CN106787006A - 超级电容充电电路、充电方法及其暂态录波型故障指示器 - Google Patents

超级电容充电电路、充电方法及其暂态录波型故障指示器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级电容充电电路，包括基准电压电路、电压采样电路、减法器电路和开关管模组；电流互感器通过开关管模组为超级电容充电；电压采样电路采样电流互感器输出电压并输入减法器电路；减法器电路将采样信号和基准电压电路的基准电压信号相减产生控制信号控制开关管模组工作，从而控制超级电容充电。本发明还公开了所述充电电路的充电方法，包括采样电流互感器电压；根据电流互感器电压采样值、超级电容端电压采样值和第一、第二电压参考值判断是否为超级电容充电。本发明还公开了包括所述充电电路和充电方法的暂态录波型故障指示器。本发明实现了超级电容的无极充电，而且根据电流互感器的负载能力控制充电电流的大小，充电效率极高。

Description

超级电容充电电路、充电方法及其暂态录波型故障指示器
技术领域
本发明具体涉及一种超级电容充电电路、充电方法及其暂态录波型故障指示器。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电气或电子设备的不间断供电要求也越来越多。而多电源供电技术作为不间断供电的核心技术，已经得到了广泛的发展和应用。而超级电容以其功率密度高、使用寿命长、工作温度范围宽等优点，一经推出就受到了人们的广泛青睐，在多电源供电技术中牢牢占据了备用电源的位置。
现在已经有大量的资料对超级电容的充放电电路进行了研究。但是，现有技术基本都是通过电阻分两档或者更多档的方式控制充电电流大小，首先档位有限，无法根据CT（电流互感器）提供的电能大小来实时调节充电电流大小，并且档位越多电路越复杂；而且对于电流互感器供电的系统无论是使用恒流充电或者恒压方式充电都会造成电能的利用不合理，在小的一次电流下，电流互感器取到的电能有时候刚好维持系统运行，此时打开充电将会造成系统电能不足；最后，现有技术无法准确判断电流互感器在什么时候有多余的能量用来充电。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够根据电流互感器的负载能力实现超级电容无极充电、而且充电效率极高的超级电容充电电路。
本发明的目的之二在于提供一种所述超级电容充电电路的充电方法。
本发明的目的之三在于提供一种包括所述超级电容充电电路和充电方法的暂态录波型故障指示器。
本发明提供的这种超级电容充电电路，包括基准电压电路、电压采样电路、减法器电路和开关管模组；电流互感器输出的电能经过整流后通过开关管模组连接超级电容并为超级电容充电；电压采样电路采样整流后的电流互感器输出电压，并将采样信号输入到减法器电路；减法器电路将采样信号和基准电压电路提供的基准电压信号相减后产生控制信号控制开关管模组的开通与关断，从而对超级电容的充电进行控制。
所述的开关管模组包括驱动开关管和充电开关管；充电开关管的活动端连接整流后的电流互感器输出端和超级电容；驱动开关管的活动端连接充电开关管的控制端和地；驱动开关管的控制端连接减法器电路的输出端。
所述的基准电压电路提供的基准电压值为超级电容充满电时的端电压值。
所述的超级电容充电电路还包括稳压电路；电压采样电路通过稳压电路连接整流后的电流互感器输出端；稳压电路用于对整流后的电流互感器输出电压进行稳压。
所述的稳压电路为二极管和电容；二极管串接在整流后的电流互感器的信号输出端，用于隔离交流杂波信号；电容连接在二极管的阴极和地之间，用于滤波。
所述的超级电容充电电路还包括过充保护电路；过充保护电路连接在超级电容和驱动开关管之间，用于检测超级电容的端电压，并在端电压达到设定值时发出控制信号控制驱动开关管的工作，从而停止为超级电容充电。
所述的过充保护电路包括电压采样电路和比较器电路；电压采样电路用于采样超级电容的端电压，并将采样信号输入比较器电路；比较器电路根据采样的超级电容端电压信号和电压设定值的大小输出控制信号控制驱动开关管的工作。
所述的电压设定值为基准电压电路提供的基准电压。
所述的超级电容充电电路还包括低功耗电路。低功耗电路连接在减法器电路和过充保护电路的输出端，用于降低电路的功耗。
所述的低功耗电路为二极管；二极管的阳极连接驱动开关管，二极管的阴极连接减法器电路的输出端或者比较器电路的输出端。
本发明还提供了一种所述超级电容充电电路的充电方法，包括如下步骤：
S1. 采样经过整流的电流互感器的输出电压值；
S2. 根据步骤S1得到的采样值和事先设定的第一电压参考值，按照下列原则判断是否为超级电容充电：
若电压采样值大于第一电压参考值且开关管模组工作在可变电阻区，则经过整流后的电流互感器输出端通过开关管模组的等效电阻为超级电容充电；
若电压采样值大于第一电压参考值且开关管模组工作在饱和器，则经过整流后的电流互感器输出端通过开关管模组直接为超级电容充电；
若电压采样值小于或等于第一电压参考值，则开关管模组关断，停止为超级电容充电；
S3. 采样超级电容的端电压值，并依据采样的端电压值和设定的第二电压参考值，按照下列原则判断是否为超级电容充电：
若端电压采样值大于或等于第二电压参考值，则控制开关管模组关断，停止为超级电容充电；
若端电压采样值小于第二电压参考值，则继续依据步骤S2的判断结果对超级电容进行充电。
本发明还提供了一种暂态录波型故障指示器，该暂态录波型故障指示器采用上述所述的超级电容充电电路和充电方法为暂态录波型故障指示器中的超级电容进行充电。
