CN109004730A - 故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法，故障指示器的超级电容充电系统包括：第一运算单元、第二运算单元、第三运算单元以及依次电性耦合的CT线圈、整流滤波单元、DC‑DC降压单元、第一晶体管、采样电阻、第二晶体管、超级电容；CT线圈用以采集电网上的电流并输出交流电压；整流滤波单元用以接收CT线圈输出的交流电压，并输出直流电压V1；第一运算单元用以实时采样超级电容的电压V4及DC‑DC降压单元的输出的直流电压V3，通过内部的运算电路向DC‑DC降压单元输出控制电压V2。借此，本发明的故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法，可以根据CT取电能力动态调节充电电流，实现极高的充电效率、为电路提供完善的保护。

Description

故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法
技术领域
本发明是关于超级电容充电领域，特别是关于一种故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法。
背景技术
超级电容具有功率密度高、使用寿命长、工作温度范围宽等优点，特别适合在电路系统中作为后备电源。
故障指示器一般需要挂接在电网的供电线路上，无法采用市电直接供电，一般采用的电源供电方式为：当线路上电流大于一定值时，由CT(电流互感器)给系统供电，同时给超级电容充电，当线路电流较小时，由超级电容放电给系统供电，当超级电容存储的电量放完后由后备锂电池给系统供电。
现有的超级电容充电技术一般采用以下几种方式：1、单一电阻控制充电电流；2、由微控制器根据不同的条件，控制电子开关，选择不同的控制电阻分档控制充电电流；3、采用工作在线性放大区的晶体管作为可变电阻，控制充电电流。
通过对以上现有技术的分析，可以发现现有的超级电容充电方法存在以下缺点：1、采用单一电阻控制充电电流的方式随着超级电容电压的升高，充电电流会变小；2、多个电阻，分档控制充电电流，可以根据不同的条件(如超级电容电压变化)选择不同的档位来控制电流，但是分档太细会导致电路复杂，并且要使用微控制器控制，实时性低；3、采用工作在线性放大区的晶体管作为可变电阻，控制充电电流的方式，虽然根据不同条件无级调节充电电流，但是仍是输入电源电压值固定，通过工作在线性放大区的晶体管充当可变电阻来进行充电，因输入电源电压值固定，当超级电容电压较小时，超级电容与输入电源之间的压差较大，充电效率低；并且仍然存在对超级电容保护不完善的情况(如只根据CT供电能力大小来控制充电电流，但并没有根据充电电路的情况进行充电电流限制)。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法，其可以根据CT取电能力动态调节充电电流，实现极高的充电效率、为电路提供完善的保护。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种故障指示器的超级电容充电系统，包括：第一运算单元、第二运算单元、第三运算单元以及依次电性耦合的CT线圈、整流滤波单元、DC-DC降压单元、第一晶体管、采样电阻、第二晶体管、超级电容；其中，CT线圈用以采集电网上的电流并输出交流电压；其中，整流滤波单元用以接收CT线圈输出的交流电压，并输出直流电压V1；其中，DC-DC降压单元将整流滤波单元输出的直流电压V1转变为直流电压V3；其中，第一运算单元用以实时采样超级电容的电压V4及DC-DC降压单元的输出的直流电压V3，通过内部的运算电路向DC-DC降压单元输出控制电压V2；其中，第二运算单元用以实时监测整流滤波单元的直流电压V1，并通过与基准电压V5进行运算，向第一晶体管输出控制电流I1；其中，第一晶体管用以放大控制电流I1，调整充电电流I2，从而使整流滤波单元的直流电压V1不低于基准电压V5；以及其中，第三运算单元用以采集采样电阻两端的电压，并间接采集充电电流I2，当充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，并通过第二晶体管放大控制电流I4，进而调整充电电流I2，将充电电流I2限制在电流值I3，以电流值I3恒流对超级电容充电。
在一优选的实施方式中，当充电电流I2的值小于设定的电流值I3时，以充电电流I2恒流对超级电容充电。
在一优选的实施方式中，DC-DC降压单元的直流电压V3能够跟随超级电容的电压V4变化。
在一优选的实施方式中，直流电压V3比电压V4高出一固定电压差。
在一优选的实施方式中，固定电压差为0.5V。
