CN112653228A - 超级电容自适应充放电控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超级电容自适应充放电控制系统，包括：依次电连接的单片机、充放电电路、超级电容，所述的单片机中设置有控制模块，所述的控制模块用于根据电压的变化控制充放电电路向超级电容充电、或者控制充放电电路使超级电容向负载放电。当超级电容电压低于设定值时，控制模块控制充放电电路向超级电容充电；或者，当输入电压低于设定值时，控制模块控制充放电电路使超级电容向负载放电。本发明还涉及一种超级电容自适应充放电控制方法。本发明实现不同充电速度的智能控制，充电速度可实现多级转换；通过在电路中接入单片机，实时监测电压的大小；各支路电流的大小可控制；超级电容充电模式、保持模式、放电模式自由切换。
Description
技术领域
本发明属于DTU应急电源设计技术领域，具体地说，是涉及一种适用于DTU后备电源的超级电容自适应高速智能充电控制电路及其控制方法。
背景技术：
在电力系统配网自动化领域，DTU装置(Data Transfer Unit，数据传输单元)主要应用于城市、农村、企业配网供电系统，可完成对开关装置的遥控、遥测、遥信采集，实现对供电线路的远程监控和故障识别、隔离和非故障区域恢复供电等功能，对配网供电可靠性发挥着重要的作用。
由于DTU装置一般安装于户外小型开闭所、箱式变电站和环网柜中，工作环境较为恶劣，其供电可靠性是制约其工作可靠性的一个重要因素。目前DTU装置的后备电源一般多采用蓄电池方案，但是由于蓄电池抗高低温性能差，使用寿命短，维护工作量大，其作为后备电源仍存在较大的弊端。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种超级电容自适应充放电控制系统及控制方法。随着超级电容产业的发展，超级电容作为新型储能元件的应用正在逐渐普及，目前已经在部分地区配网DTU领域中有所应用。超级电容设计使用寿命一般为10年，未充电情况下存储期限一般为4年，循环充电寿命约100万个周期；仅需定期检测电压情况并补充充电即可，无漏液、失水、析氢、过度充/放电等问题；超级电容运行温度环境为-40℃～65℃，容量和寿命受温度影响较小；超级电容电极为无污染的活性炭或石墨烯等材料，电解液为中性电解液，对环境影响非常小。本发明所采用的技术方案如下：
一种超级电容自适应充放电控制系统，包括：依次电连接的单片机、充放电电路、超级电容，所述的单片机中设置有控制模块，所述的控制模块用于根据电压的变化控制充放电电路向超级电容充电、或者控制充放电电路使超级电容向负载放电。当超级电容电压低于设定值时，控制模块控制充放电电路向超级电容充电；或者，当输入电压低于设定值时，控制模块控制充放电电路使超级电容向负载放电。
一种超级电容自适应充放电控制方法，应用如前述的超级电容自适应充放电控制系统，包括以下控制步骤：
超级电容自适应充放电控制系统投入使用，超级电容的电压为零；
进入充电模式，单片机控制充放电电路向超级电容充电、充电电流值逐步增大，单片机实时检测超级电容两端电压；
当超级电容两端电压达到设定值时、充电电流值逐步减小，直至结束充电，进入保持模式；
在保持模式下，超级电容两端电压保持在设定值左右，在充电与放电之间切换；
当单片机检测到输入电压小于设定值时，进行放电模式；
在放电模式下，超级电容向负载放电。
本发明的有益效果：
(1)该电路采用智能控制电路，实现不同充电速度的智能控制，充电速度可实现多级转换。电路接入多个三极管，通过控制三极管的工作状态，实现电路接入电阻阻值的无缝切换及控制，进而改变电路中的电流大小，实现不同充电速度的控制。
(2)超级电容两端电压U2、外部输入电压Uin实时监测，通过在电路中接入单片机，实时监测电压的大小。
(3)各支路电流的大小可控制。
