CN110739757B - 小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法和系统。所述方法包括：实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压；判断所述第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；或，在未检测到所述供电信号时获取所述超级电容组的第二电压；判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电。其能够始终保证大功率需求负载的工作状态，可以应用于无电池储能与带有电池储能等各种小功率供电系统，提高了户外终端系统的稳定性，大大减少了工作人员的维护量。

Description

小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法及系统

技术领域

本公开涉及供电电源技术领域，尤其涉及一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法和系统。

背景技术

目前一些设置在户外的各种监控终端、电网终端或物联网终端等，往往现场没有电网直接提供的能源可用，而是需要采取其他手段获得能源，比如太阳能电池板发电、高压电力线路的PT或CT感应取电、高压电容取电等。这些取电源往往能够提供的功率比较低，或者提供的功率稳定性不强，对一些需要短时或瞬态大负载的地方往往难以为力，或者在不稳定期的低功率区间是无法使终端正常工作，比如在高压电力线路的终端位置需要分合开关的操作、物联网领域需要驱动一些装置动作等。

针对户外设置的设备，通常采用电池作为能量储能源，达到能正常支持负载使用的目的，在功率要求较高的场合，电池必须足够大的容量才能提供足够的功率，大容量的电池需要充入的电压也非常多。对上述户外的取电模式而言，电池的充电时间过长，难以做到及时性的驱动负载，另外电池的寿命不长，低温下衰减过大，对电网诸多配电终端与物联网超多的端点而言，维护量是个非常棘手的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提出了一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法和系统，已解决现有技术中的在户外为负载供电的电池的充电时间过长，且维护工作过多的问题。

为实现本发明目的提供的一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，包括：

实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压；

判断所述第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；

或，在未检测到所述供电信号时获取所述超级电容组的第二电压；

判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电。在一种可能的实现方式中，所述根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电，包括：

在所述第一电压满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为外部负载供电；

在所述第一电压不满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制取能电源为储能电池组供电；

所述取能电源与所述负载电连接；

还包括第一电压检测单元、电压补充驱动单元、第二电压检测单元和工作控制电路；

所述第二电压检测单元的输入端与所述超级电容组电连接，所述第二电压检测单元的输出端与所述工作控制电路的输入端电连接；

所述第一电压检测单元包括第一电压检测电路、三极管Q1、防反串二极管D1和继电器K1；所述电压补充驱动单元包括二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R1、三极管Q2、PWM驱动电路、晶体管Q3、电流检测电路、输出反馈电路、电流反馈电路和互感器L；

其中，所述第一电压检测电路的输入端与所述超级电容组的正极电连接，所述第一电压检测电路的输出端与所述三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与所述继电器K1的线圈的输入端电连接，所述三极管Q1的发射极接地；

所述继电器K1的线圈的输出端与所述电压补充驱动单元的输入端电连接，所述继电器K1的触点的一端与所述取能电源电连接，所述继电器K1的触点的另一端与所述储能电池组电连接；

所述防反串二极管D1与所述继电器K1的线圈并联，所述防反串二级管D1的阳极与所述三极管Q1的集电极电连接，所述防反串二极管D1的阴极和所述继电器K1的线圈的输出端电连接；所述电压补充驱动单元的输出端与所述超级电容组电连接；

所述互感器L的输入端与所述储能电池组的输出端电连接，所述互感器L的输出端与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D3的阳极电连接，所述二极管D3的阴极与所述超级电容组的正极、负载均电连接；

所述三极管Q2的基极与工作控制电路电连接，所述三极管Q2的发射极与所述负载电连接，所述三极管Q2的集电极与所述PWM驱动电路的输入端电连接；

所述晶体管Q3的漏极与所述互感器的输入端电连接，所述晶体管Q3的源极与所述电流检测电路的输入端、所述PWM驱动电路并联，所述晶体管Q3的栅极与所述PWM驱动电路的输出端电连接；

所述输出反馈电路的输入端与所述二极管D2的阴极电连接所述输出反馈电路的输出端与所述二极管D4的阳极电连接，所述二极管D4的阴极与所述PWM驱动电路电连接；

所述电流反馈电路并联在所述电阻R1上，所述二极管D5的阳极与所述电流反馈电路的输出端电连接，所述二极管D5的阴极与所述PWM驱动电路的输入端电连接。

在一种可能的实现方式中，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，控制储能电池组为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制储能电池组为外部负载供电。

在一种可能的实现方式中，在获取所述超级电容组的第二电压之后，所述方法还包括：获取储能电池组的电压；

相应的，判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件得到第一判断结果，判断所述储能电池组的电压是否满足低电压条件得到第二判断结果；

