CN112350411A - 一种超级电容充放电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明电容充放电技术领域，尤其涉及一种超级电容充放电系统及方法，该充放电系统包括供电电源、MCU、充电电容、充电回路、放电回路和负载接入放电回路，能够实时检测充电电源电压、以及充电电容的充电电压和充电电流，并且通过MCU的PWM接口以PID方式控制充电电流，通过设置充电电源电压阀值、充电电压阀值，切换不同的充电模式，如涓流充电模式、恒流充电模式、均压充电模式、恒压充电模式，根据不同的充电模式控制充电电流的大小，并且在接入负载放电时，通过设置MOS管进行导通，避免二极管压降造成发热问题，从而保证充放电过程的安全及稳定。

Description

一种超级电容充放电系统及方法

技术领域

本发明属于环保类电源充放电管理技术领域，特别涉及电容充放电技术领域，尤其涉及一种超级电容充放电系统及方法。

背景技术

与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器优势在于，功率密度高，可达102～104kW/kg，远高于蓄电池的功率密度水平；循环寿命长，在几秒钟的高速深度充放电循环50万次至100万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10％～20％；工作温限宽，由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大，因此其容量变化远小于蓄电池，商业化超级电容器的工作温度范围可达-40℃～+80℃；免维护，超级电容器充放电效率高，对过充电和过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电，在理论上是不需要进行维护的；绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害的化学物质，且自身寿命较长，因而是一种新型的绿色环保电源。

因此通过超级电容进行储能，现已经逐步被推广使用，其中法拉电容的功率密度高，电压小，很多应用上会串接法拉电容，但是会带来以下问题:

(1)充电电流高，一般的适配器会被拉到欠压，导致输出保护；

(2)串接带来了均压充电问题，若个别电容过充，则会影响电容器的寿命与品质问题；

(3)充放电使用二极管切换造成效率低，发热量大等一系列问题。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提出一种通过MCU控制法拉电容的充电电流，可以切换不同充电模式的充放电系统及方法，是通过如下技术方案实现的：

一种超级电容充放电系统，包括供电电源、MCU、充电电容、充电回路、放电回路和负载接入放电回路，

所述充电电容的正极与供电电源相连，所述充电电容的负极依次经电感、开关元件、电流采集电阻连接外接电源地，构成充电回路；

所述电流采集电阻经放大电路接入所述MCU的电流采集引脚，用于采集充电回路的电流值，所述MCU的PWM引脚与所述开关元件相连，用于控制充电回路的电流值，并且所述电感并联续流二极管；

所述充电电容的正极和负极分别经电压采集电阻接地，所述电压采集电阻接入MCU的电压采集引脚，用于采集所述充电电容的正极和负极的电压值，通过电压差值计量所述充电电容的充电电压；

所述放电回路包括泄流电阻和第一MOS管，所述充电电容正极还依次经泄流电阻、所述第一MOS管与所述充电电容的负极相连，所述第一MOS管的导通和截止由所述MCU的放电引脚控制；

所述负载接入放电回路包括运算放大器、放电续流二极管和第二MOS管，所述第二MOS管的源极和漏极与所述放电续流二极管的阳极和阴极相连，所述第二MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端相连，所述放电续流二极管的阳极一路与所述充电电容的正极相连，一路与所述运算放大器的反相输入端相连，所述放电续流二极管的阴极一路与外接电源地相连，一路与所述运算放大器的同相输入端相连。

进一步的，所述开关元件为第三MOS管，所述MCU的PWM引脚经低侧栅极驱动芯片与所述第三MOS管的栅极相连。

进一步的，所述放电电路还包括三极管，所述第一MOS管的栅极与所述三极管的集极相连，所述三极管的射极接地，所述三极管的基极接入所述MCU的放电引脚，并且所述第一MOS管的栅极接入稳压二极管。

