型NMOS管Q2与二极管D6反向并联，所述增强型NMOS管Q1的源极与二极管D5的阳极连接，所述增强型NMOS管Q1的漏极与二极管D5的阴极连接且为正极直流电压输出端V2+，所述增强型NMOS管Q2的源极与二极管D6的阳极连接且为正极直流电压输出端V2-，所述增强型NMOS管Q2的漏极与二极管D6的阴极连接且与增强型NMOS管Q1的源极连接，所述电感L一端与增强型NMOS管Q1的源极连接，所述电感L另一端与电池Battery正极连接，所述电池Battery的负极与增强型NMOS管Q2的源极连接。
如图3所示，通过条件1(U1<U1lim)判断交流输入是否正常，当满足条件1即交流输入异常时，超级电容CS和电池Battery分别经放电电路进行放电以提供稳定的直流输出；当不满足条件1即交流输入正常时，交流电流通过整流变换为直流电流，再经过稳压提供稳定的直流输出；同时，开关K断开，超级电容充电电路对超级电容进行充电，通过条件2(i1<i1lim)判断超级电容CS是否充满，当满足条件2即超级电容CS充满时，开关K闭合；当不满足条件2即超级电容CS未充满时超级电容CS继续充电；电池充电电路对电池进行充电，通过条件3判断电池Battery是否充满，当满足条件3即电池Battery充满时，电池结束充电过程；当不满足条件3即电池Battery未充满时电池Battery继续充电；
结合图2和图3，条件1交流输入是否正常的判定为整流后的直流电压U1是否小于整流后的直流电压最小值U1min，当整流后的直流电压U1小于整流后的直流电压最小值U1min时，满足条件1；当整流后的直流电压U1不小于整流后的直流电压最小值U1min时，不满足条件1；条件2超级电容CS是否充满的判定为超级电容冲放电电路电流i1是否小于超级电容冲放电电路电流最小值i1min，当超级电容冲放电电路电流i1小于超级电容冲放电电路电流最小值i1min时，满足条件2；当超级电容冲放电电路电流i1不小于超级电容冲放电电路电流最小值i1min时，不满足条件2；
结合图2和图3，不满足条件1即交流输入异常时，超级电容充放电电路瞬间放电，根据超级电容放电时间(同为电池启动时间)t1，放电前电压UC1，放电后电压UC2，直流输出电压U2，负载电流i2，求出超级电容容量CS。
超级电容放电前储存的能量超级电容放电后储存的能量超级电容在超级电容放电时间t1内释放的能量W＝Uit1，根据W＝W1-W2，得到最终可以得出超级电容的容量配置：
经过超级电容放电时间t1后，电池放电电路达到稳定状态，为负载供电。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，不经过创造性劳动的简单复制和改进均属于本发明权利要求所保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于电池和超级电容的直流不间断电源，它包括整流电路，其特征在于：它还包括DC/DC稳压单元、电池充放电电路、超级电容充放电电路和稳压电容C1、C2，所述整流电路为由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成的全桥整流电路，所述二极管D1的阴极与二极管D2的阳极连接且为整流电路的第一交流电流输入端AC1，所述二极管D3的阳极与二极管D4的阴极连接且为整流电路的第二交流输入端AC2，所述二极管D2的阴极与二极管D3的阴极连接且为整流电路的正极直流电压输出端V1+，所述二极管D1的阳极与二极管D4的阳极连接且为整流电路的负极直流电压输出端V1-；所述稳压电容C1一端与整流电路的正极直流电压输出端V1+连接，所述稳压电容C1另一端与整流电路的负极直流电压输出端V1-连接，所述稳压电容C2一端与正极直流电压输出端V2+连接，所述稳压电容C2另一端与负极直流电压输出端V2-连接；所述DC/DC稳压单元一端口与整流电路的正极直流电压输出端V1+、负极直流电压输出端V1-连接，所述DC/DC稳压单元另一端口与正极直流电压输出端V2+、整流电路的负极直流电压输出端V2-连接；所述电池充放电电路包括负载电阻R、开关K和超级电容CS，所述负载电阻R与开关K并联后的一端与正极直流电压输出端V2+连接，所述负载电阻R与开关K并联后的另一端通过超级电容CS与负极直流电压输出端V2-连接；所述超级电容充放电电路包括增强型NMOS管Q1、增强型NMOS管Q2、二极管D5、二极管D6、电感L和电池Battery，所述增强型NMOS管Q1与二极管D5反向并联，所述增强型NMOS管Q2与二极管D6反向并联，所述增强型NMOS管Q1的源极与二极管D5的阳极连接，所述增强型NMOS管Q1的漏极与二极管D5的阴极连接且为正极直流电压输出端V2+，所述增强型NMOS管Q2的源极与二极管D6的阳极连接且为负极直流电压输出端V2-，所述增强型NMOS管Q2的漏极与二极管D6的阴极连接且与增强型NMOS管Q1的源极连接，所述电感L一端与增强型NMOS管Q1的源极连接，所述电感L另一端与电池Battery正极连接，所述电池Battery的负极与增强型NMOS管Q2的源极连接。
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