根据所述第一判断结果和所述第二判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电。

在一种可能的实现方式中，根据所述第一判断结果和所述第二判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，且所述储能电池组的电压不满足低电压条件时，控制储能电池组为所述超级电容组供电，并在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制储能电池组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，且所述储能电池组的电压满足低电压条件时关断所述储能电池组，并向预设终端发送报警信号。

本发明还提供了一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，包括：控制模块、超级电容组和储能电池组；所述控制模块适于与取能电源连接，还与超级电容组和储能电池组均连接；所述超级电容组和储能电池组均适于与取能电源连接；

所述控制模块用于实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断所述第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；

所述控制模块还用于在未检测到所述供电信号时获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电；

所述控制模块包括第一电压检测单元、电压补充驱动单元、第二电压检测单元和工作控制电路，所述第二电压检测单元的输入端与所述超级电容组电连接，所述第二电压检测单元的输出端与所述工作控制电路的输入端电连接；

所述第一电压检测单元内设有第一电压检测电路、三极管Q1、防反串二极管D1和继电器K1；

所述电压补充驱动单元内设有二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R1、三极管Q2、PWM驱动电路、晶体管Q3、电流检测电路、输出反馈电路、电流反馈电路和互感器L；

其中，所述第一电压检测电路的输入端与所述超级电容组的正极电连接，所述第一电压检测电路的输出端与所述三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与所述继电器K1的线圈的输入端电连接，所述三极管Q1的发射极接地；

所述继电器K1的线圈的输出端与所述电压补充驱动单元的输入端电连接，所述继电器K1的触点的一端与所述取能电源电连接，所述继电器K1的触点的另一端与所述储能电池组电连接；

所述防反串二极管D1与所述继电器K1的线圈并联，所述防反串二级管D1的阳极与所述三极管Q1的集电极电连接，所述防反串二极管D1的阴极和所述继电器K1的线圈的输出端电连接；

所述电压补充驱动单元的输出端与所述超级电容组电连接；

所述互感器L的输入端与所述储能电池组的输出端电连接，所述互感器L的输出端与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D3的阳极电连接，所述二极管D3的阴极与所述超级电容组的正极、负载均电连接；

所述三极管Q2的基极与工作控制电路电连接，所述三极管Q2的发射极与所述负载电连接，所述三极管Q2的集电极与所述PWM驱动电路的输入端电连接；

所述晶体管Q3的漏极与所述互感器的输入端电连接，所述晶体管Q3的源极与所述电流检测电路的输入端、所述PWM驱动电路并联，所述晶体管Q3的栅极与所述PWM驱动电路的输出端电连接；

所述输出反馈电路的输入端与所述二极管D2的阴极电连接所述输出反馈电路的输出端与所述二极管D4的阳极电连接，所述二极管D4的阴极与所述PWM驱动电路电连接；

所述电流反馈电路并联在所述电阻R1上，所述二极管D5的阳极与所述电流反馈电路的输出端电连接，所述二极管D5的阴极与所述PWM驱动电路的输入端电连接。

在一种可能的实现方式中，所述控制模块包括：所述第一电压检测单元与取能电源和所述超级电容组均连接；所述第二电压检测单元与所述超级电容组和所述电压补充驱动单元均连接；所述电压补充驱动单元与所述储能电池组连接；

所述第一电压检测单元用于实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；

在所述第一电压检测单元未检测到所述供电信号时，所述第二电压检测单元用于获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果向所述电压补充驱动单元发送驱动信号；

所述电压补充驱动单元用于根据所述驱动信号控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电。

在一种可能的实现方式中，所述控制模块包括还包括：欠压保护单元；所述欠压保护单元与所述电压补充驱动单元和所述储能电池组均连接；

所述欠压保护单元用于检测储能电池组的电压，在储能电池组的电压满足低电压条件时关断所述储能电池组，并向预设终端发送报警信号。

在一种可能的实现方式中，所述第一电压检测单元具体用于：

实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件；

在所述第一电压满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为外部负载供电；

在所述第一电压不满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制取能电源为储能电池组供电。

在一种可能的实现方式中，所述第二电压检测单元具体用于：

获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件；

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，向所述电压补充驱动单元发送驱动信号。

在一种可能的实现方式中，所述控制模块还包括：欠压保护单元；所述欠压保护单元与所述电压补充驱动单元和所述储能电池组均连接；

所述欠压保护单元用于检测储能电池组的电压，在储能电池组的电压满足低电压条件时关断所述储能电池组，并向预设终端发送报警信号。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法及系统中，采用超级电容组作为功率放大储能源，适用于短时大功率负载等器件的启动：而且取能电源或不稳定能量的电源先为超级电容组充电，在断电情况下，用预备的储能电池组为超级电容组充电，保证供电系统始终处于可以启动大功率负载的状态，同时超级电容组充电时间短，使用寿命长，可以应用于无电池储能与带有电池储能等各种供电系统，提高了户外终端系统的稳定性，大大减少了工作人员的维护量。

