CN113809814B - 一种异步充电同步放电的双后备电源系统 - Google Patents

一种异步充电同步放电的双后备电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异步充电同步放电的双后备电源系统，应用于电力智能化终端设备；在本发明中，终端采用超级电容和电池混合储能的双后备电源系统，异步充电时，超级电容优先充电，电池充电管理采用降温充电策略，当满足超级电容电压高于设定门限值和电池温度低于设定门限值两个条件时，电池开启充电。同步放电时，当系统负载电流超过设定门限值时，关闭电池供电回路，单独由超级电容供电超级电容承受瞬态大电流放电。该系统可满足智能化终端设备后备电源的大电流放电、长续航、小体积和长使用寿命的需求。系统简洁，稳定性较高，适用范围广。

Description

一种异步充电同步放电的双后备电源系统
技术领域
本发明属于混合储能及供电充电领域，尤其是一种异步充电同步放电的双后备电源系统，具体地说是一种应用于电力智能化终端设备中的后备电源管理系统。
背景技术
目前，在电力系统中，智能化终端设备的应用越来越广泛，对后备电源的要求也越来越高。
现有的电力行业智能化终端设备，业务功能要求项目愈加繁多，集众多功能与一体，同时采集的数据量也越来越大。当出现掉电故障时，需上传的节点信息增加，掉电后，后备电源需坚持的时间也变长。在这种情况下，如果采用单一储能单元：电池或超级电容，由于单一电池、单一超级电容本身特性和设备结构限制，往往无法满足需求。一方面，超级电容能量密度高，与电池相比，超级电容以更小的尺寸提供更高的突发峰值功率，并且充电循环次数更多，工作温度范围更宽。另一方面，电池可以储存大量能量，但是功率密度和能量输送有局限性，充电循环次数有限。电池在使用中减少输出大电流，可大大提高其使用寿命。
因此，在设备结构体积受限的情况下，单一储能单元的后备电源系统无法满足现在的智能化终端设备大电流放电、长续航、小体积和长使用寿命的需求。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提供一种异步充电同步放电的双后备电源系统，旨在满足现有智能化终端设备后备电源的大电流放电、长续航、小体积和长使用寿命的综合需求。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种异步充电同步放电的双后备电源系统，该系统包括输入电源、系统电源、电池充电控制单元、电池充电DC-DC1单元、电池供电控制单元、电池供电DC-DC3单元、超级电容充电DC-DC2单元、超级电容供电DC-DC4单元、储能单元、二极管D1和电流采样电阻R1，所述的储能单元包括电池与超级电容，该系统基于超级电容和电池混合储能；其中：
电池充电控制单元，与输入电源相连接，用于控制电池充电的回路通断，该单元与超级电容电压和电池相连，对超级电容电压和电池温度进行采样，当满足超级电容电压高于设定门限值、且电池温度低于设定门限值时，打开电池充电回路，否则，关闭电池充电回路；
电池充电DC-DC1单元，与所述的电池充电控制单元相连接，为后级电池做充电管理，控制充电电流，具备过充保护机制；
电池供电控制单元，与所述的电池相连接，用于控制电池供电的回路通断，该单元与电流采样电阻R1的两端相连，对系统负载电流进行低端采样，当系统负载电流低于设定门限值时，打开电池供电回路；当系统负载电流超过设定门限值时，关闭电池供电回路；
电池供电DC-DC3单元，与所述的电池供电控制单元相连接，将电池电源通过DC-DC3转化为系统电源为设备供电；
超级电容充电DC-DC2单元，与所述的输入电源相连接，为后级超级电容做充电管理，控制充电电流，具备过充保护机制；
超级电容供电DC-DC4单元，与所述的超级电容相连接，将电池电源通过DC-DC4转化为系统电源为设备供电。