本发明提供的这种超级电容充电电路和充电方法，通过检测电流互感器的负载能力（即电流互感器的输出信号大小），并根据电流互感器的负载能力和事先设定的电压值控制超级电容的充电电流的大小，从而实现了超级电容的无极充电，而且根据电流互感器的负载能力控制充电电流的大小，使得本发明的电路充电效率极高。
附图说明
图1为本发明的充电电路的功能模块图。
图2为本发明的充电电路的电路原理图。
图3为本发明的充电方法的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的充电电路的功能模块图：本发明提供的这种超级电容充电电路，包括基准电压电路、电压采样电路、减法器电路、开关管模组、稳压电路、低功耗电路和过充保护电路；电流互感器输出的电能经过整流后通过开关管模组连接超级电容并为超级电容充电；电压采样电路采样整流后的电流互感器输出电压，并将采样信号输入到减法器电路；减法器电路将采样信号和基准电压电路提供的基准电压信号相减后产生控制信号控制开关管模组的开通与关断，从而对超级电容的充电进行控制；电压采样电路通过稳压电路连接整流后的电流互感器输出端；稳压电路用于对整流后的电流互感器输出电压进行稳压；过充保护电路连接在超级电容和驱动开关管之间，用于检测超级电容的端电压，并在端电压达到设定值时发出控制信号控制驱动开关管的工作，从而停止为超级电容充电；低功耗电路连接在减法器电路和过充保护电路的输出端，用于降低电路的功耗。
如图2所示为本发明的充电电路的电路原理图：图中稳压电路由二极管D33和电容C3构成；电压采样电路由电阻R51和R139构成；减法器电路由运放U16和电阻R57、R56、R55、R59和电容C51、C46构成；基准电压电路由电压芯片U19和电容C88、C45构成，根据所需要的基准电压的不同，电压芯片U19的型号也不同；低功耗电路由二极管D32和D23构成；过充保护电路由电压采样电路（电阻R34和R140）、比较器芯片U18和滤波电容C47构成；电容C44为超级电容；开关管模组包括驱动开关管V8和启动开关管V16，以及限流电阻R65。
电路中的VDD1是取电电流互感器经过整流后的电压信号，VDD1经过D33和C3的作用，使得电压更加的平稳，之后经过R51和R139的分压后连接到运算放大器U16的3脚，而U16的四脚连接到电阻R56和R55，电阻R56再接到参考电压VREF_1P2，R55接到运算放大器U16的输出端1脚。R51和R139主要设定超级电容的起始充电电压，这个电压是根据系统额定电压而定；运算放大器U16在这里组成一个减法器，把VDD1经过分压后减去参考电压VREF_1P2，并把相减后的电压值在1脚输出，输出的电压值经过D32后接到MOS管V8的1脚。当一次侧线路电流增加，电流互感器取到的电能也随着增加，这个时候电流互感器除了提供充足的系统运行电能外多出的电能会使得VDD1升高，同时U16的输出开始随之增加，当电压增大到一定程度，V8脱离截止区，进去可变电阻区，同理MOS管V16随着V8的改变也进去可变电阻区，此时电流互感器通过V16的等效电阻对超级电容进行充电；当电流互感器取电足够多时，Ｖ16进入饱和区，此时V16直接开启，电流互感器通过开关管对超级电容进行直通充电。
通过U16、V16、V8的共同作用，在VDD1电压超过系统电压后，随着VDD1电压的继续增加，电流互感器取得多余的电能开始向超级电容充电，电流互感器取电越多，充电越多，充电过程电流是平滑增加，而且是无极充电，所以开启充电过程中不会对系统电压造成冲击进而拉低系统电源。
比较器U18在这里起到过充保护的作用，超级电容的电压经过R34和R140的分压后接到比较器U18的4脚，U18的三脚接到参考电压VREF_1P2,当超级电容充电的电压达到设定电压后，比较器U18的输出翻转，输出低电平，从而拉低V8的一脚，使得V8进入截止区，相应的V16进入截止区，停止超级电容的充电。
二极管D32和D23在这里起到低功耗的处理，无论是运算放大器还是比较器，如果是推挽输出模式，当输出高电平时，如果另外一边输出的是低电平，就会造成功耗的增加，这在低功耗系统下是不容许的，所以每个输出反接一个二极管，达到降低功耗的目的。
如图3所示为本发明的充电电路的充电方法的方法流程图：本发明提供的这种超级电容充电电路的充电方法，包括如下步骤：
S1. 采样经过整流的电流互感器的输出电压值；
S2. 根据步骤S1得到的采样值和事先设定的第一电压参考值，按照下列原则判断是否为超级电容充电：
若电压采样值大于第一电压参考值且开关管模组工作在可变电阻区，则经过整流后的电流互感器输出端通过开关管模组的等效电阻为超级电容充电；
若电压采样值大于第一电压参考值且开关管模组工作在饱和器，则经过整流后的电流互感器输出端通过开关管模组直接为超级电容充电；
若电压采样值小于或等于第一电压参考值，则开关管模组关断，停止为超级电容充电；
S3. 采样超级电容的端电压值，并依据采样的端电压值和设定的第二电压参考值，按照下列原则判断是否为超级电容充电：
若端电压采样值大于或等于第二电压参考值，则控制开关管模组关断，停止为超级电容充电；
若端电压采样值小于第二电压参考值，则继续依据步骤S2的判断结果对超级电容进行充电。
本发明提供的这种超级电容充电电路和充电方法，适用于所有利用超级电容作为备用电源的电气和电子设备，包括但不限于各类型的计量仪表（比如电能表、水表、燃气表、热量表等）、电能管理终端、配电终端、电能质量监控设备、电网自动化终端、采集终端、集中器、数据采集器、计量仪表、手抄器、普通型故障指示器和暂态录波型故障指示器等。