附图说明

图1为本发明一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法的一具体实现流程图；

图2为图1中步骤S105的一具体实现流程图；

图3为本发明一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统的一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法的具体实现流程图。如图1所示，该小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法包括：

步骤S101，实时检测取能电源的供电信号。

目前一些设置在户外的各种监控终端、电网终端或物联网终端等，往往现场没有电网直接提供的能源可用，而是需要采取其他手段获得能源，比如太阳能电池板发电、高压电力线路的PT(电压互感器)或CT(电流互感器)感应取电、高压电容取电与其他电子取电模等。这些取电模式往往能够提供的功率比较低，或者提供的功率稳定性不强，对一些需要短时或瞬态大负载的地方往往难以为力，或者在不稳定期的低功率区间是无法使终端正常工作，比如在高压电力线路的终端位置需要分合开关的操作、物联网领域需要驱动一些装置动作等，小功率是难以满足动作直接驱动的功率需求的。

针对户外设置的设备，通常采用电池作为能量储能源，将取得的能量首先储存在电池中，通过传统转换电路向负载供能，达到正常支持负载使用的目的，在功率要求较高的场合，电池必须足够大的容量才能提供足够的功率，大容量的电池需要充入的电压也非常多。对上述户外的取电模式而言，电池的充电时间过长，难以做到及时性的驱动负载，另外电池的寿命不长，低温下衰减过大，对电网诸多配电终端与物联网超多的端点而言，维护量是个非常棘手的问题。本发明针对上述问题提供了一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，解决户外为负载供电的电池的充电时间过长，且维护工作过多等的问题。

本实施例实时检测取能电源的供电信号，即先确定小功率取能源或不稳定电源是否有电，例如太阳能电池板是否有电压输出、高压电力线路的PT或CT是否有电压输出等。可选的，本实施例还可以以预设的时间间隔检测取能电源的供电信号，或定时检测取能电源的供电信号，例如对于太阳能电池板的取电模式，可以定时在正午时检测取能电源的供电信号，以及在太阳落山之后检测取能电源的供电信号，这样大大减少了系统功耗。

步骤S102，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压。

步骤S103，判断所述第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电。

当确定太阳能电池板、高压电力线路的PT或CT等小功率取能源或不稳定电源有电压输出时，先判断超级电容组是否充满电，如果没有充满则控制取能电源或不稳定电源先向功率型超级电容组充电，同时为外部负载供电，终端系统中有储能电池组储能情况时，在满足负载正常供电同时超级电容组充满情况下，多余的电量给储能电池组充电，即保证超级电容组有电，方便大功率需求负载的驱动，保证系统稳定性。

可选的，本实施例还可以实时记录检测到所述供电信号的时间，分析全天候的取能电源或不稳定电源有电时间，在其有电时间段内先快速为超级电容组充电，保证超级电容组始终有电，方便大功率需求负载的驱动。

或，步骤S104，在未检测到所述供电信号时获取超级电容组的第二电压。

步骤S105，判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电。

当确定太阳能电池板、高压电力线路的PT或CT等小功率取能源或不稳定电源没有电压输出时，先确定超级电容组是否有电，通过储能电池组向超级电容组充电，同时为外部负载供电，节约充电时间，保证超级电容组始终有电，方便大功率需求负载的驱动，减少工作人员的维修量，保证系统稳定性。

在获取超级电容组200的第一电压时还包括第一电压检测单元110，在获取超级电容的第二电压时还包括电压补充驱动单元130、第二电压检测单元120和工作控制电路，第二电压检测单元120的输入端与超级电容组200电连接，第二电压检测单元120的输出端与工作控制电路的输入端电连接；

第一电压检测单元110包括第一电压检测电路、三极管Q1、防反串二极管D1和继电器K1；电压补充驱动单元130包括二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R1、三极管Q2、PWM驱动电路、晶体管Q3、电流检测电路、输出反馈电路、电流反馈电路和互感器L；

其中，第一电压检测电路的输入端与超级电容组200的正极电连接，第一电压检测电路的输出端与三极管Q1的基极电连接，三极管Q1的集电极与继电器K1的线圈的输入端电连接，三极管Q1的发射极接地；

