CN110474416A - 基于超级电容的模拟电池电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超级电容的模拟电池电路，该电路中充电设备的正输出端连接开关电路的第一端，开关电路的第二端连接预充电路的输入端，预充电路的输出端连接充放电电路的第一端，充放电电路的第二端连接开关电路的第三端，开关电路的第四端连接负载，充放电电路的第三端连接超级电容组的第一端，超级电容组的第二端连接充电设备的负输出端；控制电路与开关电路连接；控制电路输出控制信号控制开关电路的开合，启动充电设备输出充电电能，控制预充电路对超级电容组进行充电，并在充电完成后，将预充电路旁路及接入负载。本发明可以代替电池、电压范围宽、寿命长、成本低且实用方便。

Description

基于超级电容的模拟电池电路

技术领域

本发明涉及模拟电池的技术领域，更具体地说，涉及一种基于超级电容的模拟电池电路。

背景技术

充电设备（充电机）的核心是充电模块，其功能是实现电能变换，为电池提供符合需求的直流电能。换言之，充电模块的性能决定了充电设备的性能。充电模块具有恒流、恒压的功能，对应其内部的电流控制环路和电压控制环路。恒压、恒流功能切换是电池充电或放电过程中普遍存在的过程，两者相互转换时，意味着其对应控制环路的相互转换，在此过程中，往往是两个环路相互影响，易造成系统不稳定。因此，设计者重点关注功能切换的性能，采用电阻或模拟电池装置作为测试用负载。

在测试过程中，电阻负载的阻值为定值，充电设备输出电压、电流满足欧姆定律，呈线性关系，而实际充电工况则不同，电池是一个巨大的储能装置，在一定的时间内具有稳定电压的作用，充电或放电曲线不是线性关系。可见电阻值负载可以测试充电模块输出功率，不能模拟电池性能，更不能测试电流控制环路和电压控制环路的相互影响。若采用模拟电池装置（此设备由半导体开关管和控制电路组成电子负载，再配合模拟电池特性的电路组成），价格昂贵且不易维护。类似的，采用电池作为负载，受其充放电次数影响，成本较高，更重要的是难以调节电池电压范围以适应充电设备的输出电压范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于超级电容的模拟电池电路，该电路可以代替电池，具有电压范围宽、寿命长的特点，电压调节灵活，成本较低且实用方便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于超级电容的模拟电池电路，包括：充电设备、开关电路、预充电路、充放电电路、超级电容组、控制电路以及负载；

所述充电设备的正输出端连接所述开关电路的第一端，所述开关电路的第二端连接所述预充电路的输入端，所述预充电路的输出端连接充放电电路的第一端，所述充放电电路的第二端连接所述开关电路的第三端，所述开关电路的第四端连接负载，所述充放电电路的第三端连接所述超级电容组的第一端，所述超级电容组的第二端连接所述充电设备的负输出端；所述控制电路与所述开关电路连接；

所述控制电路用于输出控制信号控制所述开关电路的开合，以启动所述充电设备输出充电电能，以及控制所述预充电路根据所述充电电能对所述超级电容组进行充电，并在所述预充电路充电完成后，通过控制所述开关电路将所述预充电路旁路及接入所述负载。

其中，所述开关电路包括：第一开关；

所述第一开关的第一端连接所述充电设备的正输出端，所述第一开关的第二端连接所述预充电路的输入端，所述预充电路的输出端连接所述充放电电路的第一端；

所述第一开关的第一端为所述开关电路的第一端，所述第一开关的第二端为所述开关电路的第二端。

其中，所述开关电路还包括：第二开关；

所述第二开关的第一端连接所述第一开关的第二端，所述第二开关的第二端连接所述充放电电路的第二端；

所述第二开关的第二端为所述开关电路的第三端。

其中，所述开关电路还包括：第三开关；

所述第三开关的第一端连接所述第一开关的第二端和所述第二开关的第一端，所述第三开关的第二端连接所述负载；

所述第三开关的第二端为所述开关电路的第四端。

其中，所述第一开关、第二开关和第三开关为断路器或者接触器。

其中，所述控制电路与所述预充电路连接，用于在所述预充电路给所述超级电容组充电过程中，检测所述预充电路的两端电压，以获得所述预充电路的端电压值。

其中，所述控制电路与所述超级电容组连接，用于在所述超级电容组充电过程中，检测所述超级电容组的两端电压，以获得所述超级电容组的充电电压。

其中，所述充放电电路包括：第二电阻和第二电容；

所述第二电阻的第一端连接所述预充电路的输出端，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端连接所述超级电容组的第一端，所述第二电容的第一端连接所述开关电路的第三端，且所述第二电阻的第一端还与所述第二电容的第一端连接；

