CN109245277A - 一种后备电源储能控制装置和一种电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种后备电源储能控制装置和一种电源系统，后备电源储能控制装置包括用于连接第一电源的第一电源接口、用于连接第二电源的第二电源接口以及电源输出端口，第一电源接口通过第一供电线路连接电源输出端口，第一电源接口通过第一开关连接第一充电电容，第二电源接口通过第二开关连接第二充电电容。当第一电源失电时，第一电容或者第二电容上的电能就输出到电源输出端口上，实现无缝切换。而且，第一电源和第二电源分别对应一个电容，能够为对应的电容进行充电，即便当第一电源出现故障无法输出电能，且第一电容中并没有充入足够的电能时，第二电源仍旧正常为第二电容进行充电，保证后备电源的正常输出，提高了供电可靠性。

Description

一种后备电源储能控制装置和一种电源系统
技术领域
本发明涉及一种后备电源储能控制装置和一种电源系统。
背景技术
超级电容器已广泛应用于10kV配电终端电源系统，目前配电设备主要采用DC24V或者DC48V主电源系统，CPU系统DC5V电源通过DC24V或DC48V主电源进行DC/DC变换而来。目前所见到的后备电源储能控制电路，超级电容要么与主电源系统DC24V或DC48V配套使用，要么与CPU系统DC5V电源配套通过BOOST电路给负载供电，比如授权公告号为CN205231840U的中国专利文件中公开了一种基于超级电容后备电源的双电源切换装置，包括依次连接的超级电容充电管理电路、超级电容模组、超级电容放电管理电路和DC5V主备电源切换电路，超级电容充电管理电路输入端与DC5V电源连接，输出端与CPU系统DC5V电源连接。通过输入DC5V电源直流电源实现对超级电容进行充电。并且，当输入DC5V有电时，装置输出DC5V电压，当输入DC5V电源失电时，装置自动无缝切换为超级电容后备电源供电，无缝切换输出DC5V电压。该双电源切换装置中只有一个电容，当DC5V电源出现故障无法输出电能，且超级电容中并没有充入足够的电能时，无法实现后备电源的供电，供电可靠性不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种后备电源储能控制装置，用以解决现有的双电源切换装置的供电可靠性较差的问题。本发明同时提供一种电源系统，用以解决现有电源系统中的双电源切换装置的供电可靠性较差的问题。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
一种后备电源储能控制装置，包括用于连接第一电源的第一电源接口、用于连接第二电源的第二电源接口以及电源输出端口，所述第一电源接口通过第一供电线路连接所述电源输出端口，所述第一电源接口通过第一开关连接第一充电电容，所述第二电源接口通过第二开关连接第二充电电容，所述第一充电电容通过第三开关连接第二供电线路的一端，所述第二充电电容通过第四开关连接所述第二供电线路的一端，所述第二供电线路的另一端连接所述电源输出端口。
正常情况下，第一电源通过第一供电线路将电能传输到电源输出端口，实现正常供电。当第二电源接口接入第二电源时，为第二电容充电，当第一电源接口接入第一电源时，为第一电容充电。当第一电源失电时，第一电容或者第二电容上的电能就输出到电源输出端口上，实现无缝切换。而且，第一电源和第二电源分别对应一个电容，能够为对应的电容进行充电，即便当第一电源出现故障无法输出电能，且第一电容中并没有充入足够的电能时，第二电源仍旧正常为第二电容进行充电，进而通过第二供电线路正常输出电能，保证后备电源的正常输出，提高了供电可靠性，克服了只有一个电容，且该电容中没有足够的电能时，无法实现后备电源供电的问题，提升了供电可靠性。
进一步地，所述第一开关和第二开关构成第一单刀双掷开关，所述第一电源接口和所述第二电源接口通过充电线路连接所述第一单刀双掷开关的动端，所述第一单刀双掷开关的第一不动端连接所述第一充电电容，所述第一单刀双掷开关的第二不动端连接所述第二充电电容；所述第三开关和第四开关构成第二单刀双掷开关，所述第一充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第一不动端，所述第二充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第二不动端，所述第二单刀双掷开关的动端连接所述第二供电线路的一端。