继电器K1的线圈的输出端与电压补充驱动单元130的输入端电连接，继电器K1的触点的一端与取能电源电连接，继电器K1的触点的另一端与储能电池组电连接；

防反串二极管D1与继电器K1的线圈并联，防反串二级管D1的阳极与三极管Q1的集电极电连接，防反串二极管D1的阴极和继电器K1的线圈的输出端电连接；电压补充驱动单元130的输出端与超级电容组200电连接；

互感器L的输入端与储能电池组的输出端电连接，互感器L的输出端与二极管D2的阳极电连接，二极管D2的阴极与电阻R1的一端电连接，电阻R1的另一端与二极管D3的阳极电连接，二极管D3的阴极与超级电容组200的正极、负载均电连接；

三极管Q2的基极与工作控制电路电连接，三极管Q2的发射极与负载电连接，三极管Q2的集电极与PWM驱动电路的输入端电连接；

晶体管Q3的漏极与互感器的输入端电连接，晶体管Q3的源极与电流检测电路的输入端、PWM驱动电路并联，晶体管Q3的栅极与PWM驱动电路的输出端电连接；

输出反馈电路的输入端与二极管D2的阴极电连接输出反馈电路的输出端与二极管D4的阳极电连接，二极管D4的阴极与PWM驱动电路电连接；

电流反馈电路并联在电阻R1上，二极管D5的阳极与电流反馈电路的输出端电连接，二极管D5的阴极与PWM驱动电路的输入端电连接。

本发明采用超级电容组作为功率放大源，利用超级电容组的储备小电量即可输出大功率特性，并在小功率电源或不稳定电源有电时先为超级电容组充满，在小功率电源或不稳定电源没有电时储能电池组先为超级电容组充满，超级电容组可将短时大功率负载进行启动，从而启动整个负载开始正常工作，本发明可以应用于无电池储能与带有电池储能等各种终端，所适应的负载往往有短时的较大功率输出而长期为小功率使用，比如小信号采集与通信单元的组合，视频监控与云台控制或报警信号上传等负载。

在一种可能的实现方式中，步骤103中根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电的具体实现流程包括：

在所述第一电压满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为外部负载供电。

在所述第一电压不满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制取能电源为储能电池组供电。

可选的，所述第一预设电压条件可以是超级电容组可以启动大功率负载的最低电压值。当确定太阳能电池板、高压电力线路的PT或CT等小功率取能源或不稳定电源有电压输出时，先判断超级电容组的电压是否可以启动大功率负载，如果能启动大功率负载，取能电源为外部负载供电，如果不能启动大功率负载则取能电源或不稳定电源先向功率型超级电容组充电，在超级电容组满电情况下为储能电池组供电，同时为外部负载供电，保证了超级电容组始终有电，进一步保证储能电池组有电，方便大功率需求负载的驱动，保证系统稳定性。

可选的，所述第一预设电压条件可以是超级电容组的最低电压值。当确定太阳能电池板、高压电力线路的PT或CT等小功率取能源或不稳定电源有电压输出时，先判断超级电容组的电压是否大于规定的最低电压值，如果大于取能电源为外部负载供电，如果不大于则取能电源或不稳定电源先向功率型超级电容组充电。

可选的，所述第一预设电压条件可以是超级电容组的可接收的最大电压值，即超级电容组充满电时的电压。当确定太阳能电池板、高压电力线路的PT或CT等小功率取能源或不稳定电源有电压输出时，先判断超级电容组是否充满电，如果满电则取能电源为外部负载供电，如果没充满则取能电源或不稳定电源先向功率型超级电容组充电。

在一种可能的实现方式中，步骤S105中根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电的具体实施流程包括：

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，控制储能电池组为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制储能电池组为外部负载供电。

当确定太阳能电池板、高压电力线路的PT或CT等小功率取能源或不稳定电源没电时，先判断超级电容组是否有电，如果有电，超级电容组为外部负载供电，如果超级电容组的电压不满足第一预设电压条件时，则储能电池组为所述超级电容组供电，在超级电容组满电情况下为外部负载供电，保证了超级电容组始终有电，进一步保证储能电池组有电，方便大功率需求负载的驱动，保证系统稳定性。

在一种可能的实现方式中，在获取所述超级电容组的第二电压之后，所述方法还包括：获取储能电池组的电压；

相应的，参见图2，判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

步骤S201，判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件得到第一判断结果，判断所述储能电池组的电压是否满足低电压条件得到第二判断结果。