进一步的，所所述供电电源经稳压芯片生成所述MCU的工作电源。

进一步的，所述充电电容的负极设置电容地。

进一步的，所述MCU还连接蓝牙模块。

一种超级电容充放电方法，其特征在于，应用上述任一所述法拉电容充放电系统，通过PID方式控制充电电流，包括以下步骤，

判断是否接入充电电源，若否，进行待机；若是，检测充电电源电压；

判断充电电源电压是否大于Vdcmax，若否，检测充电电容的电容电压，若是，返回待机，其中充电电容的电容电压包括单节充电电容的电容电压和整体充电电容的电容电压；

根据所述充电电压，进入不同的充电模式：

若整体充电电容的电容电压小于Vmin，开启涓流充电模式，若整体充电电容的电容电压大于或等于Vmin，开启恒流充电模式，其中Vmin定义为电容电压过低阀值；

若检测到任一单节充电电容的电容电压大于或等于Vcapmax，开启均压充电模式，其中充电电压大于或等于Vcapmax的单节充电电容定义为满电状态；

根据不同的充电模式，控制充电电流：

开启涓流充电模式，控制充电电流为I1；开启恒流充电模式，控制充电电流为Imax；

开启均压充电模式，控制充电电流为Imdm2，并且在释放电量后，任一单节充电电容均未达到满电状态时，控制充电电流为Imdm1。

进一步的，若带载能力不足，检测到充电电源电压拉低，进入恒压充电模式，恒定当前电压值进行充电。

进一步的，通过所述充电电容是否产生悬浮电压判断是否接入充电电源，若Vdc>Vrch+Vcap，判断接入充电电源，若Vdc≤Vrch+Vcap，判断接入充电电源，其中Vdc为充电电源电压，Vcap为整体充电电容的电容电压，Vrch为充电检测门限。

进一步的，通过蓝牙模块监测充电电容的实时参数。

本发明提供一种超级电容充放电系统及方法，该发明的有益效果为：能够实时检测充电电源电压、以及充电电容的充电电压和充电电流，并且通过MCU的PWM接口以PID方式控制充电电流，通过设置充电电源电压阀值、充电电压阀值，切换不同的充电模式，如涓流充电模式、恒流充电模式、均压充电模式、恒压充电模式，根据不同的充电模式控制充电电流的大小，并且在接入负载放电时，通过设置MOS管进行导通，避免二极管压降造成发热问题，从而保证充放电过程的安全及稳定。

附图说明

图1为本发明在一实施例中充放电系统MCU的电路图；

图2为本发明在一实施例中充放电系统稳压芯片的电路图；

图3为本发明在一实施例中充放电系统串联若干充电电容的电路图；

图4为本发明在一实施例中以单组充电电容的电路图；

图5为本发明在一实施例中充放电系统电流采集和控制电路图；

图6为本发明在一实施例中充放电方法的流程图；

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，所述的实施例仅为本发明一部分的实施例，这些实施例仅用于解释本发明，对本发明的范围并不构成任何限制。

一种超级电容充放电系统，供电电源通过充电回路，给若干串联在一起的充电电容进行充电，并且通过电流采集电路实时检测充电回路的充电电流，以及通过电压采集电路实时检测充电电容的电容电压，并通过MCU以PID方式控制充电电流。

在一实施例中，如说明书附图所示，采用型号为HC32F030J8T6的MCU，供电电源为5V-15V，以DCIN进行表示，第六电容C6、第十二电容C12、第二十电容C20、第二十五电容C25、第二十七电容C27表示串联在一起的五组充电电容。

其中供电电源通过稳压芯片为MCU以及电路中的电气元件提供工作电源，在该实施例中，采用型号为HT7533(图中U1表示)和型号HT 7550的双稳压芯片(图中U2表示)，供电电源经U2转为DC5V，DC5V再经U1转为DC3.3V。

下面以单组充电电容C27为例，对其充放电过程进行说明。第二十七电容C27的正极连接DCIN，其负极依次经第二电感L2、第二十MOS管Q20、电流采集电阻(并联在一起的第七十六电阻R76和第七十七电阻R77)连接外接电源地PGND，构成充电回路，充电时，第二十MOS管Q20导通。进一步的，充电回路还包括第九二极管D9，第九二极管D9的阳极接入第二电感L2和第二十MOS管Q20之间，其阴极与第二十七电容C27的正极相连，用于作为充电回路第二电感L2的续流二极管。进一步的，第二十七电容C27的负极还设置电容地CGND，即采用共DCIN端，浮地方式供电排除交流干扰。

其中MCU的电流采集引脚经放大器接入第二十MOS管Q20和电流采集电阻之间，用于采集充电回路的充电电流，在该实例中，第二十MOS管Q20采用N沟道MOS管，其源极与电流采集电阻相连，其漏极与第二电感L2相连，其栅极经低侧栅极驱动芯片与MCU的PWM引脚相连，通过电流占空比控制充电电流的大小，即以PID方式控制充电电流，此为本领域技术人员说熟知的技术手段，对其工作原理不做具体阐述。