进一步地，所述第二供电线路上设置有BUCK-BOOST电路。当第一充电电容的额定电压与第二充电电容的额定电源不同时，即第一电源的输出电压和第二电源的输出电压不同时，通过PWM控制驱动BUCK-BOOST电路，根据电压与设定值的大小关系控制减小PWM占空比或者增大PWM占空比，最终可实现输出电压稳定，使输出电压满足要求，保证了电源的连续性。
进一步地，所述充电线路上串设有用于改变充电电流的电位器。通过动态调节电位器的阻值大小，可实现两个电容的恒流充电，而且，通过设定电位器的阻值还可以实现浮充充电模式。因此，通过电位器能够对电容限流充电，灵活控制充电电流。
进一步地，所述BUCK-BOOST电路的输出端与所述电源输出端口之间串设有第一二极管。可以设定BUCK-BOOST电路的输出电压与电源输出端口的电压的差值略小于第一二极管的导通压降，这样的话，在第一电源正常供电情况下，第一二极管不导通，BUCK-BOOST电路处于空载状态，无更多能量损耗。
进一步地，所述第一供电线路上串设有第一供电开关。当第一电源出现故障无法输出电能时，后备电源正常输出，此时控制第一供电开关断开，能防止电压反向输出给第一电容，减少额外损耗，可大大提高电容储存能量的使用效率。
进一步地，所述第一二极管的两端并联有第二供电开关。第二供电开关闭合，能够消除第一二极管的功耗，可大大提高电容储存能量的使用效率。
一种电源系统，包括第一电源和第二电源，还包括一种后备电源储能控制装置，所述控制装置包括用于连接第一电源的第一电源接口、用于连接第二电源的第二电源接口以及电源输出端口，所述第一电源接口通过第一供电线路连接所述电源输出端口，所述第一电源接口通过第一开关连接第一充电电容，所述第二电源接口通过第二开关连接第二充电电容，所述第一充电电容通过第三开关连接第二供电线路的一端，所述第二充电电容通过第四开关连接所述第二供电线路的一端，所述第二供电线路的另一端连接所述电源输出端口。
进一步地，所述第一开关和第二开关构成第一单刀双掷开关，所述第一电源接口和所述第二电源接口通过充电线路连接所述第一单刀双掷开关的动端，所述第一单刀双掷开关的第一不动端连接所述第一充电电容，所述第一单刀双掷开关的第二不动端连接所述第二充电电容；所述第三开关和第四开关构成第二单刀双掷开关，所述第一充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第一不动端，所述第二充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第二不动端，所述第二单刀双掷开关的动端连接所述第二供电线路的一端。
进一步地，所述第二供电线路上设置有BUCK-BOOST电路。
进一步地，所述充电线路上串设有用于改变充电电流的电位器。
进一步地，所述BUCK-BOOST电路的输出端与所述电源输出端口之间串设有第一二极管。
进一步地，所述第一供电线路上串设有第一供电开关。
进一步地，所述第一二极管的两端并联有第二供电开关。
附图说明
图1是后备电源储能控制装置的一种具体的电路图；
图2是后备电源储能控制装置的一种具体的运行过程示意图。
具体实施方式
电源系统实施例
本实施例提供一种电源系统，包括第一电源、第二电源和一种后备电源储能控制装置。其中，第一电源和第二电源为常规的供电电源，本实施例中，第一电源对应图1中的VCC1，为CPU系统DC5V电源；第二电源对应图1中的VCC2，为外部交流电源或DC24V/DC48V电源。第一电源和第二电源不是电源系统的改进点，电源系统的改进点在于后备电源储能控制装置，因此，以下对后备电源储能控制装置进行详细说明。
后备电源储能控制装置包括第一电源接口、第二电源接口和电源输出端口。本实施例中，第二电源以外部交流电源为例，那么，第二电源就需要连接一个整流电路，如图1所示，VCC3为VCC2经过整流之后输出的电源。那么，就将VCC3处当作第二电源接口。VCC1连接第一电源接口，VCC2通过整流电路连接第二电源接口，电源输出端口为电源系统的电能输出端，该电源输出端口处的电压对应图1中的VCC5。第一电源接口通过第一供电线路连接电源输出端口，第一电源接口通过第一开关连接第一充电电容(对应图1中的电容C1)，第二电源接口通过第二开关连接第二充电电容(对应图1中的电容C2)，电容C1通过第三开关连接第二供电线路的一端，电容C2通过第四开关也连接该第二供电线路的一端，该第二供电线路的另一端连接电源输出端口。