步骤S202，根据所述第一判断结果和所述第二判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电。

为了保证整体供电系统的储能源均有电，维持终端系统的稳定运行，本实施例还检测储能电池组的电压，根据超级电容组的电压和储能电池组的电压确定充电情况。

进一步的，步骤S202中的根据所述第一判断结果和所述第二判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电的具体实现流程包括：

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电。

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，且所述储能电池组的电压不满足低电压条件时，控制储能电池组为所述超级电容组供电，并在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制储能电池组为外部负载供电。

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，且所述储能电池组的电压满足低电压条件时关断所述储能电池组，并向预设终端发送报警信号。

在取电电源没有输出或取能不足时，超级电容组为外部负载供电，电量减少，第二电压减少到设定的低端阈值(第一预设电压条件)时，检测储能电池组的电压，在储能电池组有电情况下，取储能电池组里的电能向外部负载和超级电容组供电；若储能电池组没电，则发送低电量报警信号，同时可关断储能电池组，防止电池电量过低损坏电池，进一步可以减少工作人员的维修量。

示例性的，电力配电网终端采用电容式电子取能装置，在高压线路有电情况下，通过采用高压电容方式取能，该取能方式往往取得的电量功率较小，可提供出24V 20W直流功率，系统还配置24V 12Ah蓄电池组。在原有模式下，如果是现场实际使用过一段时间的蓄电池组，降低到其储能量的50％以下时，已经无法驱动开关正常工作；如果气温低于零度，蓄电池的大功率驱动能力还有进一步减弱，80％储能量也难以驱动开关正常工作；当气温低于-20℃下时，蓄电池已难以驱动开关工作。在常温情况下，如果需要将蓄电池达到驱动开关工作，在能量源仅能提供20W情况下，由于电池充电效率相对也低，补充10％的能量即超过2小时，补充50％能量会超过10小时，在低温情况下就更显得不可控，这样会导致负载装置迟迟不能进入正常工作。

所以本实施例可以在终端配置27V 10F高功率超级电容组，并结合本实施例的供电方法，取能电源可以通过电池充电电路给电池组充电，取能电源可以通过24V直流超级电容充电回路给高功率超级电容组充电，使超级电容组可以向需要短时大功率启动功耗的高压开关与较低运行功耗的配电终端供电，充电速度快，可适用于低温环境，大大减少维修量。

首先在检测到取能电源的供电信号时，取能电源可以通过24V直流超级电容充电回路给高功率超级电容组充电，高功率超级电容组在1.5到2分钟内即可充至24V(满足第一预设电压条件)，此时打开外部负载使取能电源为其供电，即向智能终端单元与通讯供电，并可利用超级电容的高功率输出特性，顺利驱动需要高功率的高压开关动作(10s 10A或100ms 20A)；满足负荷要求同时检测到超级电容充满后，即可向蓄电池组充电。

如果检测不到取能电源的供电信号，此时若蓄电池组内有电量，蓄电池会向超级电容组补电，超级电容组将一直处于饱和状态，在任何时候都可以投入正常工作。该过程在-40℃以上均可以正常进行工作，甚至更低温度。

上述小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，采用超级电容组作为功率放大储能源，适用于短时大功率负载等器件的启动：而且取能电源或不稳定能量的电源先为超级电容组充电，在断电情况下，用预备的储能电池组为超级电容组充电，保证供电系统始终处于可以启动大功率负载的状态，同时超级电容组充电时间短，使用寿命长，可以应用于无电池储能与带有电池储能等各种供电系统，提高了户外终端系统的稳定性，大大减少了工作人员的维护量。

图3示出根据本公开一实施例的一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统的结构示意图。如图3所示，该小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统包括：控制模块100、超级电容组200和储能电池组300；控制模块100适于与取能电源连接，还与超级电容组200和储能电池组300均连接；超级电容组200和储能电池组300均适于与取能电源连接。

控制模块100实时检测取能电源的供电信号，在检测到供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为超级电容组200或储能电池组300供电。

控制模块100在未检测到供电信号时获取超级电容组200的第二电压，并判断第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组300为超级电容组供电200和外部负载供电。在一种可能的实现方式中，超级电容组200可以包括超级电容、超级电容充电回路和超级电容放电回路，储能电池组300可以包括蓄电池组、电池充电回路和电池放电回路等，本实施例对超级电容充电回路、超级电容放电回路、电池充电回路和电池放电回路均不进行具体限定。

如图3所示，控制模块100包括第一电压检测单元110、电压补充驱动单元130、第二电压检测单元120和工作控制电路，第二电压检测单元120的输入端与超级电容组200电连接，第二电压检测单元120的输出端与工作控制电路的输入端电连接；