所述第二电阻的第一端为所述充放电电路的第一端，所述第二电容的第一端为所述充放电电路的第二端，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端为所述充放电电路的第三端。

其中，所述超级电容组包括多个串联的超级电容或者多个串并联的超级电容。

其中，还包括：设置在所述充放电电路与所述超级电容组之间的第一电阻；

其中，所述第一电阻的第一端连接所述充放电电路的第三端，所述第一电阻的第二端连接所述超级电容组的第一端。

实施本发明的基于超级电容的模拟电池电路，具有以下有益效果：该基于超级电容的模拟电池电路包括：充电设备、开关电路、预充电路、充放电电路、超级电容组、控制电路及负载；充电设备的正输出端连接开关电路的第一端，开关电路的第二端连接预充电路的输入端，预充电路的输出端连接充放电电路的第一端，充放电电路的第二端连接开关电路的第三端，开关电路的第四端连接负载，充放电电路的第三端连接超级电容组的第一端，超级电容组的第二端连接充电设备的负输出端；控制电路与开关电路连接；控制电路输出控制信号控制开关电路的开合，启动充电设备输出充电电能，控制预充电路对超级电容组进行充电，并在充电完成后，将预充电路旁路及接入负载。本发明可以代替电池、电压范围宽、寿命长、成本低且实用方便。

进一步地，该基于超级电容的模拟电池电路电压范围可兼容充电设备的输出电压范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的基于超级电容的模拟电池电路的逻辑框图；

图2是本发明提供的基于超级电容的模拟电池电路一实施例的原理图；

图3是本发明提供的基于超级电容的模拟电池电路又一实施例的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1为本发明提供的基于超级电容的模拟电池电路的逻辑框图。

如图1所示，该基于超级电容的模拟电池电路包括：充电设备10、开关电路20、预充电路30、充放电电路50、超级电容组40、控制电路70以及负载60。

充电设备10的正输出端连接开关电路20的第一端，开关电路20的第二端连接预充电路30的输入端，预充电路30的输出端连接充放电电路50的第一端，充放电电路50的第二端连接开关电路20的第三端，开关电路20的第四端连接负载60，充放电电路50的第三端连接超级电容组40的第一端，超级电容组40的第二端连接充电设备10的负输出端；控制电路70与开关电路20连接。

其中，控制电路70用于输出控制信号控制开关电路20的开合，以启动充电设备10输出充电电能，以及控制预充电路30根据充电电能对超级电容组40进行充电，并在预充电路30充电完成后，通过控制开关电路20将预充电路30旁路及接入负载60。

具体的，控制电路70所输出的控制信号主要用于根据模拟电池电路的整体运行过程中的状态，控制开关电路20的开合，以达到利用超级电容代替电池，构成模拟电池的目的。

可选的，控制电路70可以通过控制器实现，其中，控制器包括但不限于微型控制器，如单片机等，单片机可采用现有的常规单片机，本发明不作具体限定。

开关电路20，用于根据控制电路70的控制打开或关闭，其中，开关电路20的打开为部分打开或全部打开；开关电路20的关闭为部分关闭或者全部关闭。

可选的，该开关电路20可以通过多个开关实现。

如图2至图3所示，该开关电路20可以包括：第一开关S1。

第一开关S1的第一端连接充电设备10的正输出端，第一开关S1的第二端连接预充电路30的输入端，预充电路30的输出端连接充放电电路50的第一端；第一开关S1的第一端为开关电路20的第一端，第一开关S1的第二端为开关电路20的第二端。其中，第一开关S1为该模拟电池电路的总开关，用于控制后级电路与充电设备10之间的通断。