进一步地，所述的输入电源与二极管D1正极相连接，二极管D1负极与系统电源相连接，当系统掉电即输入电源跌落时，二极管D1用于防止系统电源倒灌给储能单元继续充电。
进一步地，所述的输入电源与超级电容充电DC-DC2单元连接，设备上电即开始为超级电容充电；
所述的输入电源与电池充电控制单元连接，电池充电控制单元对超级电容电压进行AD采样监测，通过紧贴电池的热敏电阻PTC反馈信号对电池温度进行判断，当满足超级电容电压高于设定门限值、且电池温度低于设定门限值时，电池充电回路导通，电池充电DC-DC1单元与电池连接，由DC-DC1单元为电池充电，否则，电池充电回路关闭。
进一步地，所述的超级电容与超级电容供电DC-DC4单元连接，当输入电源跌落时，系统电源切换由超级电容供电DC-DC4单元供电；
所述的电池与电池供电控制单元连接，电池供电控制单元通过电流采样电阻R1对系统负载电流进行低端采样监测，当系统负载电流低于设定门限值时，打开电池供电回路，由超级电容和电池同步供电；否则，关闭电池供电回路，由超级电容供电。
进一步地，所述的电池充电控制电路包括热敏电阻PTC，取样电阻R4、R5、R6，比较器U2、U3，逻辑与非门U4，MOS管Q2，所述的输入电源Vin连接热敏电阻PTC后一方面通过采样电阻R4接地，另一方面接比较器U2的正极端；基准电压Vref连接比较器U2的负极端；超级电容电压Vcap连接取样电阻R5后一方面通过取样电阻R6接地，另一方面接比较器U3的正极端；基准电压Vref连接比较器U3的负极端；比较器U2的输出连接逻辑与非门U4的输入1脚，比较器U3的输出连接逻辑与非门U4的输入2脚；逻辑与非门U4的输出连接MOS管Q2的栅极；电源输入Vin连接MOS管Q2的源极；MOS管Q2的漏极连接DC-DC1单元的输入；MOS管Q2的通断受逻辑与非门U4的控制。
进一步地，所述的电池供电控制电路包括运算放大器U1、偏置电阻R2、R3和MOS管Q1，所述的系统负载电流采样信号Isen+连接运算放大器U1正极端，系统负载电流采样信号Isen-接地；运算放大器U1负极端一方面连接电阻R3后接地，另一方面连接电阻R2后接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端连接MOS管Q1的栅极，控制其通断；电池正极Vbat+连接MOS管Q1的源极；MOS管Q1的漏极连接DC-DC3单元的输入。
本发明的有益效果：
本发明中，输入电源与超级电容充电DC-DC2单元连接，设备上电即开始为超级电容充电，输入电源与电池充电控制单元连接，电池充电控制单元对超级电容电压进行AD采样监测，同时通过紧贴电池的热敏电阻PTC反馈信号对电池温度进行判断，只有当满足超级电容电压高于设定门限值和电池温度低于设定门限值两个条件时，电池充电回路导通，电池充电DC-DC1单元与电池连接，由DC-DC1单元为电池充电。
本发明中，超级电容与超级电容供电DC-DC4单元连接，当输入电源跌落时，系统电源自动切换由超级电容供电DC-DC4单元供电；相应的电池与电池供电控制单元连接，电池供电控制单元通过电流采样电阻R1对系统负载电流进行低端采样监测，当系统负载电流低于设定门限值时，打开电池供电回路，由超级电容和电池同步供电；当系统负载电流超过设定门限值时，关闭电池供电回路，单独由超级电容供电。
本发明的异步充电同步放电的双后备电源系统，可满足系统大电流放电、长续航、小体积和长使用寿命的需求，稳定性高，适用范围广。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明实例提供的异步充电同步放电的双后备电源系统的结构框图。
图2为本发明实例提供异步充电同步放电的双后备电源系统的的示例电路结构图。
图3为本发明实例提供的电池充电控制单元的示例电路图。
图4为本发明实例提供的电池供电控制单元的示例电路图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