在一优选的实施方式中，第三运算单元还实时采集超级电容的电压V4，当电压V4大于设定的最大值电压V6时，输出的控制电流I4的值为0A，进而关闭第二晶体管，使超级电容的电压V4不高于电压V6。
在一优选的实施方式中，超级电容的耐压值为2.7V。
在一优选的实施方式中，电压V6的值为2.5V。
在一优选的实施方式中，DC-DC降压单元是依据控制电压V2将整流滤波单元输出的直流电压V1转变为直流电压V3。
本发明另一方面提供了一种故障指示器的超级电容充电系统采用的充电方法，故障指示器的超级电容充电系统包括：第一运算单元、第二运算单元、第三运算单元以及依次电性耦合的CT线圈、整流滤波单元、DC-DC降压单元、第一晶体管、采样电阻、第二晶体管、超级电容，故障指示器的超级电容充电系统采用的充电方法包括如下步骤：步骤一：CT线圈采集电网上的电流并输出交流电压；步骤二：整流滤波单元接收CT线圈输出的交流电压，并输出直流电压V1；步骤三：DC-DC降压单元将整流滤波单元输出的直流电压V1转变为直流电压V3；步骤四：第一运算单元实时采样超级电容的电压V4及DC-DC降压单元的输出的直流电压V3，通过内部的运算电路向DC-DC降压单元输出控制电压V2；步骤五：第二运算单元实时监测整流滤波单元的直流电压V1，并通过与基准电压V5进行运算，向第一晶体管输出控制电流I1；步骤六：第一晶体管放大控制电流I1，调整充电电流I2，从而使整流滤波单元的直流电压V1不低于基准电压V5；步骤七：第三运算单元采集采样电阻两端的电压，并间接采集充电电流I2，当充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，并通过第二晶体管放大控制电流I4，进而调整充电电流I2，将充电电流I2限制在电流值I3，以电流值I3恒流对所述超级电容充电，当充电电流I2的值小于设定的电流值I3时，以充电电流I2恒流对超级电容充电。
与现有技术相比，根据本发明的故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法具有如下有益效果：本发明的故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法，其可以根据CT取电能力动态调节充电电流，实现极高的充电效率、为电路提供完善的保护。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的故障指示器的超级电容充电系统的整体框架示意图。
主要附图标记说明：
1-CT线圈，2-整流滤波单元，3-DC-DC降压单元，4-第一晶体管，5-采样电阻，6-第二晶体管，7-超级电容，8-第一运算单元，9-第二运算单元，10-第三运算单元。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，图1是根据本发明一实施方式的故障指示器的超级电容7充电系统的整体框架示意图。
根据本发明一优选实施方式的故障指示器的超级电容充电系统，包括：第一运算单元8、第二运算单元9、第三运算单元10以及依次电性耦合的CT线圈1、整流滤波单元2、DC-DC降压单元3、第一晶体管4、采样电阻5、第二晶体管6、超级电容7；其中，CT线圈1用以采集电网上的电流并输出交流电压；其中，整流滤波单元2用以接收CT线圈1输出的交流电压，并输出直流电压V1；其中，DC-DC降压单元3将整流滤波单元2输出的直流电压V1转变为直流电压V3；其中，第一运算单元8用以实时采样超级电容7的电压V4及DC-DC降压单元3的输入的直流电压V3，通过内部的运算电路向DC-DC降压单元3输出控制电压V2；其中，第二运算单元9用以实时监测整流滤波单元2的直流电压V1，并通过与基准电压V5进行运算，向第一晶体管4输出控制电流I1；其中，第一晶体管4用以放大控制电流I1，调整充电电流I2，从而使整流滤波单元2的直流电压V1不低于基准电压V5；以及其中，第三运算单元10用以采集采样电阻5两端的电压，并间接采集充电电流I2，当充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，并控制第二晶体管6放大控制电流I4，进而调整充电电流I2，将充电电流I2限制在电流值I3，以电流值I3恒流对超级电容7充电。其中CT线圈1为电流互感器线圈。
在一优选的实施方式中，当充电电流I2的值小于设定的电流值I3时，以充电电流I2恒流对超级电容7充电；DC-DC降压单元3的直流电压V3能够跟随超级电容7的电压V4变化；直流电压V3比电压V4高出一固定电压差；固定电压差为0.5V，0.5V只是典型值，还可以是其他值。