可选的，第一开关S1可以为断路器或者接触器。

如图2和图3所示，该开关电路20还可以包括：第二开关S2。

第二开关S2的第一端连接第一开关S1的第二端，第二开关S2的第二端连接充放电电路50的第二端；第二开关S2的第二端为开关电路20的第三端。其中，第二开关S2为预充电路30的旁路开关，用于在超级电容组40（C1）充电完成后，闭合，以将预充电路30旁路。

可选的，第二开关S2可以为断路器或者接触器。

进一步地，开关电路20还包括：第三开关S3。

第三开关S3的第一端连接第一开关S1的第二端和第二开关S2的第一端，第三开关S3的第二端连接负载60；第三开关S3的第二端为开关电路20的第四端。其中，第三开关S3为负载60开关，用于控制负载60的接入或断开。

可选的，第三开关S3可以为断路器或者接触器。

预充电路30，用于在超级电容组40（C1）充电过程中导通，并将充电设备10所输出的充电电能传输给超级电容组40（C1），以达到对超级电容组40（C1）充电限流的目的，并在超级电容组40（C1）充电完成后，被旁路而不导通。

可选的，本发明实施例的预充电路30可以通过电阻实现。当超级电容组40（C1）充电完成后，控制电路70控制第二开关S2闭合，进而将预充电路30旁路。

充放电电路50，用于在超级电容组40（C1）充电时，对超级电容组40（C1）进行充电；在超级电容组40（C1）放电时对超级电容组40（C1）进行放电。

如图2和图3所示，该充放电电路50可以包括：第二电阻R2和第二电容C2。

第二电阻R2的第一端连接预充电路30的输出端，第二电阻R2的第二端和第二电容C2的第二端连接超级电容组40（C1）的第一端，第二电容C2的第一端连接开关电路20的第三端，且第二电阻R2的第一端还与第二电容C2的第一端连接。

第二电阻R2的第一端为充放电电路50的第一端，第二电容C2的第一端为充放电电路50的第二端，第二电阻R2的第二端和第二电容C2的第二端为充放电电路50的第三端。

可选的，第二电阻R2为模拟电池的极化电阻，第二电容C2为模拟电池的极化电容。

进一步地，如图2和图3所示，该基于超级电容的模拟电池电路还可以包括：设置在充放电电路50与超级电容组40（C1）之间的第一电阻R1。

其中，第一电阻R1的第一端连接充放电电路50的第三端，第一电阻R1的第二端连接超级电容组40（C1）的第一端。

可选的，第一电阻R1为模拟电池的内阻。

需要说明的是，本发明实施例的第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2的特性参数根据所需要实现的模拟电池特性决定，即本发明基于超级电容的模拟电池电路所呈现的电池特性取决于第一电阻R1、第二电阻R2和第二电容C2的特性，并配合超级电容组40（C1）的作用。

超级电容组40（C1），用于接收充电设备10输出的充电电能，并进行充电，并在充电完成后，储存能量，且相当于恒定的电压值，类似于电池的电压。当充电电能改变或者负载60发生变化时，超级电容组40（C1）可以提供一定时间的稳定电能，即“稳压”作用，同时，结合第一电阻R1、第二电阻R2和第二电容C2的作用，对外部电路表现为电池特性，形成模拟电池。

可选的，该超级电容组40（C1）包括多个串联的超级电容或者多个串并联的超级电容。即该超级电容组40（C1）可以通过多个单只的超级电容串联组成，也可以通过多个单只的超级电容串联+并联组成。

本发明实施例中，负载60为电阻负载，如图3所示，负载60包括第三电阻R3，其中，第三电阻R3为可调电阻。可选的，第三电阻R3也可以由多个电阻通过并联、串联的方式组成电阻箱，可以根据实际需求设计内部电阻进行多种串联、并联以达到需要目标。

本发明实施例的基于超级电容的模拟电池电路，通过设置该超级电容组40（C1），可以实现模拟电池的作用。在超级电容组40（C1）预充电过程中，由控制电路70监测超级电容组40（C1）的实时充电电压，可以通过监测预充电路30的两端电压或者超级电容组40（C1）的两端电压实现。

如图2所示，在一个实施例中，控制电路70与预充电路30连接，用于在预充电路30给超级电容组40（C1）充电过程中，检测预充电路30的两端电压，以获得预充电路30的端电压值。该端电压值小于某一个设定值（一般选取范围为0~10VDC）时，判定超级电容组40（C1）充电完成。

