CN115276149A - 一种储能电路 - Google Patents

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CN115276149A CN202210643403.2A CN202210643403A CN115276149A CN 115276149 A CN115276149 A CN 115276149A CN 202210643403 A CN202210643403 A CN 202210643403A CN 115276149 A CN115276149 A CN 115276149A
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孙恩思
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Abstract

本发明提供了一种储能电路，涉及供电技术领域，包括：至少一个储能单元；每个所述储能单元均包括：储能器件和保护单元；所述储能器件电性连接至电源，所述电源用于对所述储能器件进行充电；所述储能器件还与所述保护单元电性连接；所述保护单元用于检测所述储能器件的预定参数是否满足预设条件，并在所述储能器件的预定参数满足所述预设条件时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电；多个所述储能器件之间串联。本发明提供的技术方案，能够有效避免储能器件出现过充现象，从而有效保护储能器件、延长储能器件的使用寿命。

Description

一种储能电路
技术领域
本发明涉及供电技术领域，特别地涉及一种储能电路。
背景技术
现有技术在对储能器件进行充电时容易出现过充现象，而对储能器件进行过充容易影响储能器件的使用寿命，严重时会直接导致储能器件的损坏。尤其是在多个储能器件串联储能时，由于制造工艺的差别，通常会出现一些储能器件充电较快，已达到预定电量，而另一些储能器件充电较慢，还需要继续充电的情况。而在这种情况下，继续充电将会导致已达到预定电量的储能器件出现过充现象。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种储能电路，能够有效避免储能器件出现过充现象，从而有效保护储能器件、延长储能器件的使用寿命。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种储能电路，包括：至少一个储能单元；每个所述储能单元均包括：储能器件和保护单元；所述储能器件电性连接至电源，所述电源用于对所述储能器件进行充电；所述储能器件还与所述保护单元电性连接；所述保护单元用于检测所述储能器件的预定参数是否满足预设条件，并在所述储能器件的预定参数满足所述预设条件时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电；多个所述储能器件之间串联。
在一些实施例中，所述储能器件的预定参数包括：所述储能器件两端的电压；
所述保护单元用于检测所述储能器件两端的电压是否大于预设电压值，并在所述储能器件两端的电压大于所述预设电压值时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电。
在一些实施例中，所述保护单元包括：第一分压电阻、第二分压电阻和比较器开关管；所述第一分压电阻的一端连接至所述储能器件的正极，所述第二分压电阻的一端连接至所述储能器件的负极，所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端均连接至所述比较器开关管的输入端；所述比较器开关管的输出负极与所述储能器件的正极连接，所述比较器开关管的输出正极与所述储能器件的负极连接。
在一些实施例中，所述保护单元还包括：第一限流电阻；所述比较器开关管的输出负极经所述第一限流电阻与所述储能器件的正极连接。
在一些实施例中，所述比较器开关管包括：比较器、第一二极管和NPN型三极管；所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端均连接至所述比较器的正向输入端，所述比较器的反向输入端连接预设基准电压，所述比较器的输出端连接至所述NPN型三极管的基极；所述NPN型三极管的发射极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极还与所述储能器件的负极连接；所述NPN型三极管的集电极与所述第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极还与所述储能器件的正极连接。