在一优选的实施方式中，第三运算单元10还实时采集超级电容7的电压V4，当电压V4大于设定的最大值电压V6时，输出的控制电流I4的值为0A，进而关闭第二晶体管6，使超级电容7的电压V4不高于电压V6；超级电容7的耐压值为2.7V，但本发明不仅适用于2.7V耐压值的超级电容，还可适用于其他耐压值的超级电容；电压V6的值为2.5V。
在一优选的实施方式中，DC-DC降压单元3是依据控制电压V2将整流滤波单元2输出的直流电压V1转变为直流电压V3。
根据本发明另一优选实施方式的一种故障指示器的超级电容充电系统采用的充电方法，故障指示器的超级电容7充电系统包括：第一运算单元8、第二运算单元9、第三运算单元10以及依次电性耦合的CT线圈1、整流滤波单元2、DC-DC降压单元3、第一晶体管4、采样电阻5、第二晶体管6、超级电容7，故障指示器的超级电容7充电系统采用的充电方法包括如下步骤：步骤一：CT线圈1采集电网上的电流并输出交流电压；步骤二：整流滤波单元2接收CT线圈1输出的交流电压，并输出直流电压V1；步骤三：DC-DC降压单元3将整流滤波单元2输出的直流电压V1转变为直流电压V3；步骤四：第一运算单元8实时采样超级电容7的电压V4及DC-DC降压单元3的输入的直流电压V3，通过内部的运算电路向DC-DC降压单元3输出控制电压V2；步骤五：第二运算单元9实时监测整流滤波单元2的直流电压V1，并通过与基准电压V5进行运算，向第一晶体管4输出控制电流I1；步骤六：第一晶体管4放大控制电流I1，调整充电电流I2，从而使整流滤波单元2的直流电压V1不低于基准电压V5；步骤七：第三运算单元10采集采样电阻5两端的电压，并间接采集充电电流I2，当充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，并通过第二晶体管6放大控制电流I4，进而调整充电电流I2，将充电电流I2限制在电流值I3，以电流值I3恒流对所述超级电容7充电，当充电电流I2的值小于设定的电流值I3时，以充电电流I2恒流对超级电容7充电。
在实际应作用中，CT线圈1(电流互感器线圈)采集电网上的电流，输出的为交流电压，CT(电流互感器)线圈的输出作为整流滤波单元2的输入，整流滤波单元2输出直流电压V1；DC-DC降压单元3接收第一运算单元8输出的控制电压V2，将整流滤波单元2输出的直流电压V1变换为直流电压V3，直流电压V3跟随超级电容7的电压V4变化，直流电压V3比电压V4高出固定的电压差(△V1)，电压差(△V1)的典型值为0.5V；第一运算单元8实时采样超级电容7的电压V4、DC-DC降压单元3的输出电压V3，通过内部的运算电路，输出控制电压V2；第二运算单元9实时监测整流滤波单元2的直流电压V1，并通过与内部基准电压V5(未在附图中显示)进行运算，输出控制电流I1，通过第一晶体管4放大控制电流I1，调整充电电流I2，使整流滤波单元2的输出直流电压V1不低于基准电压V5，以保证在不影响故障指示器其他部分(除去超级电容7充电部分)供电的前提下，最大程度利用CT线圈1的供电能力；第三运算单元10通过采集采样电阻5两端的电压，间接采集充电电流I2，当充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，通过第二晶体管6放大控制电流I4，调整充电电流I2，将充电电流I2限制在电流值I3，以电流值I3恒流对超级电容7充电，电流值I3为充电电路能够长期承受，而不会影响其性能的最大充电电流，当充电电流I2的值小于设定的电流值I3时，以充电电流I2恒流对超级电容7充电；第三运算单元10还实时采集超级电容7的电压V4,当超级电容7的电压V4大于设定的最大值V6时，输出的控制电流I4的值为0A，进而关闭第二晶体管6，使超级电容7的电压不会高于最大值V6，保护超级电容7，对于耐压为2.7V的超级电容7，最大值V6的典型值为2.5V。
总之，本发明的故障指示器的超级电容充电系统及其采用的充电方法具有如下有益效果：
1、在CT线圈及整流滤波单元后增加DC-DC降压单元，并且此DC-DC降压单元，输出电压可以跟随超级电容电压变化，保持DC-DC降压单元的输出与超级电容的电压差在充电全过程中保持一致并其电压差极小，进而在整个充电过程中，保持极高效率；
2、同时具备动态负载调节、恒流限流保护及过充保护功能，采用两个晶体管组合控制充电电流，可以在CT(电流互感器)的取电能力较弱时，最大程度利用CT(电流互感器)的取电能力；可以在CT(电流互感器)的取电能力较强时，CT能提供的充电电流大于充电电路能承受的最大充电电流时进行保护，保持以充电电路的最大限流值进行恒流充电；当超级电容电压将要高于超级电容耐压时，切断充电电路，保护超级电容。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，包括：第一运算单元、第二运算单元、第三运算单元以及依次电性耦合的CT线圈、整流滤波单元、DC-DC降压单元、第一晶体管、采样电阻、第二晶体管、超级电容；