在另一个实施例中，控制电路70与超级电容组40（C1）连接，用于在超级电容组40（C1）充电过程中，检测超级电容组40（C1）的两端电压，以获得超级电容组40（C1）的充电电压。具体的，在该实施例中，控制电路70检测到超级电容组40（C1）的充电电压后，将超级电容组40（C1）的充电电压与充电设备10两端的电压进行比较，当超级电容组40（C1）的充电电压与充电设备10两端的电压两者之差较小时（一般选取范围为0~10VDC），说明超级电容组40（C1）充电完成。

具体的，本发明实施例的基于超级电容的模拟电池电路的工作过程为：首先，检测第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3的开关状态，并确保第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3均为断开状态（即分闸状态），接入充电设备10，并预先设定好充电参数后，启动充电设备10，控制第一开关S1闭合，充电输出直流电压通过预充电路30、第二电阻R2、第一电阻R1给超级电容组40（C1）充电，预充电完成后，控制第二开关S2闭合，预充电路30被旁路；接着，控制第三开关S3闭合，接入负载60（第三电阻R3），根据需要对第三电阻R3的阻值动态调整，以达到模拟电池的目的。

其中，该基于超级电容的模拟电池电路的工作原理为：超级电容组40（C1）充电完成后，储存能量，并表现为恒定的电压值，相当于电池的电压。当充电电流改变或者负载60变化时，超级电容能够提供一定时间的稳定电能，即“稳压”作用，又由于第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2的作用，对外表现为电池的特性。因此，由于超级电容组40（C1）的储能、稳压作用，并配合第一电阻R1、第二电阻R2和第二电容C2的特性参数，使得本发明基于超级电容的模拟电池电路对外呈现电池特性。

进一步地，本发明基于超级电容的模拟电池电路储能器件寿命长，相对于电池，电池的充放电般为2000-3000次，而超级电容的充放次数为80万次或以上；其次，本发明的负载60电压范围宽：一般地，铅酸电池的范围为1.8~2.4V*n（n为电池节数，下文同），锂电池的电压范围为2.5~3.65V*n，而本发明的电压范围为0V~设计最大值，可以兼容多种类型的充电设备10；另外，本发明的调节电压灵活：电池调节电压需要通过增加或减少电池串联节数，本发明的电路电压取决于充电设备10的输出电压；所以，本发明的基于超级电容的模拟电池电路可以代替电池，具有电压范围宽，寿命长的特点，而且成本较低且实用方便。

以下以一个具体应用实施例进行说明。

具体的，设电流范围为：0~250A，电压范围为：200~800VDC。

如图2和图3所示，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3采用高压直流接触器，规格可以为：额定电流350A，额定电压800VDC，通过控制电路70对第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3进行智能化控制。其他各元器件选取如下：

A：超级电容组C1容量由下列方式计算确定：

a)、根据公式Q=I*t=C1*δU计算；

b)、其中，δU＝α*U_max，α为输出电压波动系数，选取值低于产品相关标准要求的稳压系数（通常为0.5%），本实施例选取0.5%。U_max为需求的最高电压，即800VDC；

c)、选取超级电容在负载60或输出电流变化时的支撑时间t的数值为20ms，选取原则为：不小于产品动态响应调整的时间（一般为0.2ms）；

计算C1=250*0.02/(0.5%*800)=1.25（F）。

选取单只3V的超级电容，则需要串联数为U_max/3=266.67只，选取270只；单只容量为C1*270=337.5（F），选取400F。需要说明的是：电容串联需要配置均压电路以实现每只电容的电压基本相等，其中，均压电压可以采用现有的电路形式实现，本发明不作具体限定。或者，在实际使用中，超级电容厂家将均压电路和超级电容做成符合客户定制要求的超级电容模组。

B：第一电阻R1为模拟电池内阻。本例中，选取低内阻的超级电容（一般情况下，超级电容的内阻大于电池内阻），基本与电池内阻等效；

C：第二电阻R2阻值选取依据电池组参数，本实施例采用分流器，规格为75mV/300A；

D：第二电容C2阻值选取依据电池组参数，本实施例选用0.2uF/1kV(电压值不低于最大电流在第二电阻R2两端产生的电压值（第二电阻R2与第二电容C2并联，第二电阻R2两端的电压即电容电压）；