(4)超级电容充电模式、保持模式、放电模式自由切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。
图1是本发明实施例的充放电控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，是本发明实施例的充放电控制系统的结构示意图。一种适用于DTU后备电源的超级电容自适应高速智能充电控制系统，该充电控制系统由输入电压Uin、单片机、二极管D1/D2、三极管Q1/Q2/Q3/Q4/Q5、支路电阻R1/R2/R3/R4、负载电阻Rload、分压电阻Rx/Ry和超级电容C1/C2/C3/C4组成。
一种超级电容自适应充放电控制系统，+48V_IN与并联的二极管D1、D2的阳极相连，二极管D1、D2的阴极与并联的三极管Q1、Q2、Q3、Q4的集电极相连，二极管D1、D2的阴极和三极管Q1、Q2、Q3、Q4的集电极连接负载电阻Rload；三极管Q1、Q2、Q3、Q4的发射极分别串联连接电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R2、R3、R4并联后下接四个串联的超级电容C1、C2、C3、C4，三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的基极分别与单片机相连，三极管Q5的集电极连接+48V_IN，三极管Q5的发射极连接四个串联的超级电容C1、C2、C3、C4；单片机下接分压电阻Rx、Ry，电阻Rx连接四个串联的超级电容C1、C2、C3、C4，电阻Ry接地。
本发明实施例中的单片机，可以采用STM32F030CCT6单片机实现。
一种超级电容自适应充放电控制方法，对超级电容的控制有以下四种模式：
1.充电模式：输入电压Uin＝+48V，二极管D1、D2正向导通，断开Q5，t0＝0时刻，三极管Q1导通，输入电流通过电阻R1向超级电容C1、C2、C3、C4充电，此时电流值为I1；当t1＝5s时，三极管Q1、Q2同时导通，输入电流通过电阻R1、R2向超级电容充电，此时电流值为I2；当t2＝10s时，三极管Q1、Q2、Q3同时导通，输入电流通过电阻R1、R2、R3向超级电容充电，此时电流值为I3；当t3＝15s时，三极管Q1、Q2、Q3、Q4同时导通，输入电流通过电阻R1、R2、R3、R4向超级电容充电，此时电流值为I4。单片机采集超级电容两端电压U2，U2≥45V时，此时记为t4，断开Q4，电路中接入电阻为R1、R2、R3，电阻阻值增大，电流减小，当I＝I3时，断开Q3，当I＝I2时，断开Q2，当I＝I1时，断开Q1，此时电路中电流为零，充电模式结束。
2.保持模式：当单片机采集到超级电容两端电压U2<45V时，三极管Q1导通，输入电流通过电阻R1向超级电容充电，当U2≥45V时，断开Q1，超级电容充电结束，使得超级电容两端电压保持在45V以上。
3.放电模式：当单片机采集到输入电压Uin<40V时，三极管Q1、Q2、Q3、Q4保持断开，三极管Q5导通，二极管D1、D2正向导通，超级电容C1、C2、C3、C4向负载供电。
4.放电过程中充电模式：在超级电容C1、C2、C3、C4放电过程中，单片机采集到的输入电压Uin≥40V时，三极管Q1导通，输入电流通过电阻R1向超级电容充电，此过程中仍然保持三极管Q5导通；当输入电压Uin≥45V时，断开三极管Q5，超级电容停止向负载供电，充放电电路进入充电模式。
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.超级电容自适应充放电控制系统，其特征在于，包括：依次电连接的单片机、充放电电路、超级电容，所述的单片机中设置有控制模块；所述的控制模块用于根据电压的变化控制充放电电路向超级电容充电，或者控制模块控制充放电电路使超级电容向负载放电。