如图1-图4所示，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
实施例1，一种异步充电同步放电的双后备电源系统，包括输入电源、系统电源、电池充电控制单元、电池充电DC-DC1单元、电池供电控制单元、电池供电控制单元、超级电容充电DC-DC2单元、超级电容供电DC-DC4单元、储能单元、二极管和电流采样电阻，输入电源与二极管D1正极相连接，二极管D1负极与系统电源相连接，当系统掉电即输入电源跌落时，二极管D1可防止系统电源倒灌给储能单元继续充电。
实施例2，如实施例1所述的一种异步充电同步放电的双后备电源系统，所述的输入电源与超级电容充电DC-DC2单元连接，设备上电即开始为超级电容充电，输入电源与电池充电控制单元连接，电池充电控制单元对超级电容电压进行AD采样监测，同时通过紧贴电池的热敏电阻PTC反馈信号对电池温度进行判断，只有当满足超级电容电压高于设定门限值和电池温度低于设定门限值两个条件时，电池充电回路导通，电池充电DC-DC1单元与电池连接，由DC-DC1单元为电池充电。
超级电容与超级电容供电DC-DC4单元连接，当输入电源跌落时，系统电源自动切换由超级电容供电DC-DC4单元供电；相应的电池与电池供电控制单元连接，电池供电控制单元通过电流采样电阻R1对系统负载电流进行低端采样监测，当系统负载电流低于设定门限值时，打开电池供电回路，由超级电容和电池同步供电；当系统负载电流超过设定门限值时，关闭电池供电回路，单独由超级电容供电。
实施例3，如实施例2所述的一种异步充电同步放电的双后备电源系统，所述的电池充电控制电路包括热敏电阻PTC，取样电阻R4、R5、R6，比较器U2、U3，逻辑与非门U4，MOS管Q2。输入电源Vin连接热敏电阻PTC后一方面通过采样电阻R4接地，另一方面接比较器U2的正极端；基准电压Vref连接比较器U2的负极端；超级电容电压Vcap连接取样电阻R5后一方面通过取样电阻R6接地，另一方面接比较器U3的正极端；基准电压Vref连接比较器U3的负极端；比较器U2的输出连接逻辑与非门U4的输入1脚，比较器U3的输出连接逻辑与非门U4的输入2脚；逻辑与非门U4的输出连接MOS管Q2的栅极；电源输入Vin连接MOS管Q2的源极；MOS管Q2的漏极连接DC-DC1单元的输入；MOS管Q2的通断受逻辑与非门U4的控制。
随着电池温度逐渐升高，热敏电阻PTC阻值变大，比较器U2的正极端电压会逐渐减小，当此处电压低于基准电压Vref时，比较器U2输出高电平，反之输出低电平；随着超级电容电压Vcap变大，比较器U3的正极端电压会逐渐变大，当此处电压高于基准电压Vref时，比较器U2输出低电平，反之输出高电平。只有当电池温度低于门限值且超级电容电压高于门限值时，逻辑与非门输出低电平，MOS管Q2导通，电池开启充电。实现超级电容优先充电，减少终端设备电源负担，同时实现电池的降温充电策略，延长电池的工作寿命。
实施例4，如实施例2所述的一种异步充电同步放电的双后备电源系统，所述的电池供电控制电路包括运算放大器U1，偏置电阻R2、R3，MOS管Q1。系统负载电流采样信号Isen+连接运算放大器U1正极端，系统负载电流采样信号Isen-接地；运算放大器U1负极端连接电阻R3后接地，另一方面连接电阻R2后接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端连接MOS管Q1的栅极，控制其通断；电池正极Vbat+连接MOS管Q1的源极；MOS管Q1的漏极连接DC-DC3单元的输入。当系统负载电流突增，电流采样信号Isen+变大，经过运算放大器搭建的放大电路，MOS管Q1的栅极电压增高，MOS管Q1关断，电池停止放电。
以上已经描述了本发明的各实施例，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。

Claims (2)