在一些实施例中，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的精度均不大于1％。
在一些实施例中，所述储能器件为超级电容。
在一些实施例中，还包括：第二限流电阻；所述储能器件经所述第二限流电阻电性连接至所述电源。
在一些实施例中，还包括：第二二极管和第三二极管；所述第二二极管的阳极经所述第二限流电阻连接至所述电源，所述第二二极管的阴极与所述储能器件电性连接；所述第二二极管的阴极还与所述第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极连接负载。
在一些实施例中，所述第二二极管和所述第三二极管均为肖特基二极管。
本发明实施例提供的一种储能电路，由于对每个储能单元均设置了储能器件和保护单元，且保护单元用于检测储能器件的预定参数是否满足预设条件，并在储能器件的预定参数满足预设条件时，改变流向储能器件的电流的方向，以使电源停止对该储能器件充电，因此，每个储能器件均能够被与其对应的保护单元所保护，每个储能器件的预定参数一旦满足预设条件，对该储能器件的充电操作即会自动停止。可见，本发明实施例提供的技术方案，能够有效避免储能器件出现过充现象，从而有效保护储能器件、延长储能器件的使用寿命。
附图说明
通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本发明公开的范围。其中所包括的附图是：
图1为本发明实施例的电路结构图一；
图2为本发明实施例的电路结构图二；
图3为本发明实施例所提供的比较器开关管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
目前电力电子方面，控制器的需求越来越高，需求量越来越大，在一些高端的应用场合，稳定性也越来越得到广泛关注，在一些系统中往往需要用到储能器件，其目的是在系统由于突然断电后，储能器件储存的电能仍然能维持系统工作一段时间，这段时间主控芯片可对动力部分的驱动信号复位，还可以将重要数据进行保存，使系统不至于因突然的断电引起较大的经济损失或者安全事故。在这种需求背景下，储能器件能够长期稳定运行就显得格外重要。
在储能器件电压值较低的情况下，为了达到特定的输出电压值，往往需要通过几个储能器件串联的方式来达到目标电压值。例如，若目标电压值为5V，那么可以用2个2.7V的储能器件串联得到5.4V的输出电压值，这样就可以达到所需的5V输出的目的。因为引入的串联的结构，那么因为制造工艺的差别在充电过程中，串联的2个储能器件并不是理想的状态，会出现一个充得快一个充得满的情况，因此充得快的储能器件比充得慢的储能器件同一时刻的电压值更高。比如，一个储能器件达到了2.7V，另外一个达到了2.5V，此时串联总电压为5.2V，因为供电电源的电压等级为5.4V，那么电源会继续给储能器件充电，此时2.7V的储能器件已经充满，继续充电将导致这个储能器件的过充甚至损坏。因此在储能器件达到2.7V之前就停止对其充电很有必要。
基于以上思路，本发明实施例提供了一种储能电路，如图1所示，包括：至少一个储能单元；每个所述储能单元均包括：储能器件和保护单元；所述储能器件电性连接至电源，所述电源用于对所述储能器件进行充电；所述储能器件还与所述保护单元电性连接；所述保护单元用于检测所述储能器件的预定参数是否满足预设条件，并在所述储能器件的预定参数满足所述预设条件时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电；多个所述储能器件之间串联。
本实施例中，所述储能器件的预定参数可以包括：储能器件两端的电压、储能器件的电流、对该储能器件的充电时间等。与上述预定参数相对应地，检测储能器件的预定参数是否满足预设条件具体可以为：检测储能器件两端的电压是否大于预设电压值、检测储能器件的电流是否小于预设电流值，以及，检测对该储能器件的充电时间是否大于预设充电时间。以上对储能器件的预定参数的检测均可用于判断该储能器件是否已充满。