为了提高控制便捷性，作为一个具体的实施方式，第一开关和第二开关构成第一单刀双掷开关(对应图1中的单刀双掷开关S1)，第三开关和第四开关构成第二单刀双掷开关(对应图1中的单刀双掷开关S2)，那么，第一电源接口和第二电源接口通过充电线路连接单刀双掷开关S1的动端(单刀双掷开关S1的2端)，单刀双掷开关S1的第一不动端(单刀双掷开关S1的1端)连接电容C1，单刀双掷开关S1的第二不动端(单刀双掷开关S1的3端)连接电容C2，电容C1连接单刀双掷开关S2的第一不动端(单刀双掷开关S2的1端)，电容C2连接单刀双掷开关S2的第二不动端(单刀双掷开关S2的3端)，单刀双掷开关S2的动端(单刀双掷开关S2的2端)连接第二供电线路的一端。
那么，当VCC1出现故障无法输出电能，且电容C1中并没有充入足够的电能时，VCC2仍旧正常为电容C2进行充电，进而正常输出电能，保证后备电源的正常输出，提高了供电可靠性，克服了只有一个电容，且该电容中没有足够的电能时，无法实现后备电源供电的问题，提升了供电可靠性。
由于采用单刀双掷开关，那么，只能够实现选择性导通，每次只能够对电容C1或者电容C2进行充电。
本实施例中，由于电容C1对应VCC1，那么，电容C1就为耐压大于5V的单体超级电容或超级电容组；由于电容C2对应VCC2，那么，电容C2就为耐压大于24V/48V或外部交流电源有效值的单体超级电容或超级电容组。
由于VCC1和VCC2的电压不同，即电容C1和电容C2的额定电压不同，那么，在第二供电线路上设置一个BUCK-BOOST电路，能够调节输出电压。如图1所示，BUCK-BOOST电路的输出电压为VCC4。
如图1所示，电容C1和电容C2的充电线路上串设有电位器R1，本实施例中，电位器R1为数字电位器，通过数字电位器R1能够对电容C1和C2限流充电，可灵活控制充电电流。BUCK-BOOST电路的输出端与电源输出端口之间串设有第一二极管(对应图1中的二极管D2)，二极管D2的两端并联有第二供电开关(对应图1中的开关K1)。而且，第一供电线路上串设有第一供电开关(对应图1中的开关K2)。
为了便于控制，单刀双掷开关S1和单刀双掷开关S2属于同一继电器控制的两组单刀双掷开关，常闭触点均为2端和3端；开关K1和开关K2属于同一继电器的两组单刀单掷开关，其中，K1为常开开关，K2为常闭开关。
后备电源储能控制装置还包括控制部分，该控制部分包括CPU、电压采样模块和PWM驱动模块，电压采样模块用于采集VCC5、VCC4、VCC3、VCC6等处的电压，并将采集到的电压输出给CPU，CPU实现电位器R1和PWM控制，并通过PWM驱动模块向BUCK-BOOST电路输出PWM脉冲信号。当然，CPU还可以控制连接单刀双掷开关S1、单刀双掷开关S2、开关K1和开关K2，通过控制相应的继电器控制线圈实现相应控制。当然，该控制部分还可以不是后备电源储能控制装置的一部分，是后期添加的部分。
系统上电工作以后，如果电压采样模块采样到VCC3大于VCC5，说明VCC2接入了外部交流电源或DC24V/DC48V电源，则单刀双掷开关S1和单刀双掷开关S2不动作，两个单刀双掷开关的2端和3端连接，默认给电容C2充电；如果电压采样模块采样到VCC3不大于VCC5，说明VCC2没有接入外部交流电源或DC24V/DC48V电源，则控制继电器，使单刀双掷开关S1和单刀双掷开关S2同时动作，两个单刀双掷开关的2端和1端连接，给电容C1充电。
根据VCC3和VCC6的差值，通过动态调节电位器R1的阻值大小，可实现电容C1或C2的恒流充电，充电电流I0＝(VCC3-VCC6)/R1。当VCC3与VCC6的差值为某一常数△U1时，通过设定电位器R1的阻值可实现浮充充电模式。
根据VCC4的大小，通过PWM驱动电路驱动BUCK-BOOST电路。当VCC4大于设定值U0时，减小PWM的占空比；当VCC4小于设定值U0时，增大PWM的占空比，最终可实现VCC4的电压稳定。进一步地，设定值U0与VCC1的差值可以设定为略小于二极管D2的导通压降UD2，那么，在VCC1正常供电情况下，二极管D2不导通，BUCK-BOOST电路处于空载状态，无更多能量损耗。