1.一种异步充电同步放电的双后备电源系统，其特征在于：该系统包括输入电源、系统电源、电池充电控制单元、电池充电DC-DC1单元、电池供电控制单元、电池供电DC-DC3单元、超级电容充电DC-DC2单元、超级电容供电DC-DC4单元、储能单元、二极管D1和电流采样电阻R1，所述的储能单元包括电池与超级电容，该系统基于超级电容和电池混合储能；其中：
电池充电控制单元，与输入电源相连接，用于控制电池充电的回路通断，该单元与超级电容电压和电池相连，对超级电容电压和电池温度进行采样，当满足超级电容电压高于设定门限值、且电池温度低于设定门限值时，打开电池充电回路，否则，关闭电池充电回路；
电池充电DC-DC1单元，与所述的电池充电控制单元相连接，为后级电池做充电管理，控制充电电流，具备过充保护机制；
电池供电控制单元，与所述的电池相连接，用于控制电池供电的回路通断，该单元与电流采样电阻R1的两端相连，对系统负载电流进行低端采样，当系统负载电流低于设定门限值时，打开电池供电回路；当系统负载电流超过设定门限值时，关闭电池供电回路；
电池供电DC-DC3单元，与所述的电池供电控制单元相连接，将电池电源通过DC-DC3转化为系统电源为设备供电；
超级电容充电DC-DC2单元，与所述的输入电源相连接，为后级超级电容做充电管理，控制充电电流，具备过充保护机制；
超级电容供电DC-DC4单元，与所述的超级电容相连接，将电池电源通过DC-DC4转化为系统电源为设备供电；
所述的电池充电控制电路包括热敏电阻PTC，取样电阻R4、R5、R6，比较器U2、U3，逻辑与非门U4，MOS管Q2，所述的输入电源Vin连接热敏电阻PTC后一方面通过采样电阻R4接地，另一方面接比较器U2的正极端；基准电压Vref连接比较器U2的负极端；超级电容电压Vcap连接取样电阻R5后一方面通过取样电阻R6接地，另一方面接比较器U3的正极端；基准电压Vref连接比较器U3的负极端；比较器U2的输出连接逻辑与非门U4的输入1脚，比较器U3的输出连接逻辑与非门U4的输入2脚；逻辑与非门U4的输出连接MOS管Q2的栅极；电源输入Vin连接MOS管Q2的源极；MOS管Q2的漏极连接DC-DC1单元的输入；MOS管Q2的通断受逻辑与非门U4的控制；
所述的电池供电控制电路包括运算放大器U1、偏置电阻R2、R3和MOS管Q1，所述的系统负载电流采样信号Isen+连接运算放大器U1正极端，系统负载电流采样信号Isen-接地；运算放大器U1负极端一方面连接电阻R3后接地，另一方面连接电阻R2后接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端连接MOS管Q1的栅极，控制其通断；电池正极Vbat+连接MOS管Q1的源极；MOS管Q1的漏极连接DC-DC3单元的输入；
所述的输入电源与超级电容充电DC-DC2单元连接，设备上电即开始为超级电容充电；
所述的输入电源与电池充电控制单元连接，电池充电控制单元对超级电容电压进行AD采样监测，通过紧贴电池的热敏电阻PTC反馈信号对电池温度进行判断，当满足超级电容电压高于设定门限值、且电池温度低于设定门限值时，电池充电回路导通，电池充电DC-DC1单元与电池连接，由DC-DC1单元为电池充电，否则，电池充电回路关闭；
所述的超级电容与超级电容供电DC-DC4单元连接，当输入电源跌落时，系统电源切换由超级电容供电DC-DC4单元供电；
所述的电池与电池供电控制单元连接，电池供电控制单元通过电流采样电阻R1对系统负载电流进行低端采样监测，当系统负载电流低于设定门限值时，打开电池供电回路，由超级电容和电池同步供电；否则，关闭电池供电回路，由超级电容供电。
2.根据权利要求1所述的异步充电同步放电的双后备电源系统，其特征在于：所述的输入电源与二极管D1正极相连接，二极管D1负极与系统电源相连接，当系统掉电即输入电源跌落时，二极管D1用于防止系统电源倒灌给储能单元继续充电。
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