为了对储能器件的充电状态进行有效检测，本实施例采用检测每个储能器件两端的电压的方式来进行。即在本实施例中，所述储能器件的预定参数包括：所述储能器件两端的电压；所述保护单元用于检测所述储能器件两端的电压是否大于预设电压值，并在所述储能器件两端的电压大于所述预设电压值时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电。
为了以更简洁的电路结构实现上述保护单元所述的功能，如图2所示，本实施例所述的保护单元包括：第一分压电阻、第二分压电阻和比较器开关管；所述第一分压电阻的一端连接至所述储能器件的正极，所述第二分压电阻的一端连接至所述储能器件的负极，所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端均连接至所述比较器开关管的输入端；所述比较器开关管的输出负极与所述储能器件的正极连接，所述比较器开关管的输出正极与所述储能器件的负极连接。
为了对储能器件和比较器开关管进行有效保护，避免瞬时电流过大对其造成损坏，本实施例所述保护单元还包括：第一限流电阻；所述比较器开关管的输出负极经所述第一限流电阻与所述储能器件的正极连接。
为了对电量进行有效存储，本实施例中，所述储能器件为电容。
为了对电量进行进一步有效存储，本实施例中，所述储能器件优选为超级电容。
需要说明的是，本实施例中的第一限流电阻的阻值需远远小于两个分压电阻的阻值，以使比较器开关管导通时，原本流向与该比较器开关管对应的超级电容的电流能够转而流向第一限流电阻和该比较器开关管所在的支路，达到避免该超级电容过充的目的。
具体地，如图2所示，图2中示出了两个储能单元，每个储能单元均包括一个超级电容，以及，用于对该超级电容进行保护的保护单元。在图2中，其中一个储能单元包括：超级电容C1、第一限流电阻R2、第一分压电阻R3、第二分压电阻R4和比较器开关管U1。其中，第一分压电阻R3的一端连接至超级电容C1的正极，第二分压电阻R4的一端连接至超级电容C1的负极，第一分压电阻R3的另一端和第二分压电阻R4的另一端均连接至比较器开关管U1的输入端(U1的1号引脚)，比较器开关管U1的输出负极(U1的2号引脚)经第一限流电阻R2与超级电容C1的正极连接，比较器开关管U1的输出正极(U1的3号引脚)与超级电容C1的负极连接。
在图2中，另一个储能单元包括：超级电容C2、第一限流电阻R5、第一分压电阻R6、第二分压电阻R7和比较器开关管U2。其中，第一分压电阻R6的一端连接至超级电容C2的正极，第二分压电阻R7的一端连接至超级电容C2的负极，第一分压电阻R6的另一端和第二分压电阻R7的另一端均连接至比较器开关管U2的输入端(U2的1号引脚)，比较器开关管U2的输出负极(U2的2号引脚)经第一限流电阻R5与超级电容C2的正极连接，比较器开关管U2的输出正极(U2的3号引脚)与超级电容C2的负极连接。
在图2中，超级电容C1与超级电容C2串联，超级电容C1的正极电性连接至电源，超级电容C2的负极接地。本实施例中，所述电源为5.36V。
为了更加快速、准确地实现对电压的检测、改变电流流向的功能，如图3所示，本实施例所述的比较器开关管包括：比较器、第一二极管和NPN型三极管；所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端均连接至所述比较器的正向输入端，所述比较器的反向输入端连接预设基准电压，所述比较器的输出端连接至所述NPN型三极管的基极；所述NPN型三极管的发射极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极还与所述储能器件的负极连接；所述NPN型三极管的集电极与所述第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极还与所述储能器件的正极连接。
在图3中，REF引脚即为图2中U1的1号引脚，CATHODE引脚为图2中U1的2号引脚，ANODE引脚为图2中U1的3号引脚。图3中VREF即为基准电压，由具体芯片决定，当REF引脚的电压高于该基准电压的电压值时，比较器A的输出端输出高电平，使得NPN型三极管和第一二极管导通，也就是CATHODE引脚和ANODE引脚导通。当REF引脚的电压低于该基准电压的电压值时，比较器A的输出端输出低电平，使得NPN型三极管和第一二极管断开，也就是CATHODE引脚和ANODE引脚断开。