第一电压检测单元110内设有第一电压检测电路、三极管Q1、防反串二极管D1和继电器K1；

电压补充驱动单元130内设有二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R1、三极管Q2、PWM驱动电路、晶体管Q3、电流检测电路、输出反馈电路、电流反馈电路和互感器L；

其中，第一电压检测电路的输入端与超级电容组200的正极电连接，第一电压检测电路的输出端与三极管Q1的基极电连接，三极管Q1的集电极与继电器K1的线圈的输入端电连接，三极管Q1的发射极接地；

继电器K1的线圈的输出端与电压补充驱动单元130的输入端电连接，继电器K1的触点的一端与取能电源电连接，继电器K1的触点的另一端与储能电池组电连接；

防反串二极管D1与继电器K1的线圈并联，防反串二级管D1的阳极与三极管Q1的集电极电连接，防反串二极管D1的阴极和继电器K1的线圈的输出端电连接；

电压补充驱动单元130的输出端与超级电容组200电连接；

互感器L的输入端与储能电池组的输出端电连接，互感器L的输出端与二极管D2的阳极电连接，二极管D2的阴极与电阻R1的一端电连接，电阻R1的另一端与二极管D3的阳极电连接，二极管D3的阴极与超级电容组200的正极、负载均电连接；

三极管Q2的基极与工作控制电路电连接，三极管Q2的发射极与负载电连接，三极管Q2的集电极与PWM驱动电路的输入端电连接；

晶体管Q3的漏极与互感器的输入端电连接，晶体管Q3的源极与电流检测电路的输入端、PWM驱动电路并联，晶体管Q3的栅极与PWM驱动电路的输出端电连接；

输出反馈电路的输入端与二极管D2的阴极电连接输出反馈电路的输出端与二极管D4的阳极电连接，二极管D4的阴极与PWM驱动电路电连接；

电流反馈电路并联在电阻R1上，二极管D5的阳极与电流反馈电路的输出端电连接，二极管D5的阴极与PWM驱动电路的输入端电连接。

在一种可能的实现方式中，第一电压检测单元110与取能电源和超级电容组200均连接；第二电压检测单元120与超级电容组200和电压补充驱动单元130均连接；电压补充驱动单元130与储能电池组300连接。

第一电压检测单元110实时检测取能电源的供电信号，在检测到供电信号时获取超级电容组200的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为超级电容组200或储能电池组300供电。

在第一电压检测单元110未检测到供电信号时，第二电压检测单元120获取超级电容组200的第二电压，并判断第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果向电压补充驱动单元130发送驱动信号。

电压补充驱动单元130根据驱动信号控制储能电池组300为超级电容组200供电和外部负载供电。

在一种可能的实现方式中，第一电压检测单元110具体可以用于：

实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件。

在所述第一电压满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为外部负载供电。

在所述第一电压不满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制取能电源为储能电池组供电。

在一种可能的实现方式中，第二电压检测单元具体可以用于：

获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件。

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电。

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，向所述电压补充驱动单元发送驱动信号。

在一种可能的实现方式中，控制模块100包括还包括：欠压保护单元140；欠压保护单元140与电压补充驱动单元130和储能电池组300均连接。

欠压保护单元140实时检测储能电池组300的电压，在储能电池组300的电压满足低电压条件时关断储能电池组300，并向预设终端发送报警信号。

可选的，第二电压检测单元120与三极管Q2之间或欠压保护单元140与三极管Q2之间还包括控制电路，控制电路接收第二电压检测单元120的驱动信号，并控制电压补充驱动单元130启动，或接收欠压保护单元140的驱动信号，并控制电压补充驱动单元130关断。

具体的，首先第一电压检测单元110实时检测取能电源的供电信号，在检测到供电信号时获取超级电容组200的第一电压，在第一电压不满足第一预设电压条件时控制取能电源为超级电容组200供电，当第一电压检测单元110检测到超级电容组200的电压接近充满时，第一电压检测电路输出高电平驱动三极管Q1导通，此时继电器K1的触点闭合，取能电源可以对储能电池组300进行补充电量，同时为外部负载供电。

在第一电压检测单元110未检测到供电信号时，先由超级电容组200向负载供电，第二电压检测单元120获取超级电容组200的第二电压，在第二电压不满足第一预设电压条件时，驱动工作控制电路启动电压补充驱动单元130，由储能电池组300给超级电容组200补充电量，保证超级电容组200一直处于接近满电量状态。

另外，在欠压保护单元140检测到储能电池组300的电压，在储能电池组300的电压到达低电压条件时输出控制信号关断电压补充驱动单元130，并向预设终端发送报警信号，储能电池组300停止向负载继续供电。该设计也可用于具有其他功率来源包括大功率能量来源端的应用场合。