其中，所述CT线圈用以采集电网上的电流并输出交流电压；
其中，所述整流滤波单元用以接收所述CT线圈输出的所述交流电压，并输出直流电压V1；
其中，所述DC-DC降压单元将所述整流滤波单元输出的所述直流电压V1转变为直流电压V3；
其中，所述第一运算单元用以实时采样所述超级电容的电压V4及所述DC-DC降压单元的输出的所述直流电压V3，通过内部的运算电路向所述DC-DC降压单元输出控制电压V2；
其中，所述第二运算单元用以实时监测所述整流滤波单元的所述直流电压V1，并通过与基准电压V5进行运算，向所述第一晶体管输出控制电流I1；
其中，所述第一晶体管用以放大所述控制电流I1，调整充电电流I2，从而使所述整流滤波单元的所述直流电压V1不低于所述基准电压V5；以及
其中，所述第三运算单元用以采集所述采样电阻两端的电压，并间接采集所述充电电流I2，当所述充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，并通过第二晶体管放大所述控制电流I4，进而调整充电电流I2，将充电电流I2限制在所述电流值I3，以所述电流值I3恒流对所述超级电容充电。
2.如权利要求1所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，当所述充电电流I2的值小于设定的所述电流值I3时，以所述充电电流I2恒流对所述超级电容充电。
3.如权利要求1所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述DC-DC降压单元的所述直流电压V3能够跟随所述超级电容的所述电压V4变化。
4.如权利要求3所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述直流电压V3比所述电压V4高出一固定电压差。
5.如权利要求4所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述固定电压差为0.5V。
6.如权利要求1所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述第三运算单元还实时采集所述超级电容的所述电压V4，当所述电压V4大于设定的最大值电压V6时，输出的所述控制电流I4的值为0A，进而关闭所述第二晶体管，使所述超级电容的所述电压V4不高于所述电压V6。
7.如权利要求6所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述超级电容的耐压值为2.7V。
8.如权利要求7所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述电压V6的值为2.5V。
9.如权利要求1所述的故障指示器的超级电容充电系统，其特征在于，所述DC-DC降压单元是依据所述控制电压V2将所述整流滤波单元输出的所述直流电压V1转变为直流电压V3。
10.权利要求1-9所述的故障指示器的超级电容充电系统采用的充电方法，故障指示器的超级电容充电系统包括：第一运算单元、第二运算单元、第三运算单元以及依次电性耦合的CT线圈、整流滤波单元、DC-DC降压单元、第一晶体管、采样电阻、第二晶体管、超级电容，其特征在于，所述故障指示器的超级电容充电系统采用的充电方法包括如下步骤：
步骤一：所述CT线圈采集电网上的电流并输出交流电压；
步骤二：所述整流滤波单元接收所述CT线圈输出的所述交流电压，并输出直流电压V1；
步骤三：所述DC-DC降压单元将所述整流滤波单元输出的所述直流电压V1转变为直流电压V3；
步骤四：所述第一运算单元实时采样所述超级电容的电压V4及所述DC-DC降压单元的输出的所述直流电压V3，通过内部的运算电路向所述DC-DC降压单元输出控制电压V2；
步骤五：第二运算单元实时监测所述整流滤波单元的所述直流电压V1，并通过与基准电压V5进行运算，向所述第一晶体管输出控制电流I1；
步骤六：所述第一晶体管放大所述控制电流I1，调整充电电流I2，从而使所述整流滤波单元的所述直流电压V1不低于所述基准电压V5；
步骤七：所述第三运算单元采集所述采样电阻两端的电压，并间接采集所述充电电流I2，当所述充电电流I2的值大于设定的电流值I3时，输出控制电流I4，并通过第二晶体管放大所述控制电流I4，进而调整充电电流I2，将充电电流I2限制在所述电流值I3，以所述电流值I3恒流对所述超级电容充电，当所述充电电流I2的值小于设定的所述电流值I3时，以所述充电电流I2恒流对所述超级电容充电。
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