具体地，以一个储能单元为例，如图2和图3所示，第一分压电阻R3的另一端和第二分压电阻R4的另一端均连接至比较器A的正向输入端，比较器A的反向输入端连接预设基准电压VREF，比较器A的输出端连接至NPN型三极管Q的基极；NPN型三极管Q的发射极与第一二极管D0的阳极连接，第一二极管D0的阳极还与超级电容C1的负极连接；NPN型三极管Q的集电极与第一二极管D0的阴极连接，第一二极管D0的阴极还与超级电容C1的正极连接。
为了更加精确地检测储能器件两端的电压，需采用精度较高的第一分压电阻和第二分压电阻。本实施例中，第一分压电阻和第二分压电阻的精度均不大于1％。例如，可以选择精度为1％或0.5％或0.1％的电阻作为上述第一分压电阻和第二分压电阻，其精度越高越好。
为了更有效地保护储能器件，本实施例所述的储能电路还包括：第二限流电阻；所述储能器件经所述第二限流电阻电性连接至所述电源。
进一步地，本实施例所述的储能电路还包括：第二二极管和第三二极管；所述第二二极管的阳极经所述第二限流电阻连接至所述电源，所述第二二极管的阴极与所述储能器件电性连接；所述第二二极管的阴极还与所述第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极连接负载。上述第二二极管和第三二极管的设置能够精确控制电流方向，有效防止储能器件向电源输入端放电。
为了进一步有效防止储能器件向电源输入端放电，本实施中所述的第二二极管和第三二极管均优选为肖特基二极管。
具体地，如图2和图3所示，其中5V_OUT为输出5V的目标电压，该目标电压用于给负载供电；5.36_IN为输入电压，即电源；C1和C2为2个2.7V 5.5F的超级电容，R1为回路中的第二限流电阻；D1和D2为两个肖特基二极管，用来控制电流流向；U1和U2为比较器开关管；电阻R2和R5为第一限流电阻，用于消耗多余的充电能量；R3和R4，以及，R6和R7分别构成一个分压电路将分压后的电压值给到U1和U2。
其中，输入电压/电源5.36_IN经过第二限流电阻R1和一个肖特基二极管D1将电压给到串联的2个超级电容C1和C2，这里第二限流电阻R1的作用是限制瞬时加入的输入电压/电源产生较大的电流变化率，从而对超级电容C1和C2产生损坏，减小超级电容C1和C2的使用寿命。其中肖特基二极管D1的作用是控制电流只能从电源输入端流入超级电容C1和C2，防止电源异常断电时超级电容C1和C2通过第二限流电阻R1向电源输入端放电，进而减小超级电容C1和C2的放电工作时间。
其中，超级电容C1和超级电容C2为2个2.7V5.5F的超级电容，串联之后电压可达5.4V，每个超级电容正负极都并有1个第一限流电阻、1个比较器开关管和2个分压电阻。
具体地，以超级电容C1所在的储能单元为例，分压电阻R3和分压电阻R4串联之后并联在超级电容C1的两端，两个电阻的中间节点作为电压检测参考值，此节点的值会跟随超级电容C1两端电压值的变化而变化，然后将该参考节点的电压值送至比较器开关管，其内部的基准电压为1.25V，可进行简单计算，当超级电容C1两端电压达到2.625V时(此时C1已充满电)，此时经电阻分压后送至U1的1号引脚电压值为1.25V，此时与基准电压相等，当超级电容C1继续被充电(此时C1被过充)，那么送至U1的1号引脚电压将大于1.25V，此时U1的2号和3号引脚会被导通，将第一限流电阻R2和U1的2号和3号引脚并联在超级电容C1的两端。因为串联后的2个超级电容C1和C2还没有达到输入电源的电压等级(只有当2个超级电容的电压之和等于电源电压时，才会停止充电)，那么输入电源会继续对C1和C2充电，此时的充电电流将被第一限流电阻R2通过发热的形式消耗掉，进而保护超级电容C1不被过充，实现保护超级电容C1的目的。超级电容C2的被动均衡工作原理和超级电容C1的一样，可做类比。
本实施例中，比较器开关管的型号可选用AZ432、TL431、TLH431等。分压电阻R3的阻值可以为11kΩ，分压电阻R4的阻值可以为10kΩ。当然，本领域技术人员可以根据实际应用选用其它型号的比较器开关管和其它阻值的分压电阻，本实施例对此不作具体限制。
图2中的肖特基二极管D2为在电源异常断电之后超级电容对外的放电回路，从而将电能释放到输出负载，供负载短时使用，解决因电源异常断电引起的系统不受控的情况产生。
本发明实施例提供的一种储能电路，由于对每个储能单元均设置了储能器件和保护单元，且保护单元用于检测储能器件的预定参数是否满足预设条件，并在储能器件的预定参数满足预设条件时，改变流向储能器件的电流的方向，以使电源停止对该储能器件充电，因此，每个储能器件均能够被与其对应的保护单元所保护，每个储能器件的预定参数一旦满足预设条件，对该储能器件的充电操作即会自动停止。可见，本发明实施例提供的技术方案，能够有效避免储能器件出现过充现象，从而有效保护储能器件、延长储能器件的使用寿命。