第二十七电容C27的正极端和负极端均设置电压采集电路，通过两端的电压差，计算出第二十七电容C27的电容电压。具体的，第二十七电容C27的正极依次经第五十二电阻R52、第十三MOS管Q13、第五十四电阻R54接地GND，MCU的电压采集引脚接在第十三MOS管Q13和第五十四电阻R54之间，其中第十三MOS管Q13采用N沟道MOS管，其源极与第五十四电阻R54相连，其漏极与第五十二电阻R52相连，其栅极接入MCU的电压采集控制引脚；第二十七电容C27的负极依次经第十六MOS管Q16、第六十三电阻R63和第六十六电阻R66接地GND，MCU的电压采集引脚接在第六十三电阻R63和第六十六电阻R66之间，其中第十六MOS管Q16采用N沟道MOS管，其源极与第六十三电阻R63相连，其漏极与第二十七电容C27的负极相连，其栅极接入MCU的电压采集控制引脚。当MCU的电压采集控制引脚输出高电平时，第十三MOS管Q13和第十六MOS管Q16导通，通过第五十二电阻R52与第五十四电阻R54分压，第六十三电阻R63与第六十六电阻R66分压，获取第二十七电容C27正极和负极的电压值，其电压差值即为第二十七电容C27的电容电压。

当第二十七电容C27充满电时，通过放电回路自行放电。具体的，放电回路包括泄流电阻、第十五MOS管Q15和第十四三极管Q14，第十五MOS管Q15采用P沟道MOS管，其漏极与第二十七电容C27的负极相连，其源极经泄流电阻(并联的第五十五电阻R55、第五十七电阻R57、第五十八电阻R58、第六十电阻R60)与第二十七电容C27的正极相连，其栅极依次经第六十二电阻R62、第十四三极管Q14接地GND，并且其栅极与其源极之间还设置用于稳压的第二二极管D10，其中第十四三极管Q14的集极与第六十二电阻R62相连，其射极接地GND，其基极接入MCU的放电引脚。当第二十七电容C27充满电时，MCU的放电引脚输出高电平，使第十四三极管Q14打开，进而导通第十五MOS管Q15，通过旁路泄流电阻进行放电。

当在第二十七电容C27的正极与外接电源地PGND之间接入负载时，第二十七电容C27经负载接入放电回路放电。负载接入放电回路包括第十一二极管D11(还包括并联的第十二二极管D12和十三二极管D13)、第十七MOS管Q17(还包括并联的第十八MOS管Q18和第二十一MOS管Q21)和运算放大器，其中第十七MOS管Q17为N沟道MOS管，其栅极与运算放大器的输出端相连，其源极与外接电源地PGND相连，其漏极与第二十七电容C27的正极相连，第十一二极管D11的阳极一路与外接电源地PGND相连，一路经第八十二电阻R82接入运算放大器的同相输入端，其阴极一路与第二十七电容C27的正极相连，一路经第七十五电阻R75接入运算放大器的反向输入端。当在第二十七电容C27的正极与外接电源地PGND之间接入负载RL时，由于第十一二极管D11、第十二二极管D12和十三二极管D13产生压降，使得运算放大器的同相输入端电平大于其反相输入端电平，从而运算放大器的输出端输出高电平，通过第十七MOS管Q17、第十八MOS管Q18和第二十一MOS管Q21导通，使得输出内阻降到最低，从而有效避免发热问题。

基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种超级电容充放电方法，应用上述法拉电容充放电系统，包括以下步骤：

判断是否接入充电电源，若否，进行待机；若是，检测充电电源电压，具体的，通过所述充电电容是否产生悬浮电压判断是否接入充电电源；

判断充电电源电压是否大于Vdcmax，若否，检测充电电容的电容电压，若是，返回待机，其中充电电容的电容电压包括单节充电电容的电容电压和整体充电电容的电容电压；

根据所述充电电压，进入不同的充电模式：若整体充电电容的电容电压小于Vmin，开启涓流充电模式，若整体充电电容的电容电压大于或等于Vmin，开启恒流充电模式，其中Vmin定义为电容电压过低阀值；若检测到任一单节充电电容的电容电压大于或等于Vcapmax，开启均压充电模式，其中充电电压大于或等于Vcapmax的单节充电电容定义为满电状态；

根据不同的充电模式，控制充电电流：开启涓流充电模式，控制充电电流为I1；开启恒流充电模式，控制充电电流为Imax；开启均压充电模式，控制充电电流为Imdm2，并且在释放电量后，任一单节充电电容均未达到满电状态时，控制充电电流为Imdm1。

在一实施例中，DCIN为15V，Vmin设置为4V，I1设置为0.2A，Imax设置为3A，Vcapmax设置为2.5V，Imdm1设置为1A，Imdm2设置为0.2A，Vdcmax设置为16V。

初始化待机后，首先判断是否接入充电电源，当由充电电源接入时，充电电容产生悬浮电压，则若Vdc>Vrch+Vcap，判断接入充电电源，若Vdc≤Vrch+Vcap，判断接入充电电源，其中Vdc为充电电源电压，Vcap为整体充电电容的电容电压，Vrch为充电检测门限，在该实施例中设置Vrch为1V。