CPU系统DC5V电源停止供电，则VCC1(VCC5)电压下降，当VCC5与VCC4的差值大于二极管D2的导通压降UD2时，由于BUCK-BOOST电路一直处于空载状态，VCC4能够立即给VCC5供电，实现无缝切换。这时，控制开关K1和K2动作，使开关K1闭合、开关K2断开，并且调整BUCK-BOOST电路的输出电压为VCC1。开关K1闭合，能消除二极管D2的功耗；开关K2断开，能防止VCC4通过二极管D1和电位器R1给电容自充电，减少额外损耗。开关K1闭合、开关K2断开，可大大提高电容储存能量的使用效率。
因此，外部交流电源或DC24V/DC48V主电源，或CPU系统DC5V电源均可给对应的电容充电，再通过BUCK-BOOST电路保证CPU系统DC5V电源的连续性，灵活程度高。
图2是图1的一种具体的运行过程示意图。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
后备电源储能控制装置实施例
本实施例提供一种后备电源储能控制装置，该控制装置可以单独生产和保护，由于上述电源系统实施例中已对该控制装置进行了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

Claims (10)

1.一种后备电源储能控制装置，其特征在于，包括用于连接第一电源的第一电源接口、用于连接第二电源的第二电源接口以及电源输出端口，所述第一电源接口通过第一供电线路连接所述电源输出端口，所述第一电源接口通过第一开关连接第一充电电容，所述第二电源接口通过第二开关连接第二充电电容，所述第一充电电容通过第三开关连接第二供电线路的一端，所述第二充电电容通过第四开关连接所述第二供电线路的一端，所述第二供电线路的另一端连接所述电源输出端口。
2.根据权利要求1所述的后备电源储能控制装置，其特征在于，所述第一开关和第二开关构成第一单刀双掷开关，所述第一电源接口和所述第二电源接口通过充电线路连接所述第一单刀双掷开关的动端，所述第一单刀双掷开关的第一不动端连接所述第一充电电容，所述第一单刀双掷开关的第二不动端连接所述第二充电电容；所述第三开关和第四开关构成第二单刀双掷开关，所述第一充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第一不动端，所述第二充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第二不动端，所述第二单刀双掷开关的动端连接所述第二供电线路的一端。
3.根据权利要求1或2所述的后备电源储能控制装置，其特征在于，所述第二供电线路上设置有BUCK-BOOST电路。
4.根据权利要求2所述的后备电源储能控制装置，其特征在于，所述充电线路上串设有用于改变充电电流的电位器。
5.根据权利要求3所述的后备电源储能控制装置，其特征在于，所述BUCK-BOOST电路的输出端与所述电源输出端口之间串设有第一二极管。
6.根据权利要求5所述的后备电源储能控制装置，其特征在于，所述第一供电线路上串设有第一供电开关。
7.根据权利要求5或6所述的后备电源储能控制装置，其特征在于，所述第一二极管的两端并联有第二供电开关。
8.一种电源系统，包括第一电源和第二电源，其特征在于，还包括一种后备电源储能控制装置，所述控制装置包括用于连接第一电源的第一电源接口、用于连接第二电源的第二电源接口以及电源输出端口，所述第一电源接口通过第一供电线路连接所述电源输出端口，所述第一电源接口通过第一开关连接第一充电电容，所述第二电源接口通过第二开关连接第二充电电容，所述第一充电电容通过第三开关连接第二供电线路的一端，所述第二充电电容通过第四开关连接所述第二供电线路的一端，所述第二供电线路的另一端连接所述电源输出端口。
9.根据权利要求8所述的电源系统，其特征在于，所述第一开关和第二开关构成第一单刀双掷开关，所述第一电源接口和所述第二电源接口通过充电线路连接所述第一单刀双掷开关的动端，所述第一单刀双掷开关的第一不动端连接所述第一充电电容，所述第一单刀双掷开关的第二不动端连接所述第二充电电容；所述第三开关和第四开关构成第二单刀双掷开关，所述第一充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第一不动端，所述第二充电电容连接所述第二单刀双掷开关的第二不动端，所述第二单刀双掷开关的动端连接所述第二供电线路的一端。
10.根据权利要求8或9所述的电源系统，其特征在于，所述第二供电线路上设置有BUCK-BOOST电路。
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