上述的储能电池组300也可以是其他储能器件或系统，如超级电容或飞轮储能等。上述取电电源可以是网电、太阳能电池板、电流互感器感应取电、电压互感器感应取电或电容式分压取电等等，并不限于此的各种取电供能模式。

上述小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，结构简单，控制简便，维护方便；采用超级电容组200作为功率放大储能源，适用于短时大功率负载等器件的启动：而且小功率电源或不稳定能量的电源先为超级电容组200充电，在断电情况下，用预备的储能电池组300为超级电容组充电200，保证供电系统始终处于可以启动大功率负载的状态，同时超级电容组200充电时间短，使用寿命长，可以应用于无电池储能与带有电池储能等各种供电系统，提高了户外终端系统的稳定性，大大减少了工作人员的维护量。

需要说明的是，尽管以图1至图3作为示例介绍了小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法和系统，如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定实现过程，只要实现相应效果即可。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，其特征在于，包括：

通过控制模块实时检测取能电源的供电信号；

在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压；

判断所述第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；

或，在未检测到所述供电信号时获取所述超级电容组的第二电压；

判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电；

所述取能电源与所述负载电连接；

所述控制模块还包括第一电压检测单元、电压补充驱动单元、第二电压检测单元和工作控制电路；

所述第二电压检测单元的输入端与所述超级电容组电连接，所述第二电压检测单元的输出端与所述工作控制电路的输入端电连接；

所述第一电压检测单元包括第一电压检测电路、三极管Q1、防反串二极管D1和继电器K1；所述电压补充驱动单元包括二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R1、三极管Q2、PWM驱动电路、晶体管Q3、电流检测电路、输出反馈电路、电流反馈电路和互感器L；

其中，所述第一电压检测电路的输入端与所述超级电容组的正极电连接，所述第一电压检测电路的输出端与所述三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与所述继电器K1的线圈的输入端电连接，所述三极管Q1的发射极接地；

所述继电器K1的线圈的输出端与所述电压补充驱动单元的输入端电连接，所述继电器K1的触点的一端与所述取能电源电连接，所述继电器K1的触点的另一端与所述储能电池组电连接；

所述防反串二极管D1与所述继电器K1的线圈并联，所述防反串二级管D1的阳极与所述三极管Q1的集电极电连接，所述防反串二极管D1的阴极和所述继电器K1的线圈的输出端电连接；所述电压补充驱动单元的输出端与所述超级电容组电连接；

所述互感器L的输入端与所述储能电池组的输出端电连接，所述互感器L的输出端与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D3的阳极电连接，所述二极管D3的阴极与所述超级电容组的正极、负载均电连接；

所述三极管Q2的基极与工作控制电路电连接，所述三极管Q2的发射极与所述负载电连接，所述三极管Q2的集电极与所述PWM驱动电路的输入端电连接；

所述晶体管Q3的漏极与所述互感器的输入端电连接，所述晶体管Q3的源极与所述电流检测电路的输入端、所述PWM驱动电路并联，所述晶体管Q3的栅极与所述PWM驱动电路的输出端电连接；

所述输出反馈电路的输入端与所述二极管D2的阴极电连接所述输出反馈电路的输出端与所述二极管D4的阳极电连接，所述二极管D4的阴极与所述PWM驱动电路电连接；

所述电流反馈电路并联在所述电阻R1上，所述二极管D5的阳极与所述电流反馈电路的输出端电连接，所述二极管D5的阴极与所述PWM驱动电路的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，其特征在于，所述根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电，包括：

在所述第一电压满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为外部负载供电；

在所述第一电压不满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制取能电源为储能电池组供电。

3.根据权利要求1所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，其特征在于，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，控制储能电池组为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制储能电池组为外部负载供电。

4.根据权利要求1至3任一项所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，其特征在于，在获取所述超级电容组的第二电压之后，所述方法还包括：获取储能电池组的电压；

相应的，判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件得到第一判断结果，判断所述储能电池组的电压是否满足低电压条件得到第二判断结果；

根据所述第一判断结果和所述第二判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电。

5.根据权利要求4所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源的方法，其特征在于，根据所述第一判断结果和所述第二判断结果控制储能电池组为所述超级电容组和外部负载供电，包括：

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，且所述储能电池组的电压不满足低电压条件时，控制储能电池组为所述超级电容组供电，并在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制储能电池组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，且所述储能电池组的电压满足低电压条件时关断所述储能电池组，并向预设终端发送报警信号。