E：预充电路30的功能是限制给超级电容组C1充电的电流。根据充电电压、电容容量，预计10s完成充电，则计算选取电阻阻值为1.5欧姆，功率为20kW。待充电完成后（控制电路70判断预充电路30两端的压降或充电电流小于某一设定值），控制电路70控制第二开关S2闭合；

F：第三电阻R3由多只电阻通过并联、串联的方式组成电阻箱，可根据需求控制内部电阻进行多种串联、并联以实现需求目标。

具体的工作过程为：电路处于复位状态，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3处于分闸状态，第三电阻R3处于无电阻投入状态。启动充电设备10后，控制电路70控制第一开关S1闭合，充电设备10输出的输出电压通过预充电路30、第二电阻R2、第一电阻R1给超级电容组C1充电，待预充电完成后，控制第二开关S2闭合，旁路预充电路30，然后控制电路70控制S3闭合，投入负载60，根据需要对第三电阻R3阻值动态调整，以达到模拟电池的目的。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，包括：充电设备、开关电路、预充电路、充放电电路、超级电容组、控制电路以及负载；

所述充电设备的正输出端连接所述开关电路的第一端，所述开关电路的第二端连接所述预充电路的输入端，所述预充电路的输出端连接充放电电路的第一端，所述充放电电路的第二端连接所述开关电路的第三端，所述开关电路的第四端连接负载，所述充放电电路的第三端连接所述超级电容组的第一端，所述超级电容组的第二端连接所述充电设备的负输出端；所述控制电路与所述开关电路连接；

所述控制电路用于输出控制信号控制所述开关电路的开合，以启动所述充电设备输出充电电能，以及控制所述预充电路根据所述充电电能对所述超级电容组进行充电，并在所述预充电路充电完成后，通过控制所述开关电路将所述预充电路旁路及接入所述负载。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述开关电路包括：第一开关；

所述第一开关的第一端连接所述充电设备的正输出端，所述第一开关的第二端连接所述预充电路的输入端，所述预充电路的输出端连接所述充放电电路的第一端；

所述第一开关的第一端为所述开关电路的第一端，所述第一开关的第二端为所述开关电路的第二端。

3.根据权利要求2所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述开关电路还包括：第二开关；

所述第二开关的第一端连接所述第一开关的第二端，所述第二开关的第二端连接所述充放电电路的第二端；

所述第二开关的第二端为所述开关电路的第三端。

4.根据权利要求3所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述开关电路还包括：第三开关；

所述第三开关的第一端连接所述第一开关的第二端和所述第二开关的第一端，所述第三开关的第二端连接所述负载；

所述第三开关的第二端为所述开关电路的第四端。

5.根据权利要求4所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述第一开关、第二开关和第三开关为断路器或者接触器。

6.根据权利要求1所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述控制电路与所述预充电路连接，用于在所述预充电路给所述超级电容组充电过程中，检测所述预充电路的两端电压，以获得所述预充电路的端电压值。

7.根据权利要求1所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述控制电路与所述超级电容组连接，用于在所述超级电容组充电过程中，检测所述超级电容组的两端电压，以获得所述超级电容组的充电电压。

8.根据权利要求1所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述充放电电路包括：第二电阻和第二电容；

所述第二电阻的第一端连接所述预充电路的输出端，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端连接所述超级电容组的第一端，所述第二电容的第一端连接所述开关电路的第三端，且所述第二电阻的第一端还与所述第二电容的第一端连接；

所述第二电阻的第一端为所述充放电电路的第一端，所述第二电容的第一端为所述充放电电路的第二端，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端为所述充放电电路的第三端。

9.根据权利要求1所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，所述超级电容组包括多个串联的超级电容或者多个串并联的超级电容。

10.根据权利要求1所述的基于超级电容的模拟电池电路，其特征在于，还包括：设置在所述充放电电路与所述超级电容组之间的第一电阻；

其中，所述第一电阻的第一端连接所述充放电电路的第三端，所述第一电阻的第二端连接所述超级电容组的第一端。