Claims (10)

1.一种超级电容充电电路，其特征在于包括基准电压电路、电压采样电路、减法器电路和开关管模组；电流互感器输出的电能经过整流后通过开关管模组连接超级电容并为超级电容充电；电压采样电路采样整流后的电流互感器输出电压，并将采样信号输入到减法器电路；减法器电路将采样信号和基准电压电路提供的基准电压信号相减后产生控制信号控制开关管模组的开通与关断，从而对超级电容的充电进行控制。
2.根据权利要求1所述的超级电容充电电路，其特征在于所述的开关管模组包括驱动开关管和充电开关管；充电开关管的活动端连接整流后的电流互感器输出端和超级电容；驱动开关管的活动端连接充电开关管的控制端和地；驱动开关管的控制端连接减法器电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的超级电容充电电路，其特征在于所述的基准电压电路提供的基准电压值为超级电容充满电时的端电压值。
4.根据权利要求1~3之一所述的超级电容充电电路，其特征在于所述的超级电容充电电路还包括稳压电路；电压采样电路通过稳压电路连接整流后的电流互感器输出端；稳压电路用于对整流后的电流互感器输出电压进行稳压；稳压电路为二极管和电容；二极管串接在整流后的电流互感器的信号输出端，用于隔离交流杂波信号；电容连接在二极管的阴极和地之间，用于滤波。
5.根据权利要求1~3之一所述的超级电容充电电路，其特征在于还包括过充保护电路；过充保护电路连接在超级电容和驱动开关管之间，用于检测超级电容的端电压，并在端电压达到设定值时发出控制信号控制驱动开关管的工作，从而停止为超级电容充电。
6.根据权利要求5所述的超级电容充电电路，其特征在于所述的过充保护电路包括电压采样电路和比较器电路；电压采样电路用于采样超级电容的端电压，并将采样信号输入比较器电路；比较器电路根据采样的超级电容端电压信号和电压设定值的大小输出控制信号控制驱动开关管的工作。
7.根据权利要求1~3之一所述的超级电容充电电路，其特征在于所述的电压设定值为基准电压电路提供的基准电压。
8.根据权利要求1~3之一所述的超级电容充电电路，其特征在于所述的超级电容充电电路还包括低功耗电路；
低功耗电路连接在减法器电路和过充保护电路的输出端，用于降低电路的功耗。
9.一种权利要求1~8所述超级电容充电电路的充电方法，包括如下步骤：
S1. 采样经过整流的电流互感器的输出电压值；
S2. 根据步骤S1得到的采样值和事先设定的第一电压参考值，按照下列原则判断是否为超级电容充电：
若电压采样值大于第一电压参考值且开关管模组工作在可变电阻区，则经过整流后的电流互感器输出端通过开关管模组的等效电阻为超级电容充电；
若电压采样值大于第一电压参考值且开关管模组工作在饱和器，则经过整流后的电流互感器输出端通过开关管模组直接为超级电容充电；
若电压采样值小于或等于第一电压参考值，则开关管模组关断，停止为超级电容充电；
S3. 采样超级电容的端电压值，并依据采样的端电压值和设定的第二电压参考值，按照下列原则判断是否为超级电容充电：
若端电压采样值大于或等于第二电压参考值，则控制开关管模组关断，停止为超级电容充电；
若端电压采样值小于第二电压参考值，则继续依据步骤S2的判断结果对超级电容进行充电。
10.一种暂态录波型故障指示器，包括超级电容，其特征在于还包括权利要求1~8所述的超级电容充电电路；所述超级电容充电电路用权利要求9所述的充电方法对暂态录波型故障指示器中的超级电容进行充电。
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