本实施例在超级电容充电的过程中，并联在超级电容两端的比较器开关管会时刻检测超级电容两端电压，当检测到该电压超过预设值之后，比较器开关管会导通将第一限流电阻并入超级电容两端以达到稳定超级电容两端电压的目的。本发明可保护超级电容不出现过充现象，并延长超级电容的使用寿命。
本实施例所提供的储能电路，能够对系统中超级电容通过硬件电路实现被动均衡。本实施例的每个储能单元由1个限流电阻、1个比较器开关管、2个分压电阻组成，操作简单，且对整体产品成本影响很小。本实施例每增加一个超级电容，仅需要增加1个比较器开关管和3个电阻即可，仅增加少量的成本就可以实现对超级电容均衡充电的目的，实际效益成果显著。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种储能电路，其特征在于，包括：至少一个储能单元；每个所述储能单元均包括：储能器件和保护单元；所述储能器件电性连接至电源，所述电源用于对所述储能器件进行充电；所述储能器件还与所述保护单元电性连接；所述保护单元用于检测所述储能器件的预定参数是否满足预设条件，并在所述储能器件的预定参数满足所述预设条件时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电；多个所述储能器件之间串联。
2.根据权利要求1所述的储能电路，其特征在于，所述储能器件的预定参数包括：所述储能器件两端的电压；
所述保护单元用于检测所述储能器件两端的电压是否大于预设电压值，并在所述储能器件两端的电压大于所述预设电压值时，改变流向所述储能器件的电流的方向，以使所述电源停止对该储能器件充电。
3.根据权利要求2所述的储能电路，其特征在于，所述保护单元包括：第一分压电阻、第二分压电阻和比较器开关管；所述第一分压电阻的一端连接至所述储能器件的正极，所述第二分压电阻的一端连接至所述储能器件的负极，所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端均连接至所述比较器开关管的输入端；所述比较器开关管的输出负极与所述储能器件的正极连接，所述比较器开关管的输出正极与所述储能器件的负极连接。
4.根据权利要求3所述的储能电路，其特征在于，所述保护单元还包括：第一限流电阻；所述比较器开关管的输出负极经所述第一限流电阻与所述储能器件的正极连接。
5.根据权利要求4所述的储能电路，其特征在于，所述比较器开关管包括：比较器、第一二极管和NPN型三极管；所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端均连接至所述比较器的正向输入端，所述比较器的反向输入端连接预设基准电压，所述比较器的输出端连接至所述NPN型三极管的基极；所述NPN型三极管的发射极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极还与所述储能器件的负极连接；所述NPN型三极管的集电极与所述第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极还与所述储能器件的正极连接。
6.根据权利要求3所述的储能电路，其特征在于，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的精度均不大于1％。
7.根据权利要求1所述的储能电路，其特征在于，所述储能器件为超级电容。
8.根据权利要求1所述的储能电路，其特征在于，还包括：第二限流电阻；所述储能器件经所述第二限流电阻电性连接至所述电源。
9.根据权利要求8所述的储能电路，其特征在于，还包括：第二二极管和第三二极管；所述第二二极管的阳极经所述第二限流电阻连接至所述电源，所述第二二极管的阴极与所述储能器件电性连接；所述第二二极管的阴极还与所述第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极连接负载。
10.根据权利要求9所述的储能电路，其特征在于，所述第二二极管和所述第三二极管均为肖特基二极管。
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