2.根据权利要求1所述的超级电容自适应充放电控制系统，其特征在于，所述的充放电电路包括：二极管D1/D2、三极管Q1/Q2/Q3/Q4/Q5、支路电阻R1/R2/R3/R4、负载电阻Rload、分压电阻Rx/Ry和超级电容C1/C2/C3/C4。
3.根据权利要求2所述的超级电容自适应充放电控制系统，其特征在于，所述的充放电系统的结构是：+48V_IN与并联的二极管D1、D2的阳极相连，二极管D1、D2的阴极与并联的三极管Q1、Q2、Q3、Q4的集电极相连，二极管D1、D2的阴极和三极管Q1、Q2、Q3、Q4的集电极连接负载电阻Rload；三极管Q1、Q2、Q3、Q4的发射极分别串联连接电阻R1、R2、R3、R4，电阻R1、R2、R3、R4并联后下接四个串联的超级电容C1、C2、C3、C4，三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的基极分别与单片机相连，三极管Q5的集电极连接+48V_IN，三极管Q5的发射极连接四个串联的超级电容C1、C2、C3、C4；单片机下接分压电阻Rx、Ry，电阻Rx连接四个串联的超级电容C1、C2、C3、C4，电阻Ry接地。
4.根据权利要求1所述的超级电容自适应充放电控制系统，其特征在于，所述的单片机采用STM32F030CCT6单片机。
5.超级电容自适应充放电控制方法，其特征在于，应用如权利要求3所述的超级电容自适应充放电控制系统，包括以下控制步骤：
超级电容自适应充放电控制系统投入使用，超级电容的电压为零；
进入充电模式，单片机控制充放电电路向超级电容充电、充电电流值逐步增大，单片机实时检测超级电容两端电压；
当超级电容两端电压达到设定值时、充电电流值逐步减小，直至结束充电，进入保持模式；
在保持模式下，超级电容两端电压保持在设定值左右，在充电与放电之间切换；
当单片机检测到输入电压小于设定值时，进行放电模式；
在放电模式下，超级电容向负载放电。
6.根据权利要求5所述的超级电容自适应充放电控制方法，其特征在于，所述的充电模式的控制方法是：
输入电压Uin＝+48V，二极管D1、D2正向导通，断开Q5，t0＝0时刻，三极管Q1导通，输入电流通过电阻R1向超级电容C1、C2、C3、C4充电，此时电流值为I1；当t1＝5s时，三极管Q1、Q2同时导通，输入电流通过电阻R1、R2向超级电容充电，此时电流值为I2；当t2＝10s时，三极管Q1、Q2、Q3同时导通，输入电流通过电阻R1、R2、R3向超级电容充电，此时电流值为I3；当t3＝15s时，三极管Q1、Q2、Q3、Q4同时导通，输入电流通过电阻R1、R2、R3、R4向超级电容充电，此时电流值为I4；
单片机采集超级电容两端电压U2，当U2≥45V时记为t4，断开Q4，电路中接入电阻为R1、R2、R3，电阻阻值增大，电流减小；当I＝I3时，断开Q3；当I＝I2时，断开Q2；当I＝I1时，断开Q1，此时电路中电流为零，充电模式结束。
7.根据权利要求5所述的超级电容自适应充放电控制方法，其特征在于，所述的保持模式的控制方法是：当单片机采集到超级电容两端电压U2<45V时，三极管Q1导通，输入电流通过电阻R1向超级电容充电；当U2≥45V时，断开Q1，超级电容充电结束，使得超级电容两端电压保持在45V以上。
8.根据权利要求5所述的超级电容自适应充放电控制方法，其特征在于，所述的放电模式的控制方法是：当单片机采集到输入电压Uin<40V时，三极管Q1、Q2、Q3、Q4保持断开，三极管Q5导通，二极管D1、D2正向导通，超级电容C1、C2、C3、C4向负载供电。
9.根据权利要求5所述的超级电容自适应充放电控制方法，其特征在于，在放电过程中同时充电的控制方法是：在超级电容C1、C2、C3、C4放电过程中，单片机采集到的输入电压Uin≥40V时，三极管Q1导通，输入电流通过电阻R1向超级电容充电，此过程中仍然保持三极管Q5导通。
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