当判断接入充电电源后，进一步判断充电电源是否过大，若Vdc超过了16V，即断开第二十MOS管Q20，停止充电，并闪烁指示灯用于提示。

当确认充电电源未过压时，若整体充电电容的电容电压小于4V，开启涓流充电模式，控制充电电流为0.2A；若整体充电电容的电容电压大于或等于4V，开启恒流充电模式，控制充电电流为3A；若检测到任一单节充电电容的电容电压大于或等于2.5V，开启均压充电模式，控制充电电流为0.2A，当满电状态的充电电容经负载放电，退出满电状态时，控制充电电流为1A。另外，当负载过大，检测到充电电源电压拉低，进入恒压充电模式，恒定当前电压值进行充电。

进一步的，MCU还连接蓝牙模块，通过蓝牙模块能够实时监测充电电容的参数。

从而通过该超级电容充放电系统及方法，能够保证充电电容的安全、平稳充电及接负载放电。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超级电容充放电系统，其特征在于，包括供电电源、MCU、充电电容、充电回路、放电回路和负载接入放电回路，

所述充电电容的正极与供电电源相连，所述充电电容的负极依次经电感、开关元件、电流采集电阻连接外接电源地，构成充电回路；

所述电流采集电阻经放大电路接入所述MCU的电流采集引脚，用于采集充电回路的电流值，所述MCU的PWM引脚与所述开关元件相连，用于控制充电回路的电流值，并且所述电感并联续流二极管；

所述充电电容的正极和负极分别经电压采集电阻接地，所述电压采集电阻接入MCU的电压采集引脚，用于采集所述充电电容的正极和负极的电压值，通过电压差值计量所述充电电容的充电电压；

所述放电回路包括泄流电阻和第一MOS管，所述充电电容正极还依次经泄流电阻、所述第一MOS管与所述充电电容的负极相连，所述第一MOS管的导通和截止由所述MCU的放电引脚控制；

所述负载接入放电回路包括运算放大器、放电续流二极管和第二MOS管，所述第二MOS管的源极和漏极与所述放电续流二极管的阳极和阴极相连，所述第二MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端相连，所述放电续流二极管的阳极一路与所述充电电容的正极相连，一路与所述运算放大器的反相输入端相连，所述放电续流二极管的阴极一路与外接电源地相连，一路与所述运算放大器的同相输入端相连。

2.根据权利要求1所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，所述开关元件为第三MOS管，所述MCU的PWM引脚经低侧栅极驱动芯片与所述第三MOS管的栅极相连。

3.根据权利要求1所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，所述放电电路还包括三极管，所述第一MOS管的栅极与所述三极管的集极相连，所述三极管的射极接地，所述三极管的基极接入所述MCU的放电引脚，并且所述第一MOS管的栅极接入稳压二极管。

4.根据权利要求1所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，所述供电电源经稳压芯片生成所述MCU的工作电源。

5.根据权利要求1所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，所述充电电容的负极设置电容地。

6.根据权利要求5所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，所述MCU还连接蓝牙模块。

7.一种超级电容充放电方法，其特征在于，应用上述任一所述法拉电容充放电系统，通过PID方式控制充电电流，包括以下步骤，

判断是否接入充电电源，若否，进行待机；若是，检测充电电源电压；

判断充电电源电压是否大于Vdcmax，若否，检测充电电容的电容电压，若是，返回待机，其中充电电容的电容电压包括单节充电电容的电容电压和整体充电电容的电容电压；

根据所述充电电压，进入不同的充电模式：

若整体充电电容的电容电压小于Vmin，开启涓流充电模式，若整体充电电容的电容电压大于或等于Vmin，开启恒流充电模式，其中Vmin定义为电容电压过低阀值；

若检测到任一单节充电电容的电容电压大于或等于Vcapmax，开启均压充电模式，其中充电电压大于或等于Vcapmax的单节充电电容定义为满电状态；

根据不同的充电模式，控制充电电流：

开启涓流充电模式，控制充电电流为I1；开启恒流充电模式，控制充电电流为Imax；

开启均压充电模式，控制充电电流为Imdm2，并且在释放电量后，任一单节充电电容均未达到满电状态时，控制充电电流为Imdm1。

8.根据权利要求7所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，若带载能力不足，检测到充电电源电压拉低，进入恒压充电模式，恒定当前电压值进行充电。

9.根据权利要求8所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，通过所述充电电容是否产生悬浮电压判断是否接入充电电源，若Vdc>Vrch+Vcap，判断接入充电电源，若Vdc≤Vrch+Vcap，判断接入充电电源，其中Vdc为充电电源电压，Vcap为整体充电电容的电容电压，Vrch为充电检测门限。

10.根据权利要求9所述一种超级电容充放电系统，其特征在于，通过蓝牙模块监测充电电容的实时参数。

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