6.一种小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，其特征在于，包括：控制模块、超级电容组和储能电池组；所述控制模块适于与取能电源连接，还与超级电容组和储能电池组均连接；所述超级电容组和储能电池组均适于与取能电源连接；

所述控制模块用于实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断所述第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；

所述控制模块还用于在未检测到所述供电信号时获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电；

所述控制模块包括第一电压检测单元、电压补充驱动单元、第二电压检测单元和工作控制电路，所述第二电压检测单元的输入端与所述超级电容组电连接，所述第二电压检测单元的输出端与所述工作控制电路的输入端电连接；

所述第一电压检测单元内设有第一电压检测电路、三极管Q1、防反串二极管D1和继电器K1；

所述电压补充驱动单元内设有二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电阻R1、三极管Q2、PWM驱动电路、晶体管Q3、电流检测电路、输出反馈电路、电流反馈电路和互感器L；

其中，所述第一电压检测电路的输入端与所述超级电容组的正极电连接，所述第一电压检测电路的输出端与所述三极管Q1的基极电连接，所述三极管Q1的集电极与所述继电器K1的线圈的输入端电连接，所述三极管Q1的发射极接地；

所述继电器K1的线圈的输出端与所述电压补充驱动单元的输入端电连接，所述继电器K1的触点的一端与所述取能电源电连接，所述继电器K1的触点的另一端与所述储能电池组电连接；

所述防反串二极管D1与所述继电器K1的线圈并联，所述防反串二级管D1的阳极与所述三极管Q1的集电极电连接，所述防反串二极管D1的阴极和所述继电器K1的线圈的输出端电连接；

所述电压补充驱动单元的输出端与所述超级电容组电连接；

所述互感器L的输入端与所述储能电池组的输出端电连接，所述互感器L的输出端与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与所述二极管D3的阳极电连接，所述二极管D3的阴极与所述超级电容组的正极、负载均电连接；

所述三极管Q2的基极与工作控制电路电连接，所述三极管Q2的发射极与所述负载电连接，所述三极管Q2的集电极与所述PWM驱动电路的输入端电连接；

所述晶体管Q3的漏极与所述互感器的输入端电连接，所述晶体管Q3的源极与所述电流检测电路的输入端、所述PWM驱动电路并联，所述晶体管Q3的栅极与所述PWM驱动电路的输出端电连接；

所述输出反馈电路的输入端与所述二极管D2的阴极电连接所述输出反馈电路的输出端与所述二极管D4的阳极电连接，所述二极管D4的阴极与所述PWM驱动电路电连接；

所述电流反馈电路并联在所述电阻R1上，所述二极管D5的阳极与所述电流反馈电路的输出端电连接，所述二极管D5的阴极与所述PWM驱动电路的输入端电连接。

7.根据权利要求6所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，其特征在于，所述第一电压检测单元与取能电源和所述超级电容组均连接；所述第二电压检测单元与所述超级电容组和所述电压补充驱动单元均连接；所述电压补充驱动单元与所述储能电池组连接；

所述第一电压检测单元用于实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果控制取能电源为所述超级电容组或储能电池组供电；

在所述第一电压检测单元未检测到所述供电信号时，所述第二电压检测单元用于获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件，根据判断结果向所述电压补充驱动单元发送驱动信号；

所述电压补充驱动单元用于根据所述驱动信号控制储能电池组为所述超级电容组供电和外部负载供电。

8.根据权利要求7所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，其特征在于，所述第一电压检测单元具体用于：

实时检测取能电源的供电信号，在检测到所述供电信号时获取超级电容组的第一电压，并判断第一电压是否满足第一预设电压条件；

在所述第一电压满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为外部负载供电；

在所述第一电压不满足所述第一预设电压条件时，控制取能电源为所述超级电容组供电，在所述超级电容组的电压达到最高电压值时控制取能电源为储能电池组供电。

9.根据权利要求7所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，其特征在于，所述第二电压检测单元具体用于：

获取所述超级电容组的第二电压，并判断所述第二电压是否满足第一预设电压条件；

在所述第二电压满足所述第一预设电压条件时，控制所述超级电容组为外部负载供电；

在所述第二电压不满足所述第一预设电压条件时，向所述电压补充驱动单元发送驱动信号。

10.根据权利要求6至9任一项所述的小功率供能的短时大功率负载快速启动电源系统，其特征在于，所述控制模块还包括：欠压保护单元；所述欠压保护单元与所述电压补充驱动单元和所述储能电池组均连接；

所述欠压保护单元用于检测储能电池组的电压，在储能电池组的电压满足低电压条件时关断所述储能电池组，并向预设终端发送报警信号。

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