CN115549270A - 一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，涉及能源处理技术领域，包括制动保护模块，用于制动保护；智能控制模块，用于输出脉冲信号并控制模块工作；变频模块，用于变频控制和产生再生能源；双向调节模块，用于双向电压调节；超级电容器组模块和电池组模块，均用于能源存储和能源释放；双向均衡控制模块，用于双向电压均衡调节；均衡调节模块，用于均衡调节电池组模块；电池组监控模块，用于电量检测和过充保护。本发明超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路通过拓展的电池组模块增加超级电容器组模块的储能空间，并由双向均衡控制模块和均衡调节模块完成超级电容器与锂电池的耦合控制，并对电源模块进行放电控制。

Description

一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路
技术领域
本发明涉及能源处理技术领域，具体是一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路。
背景技术
目前在电力调频电路中，由于所驱动的电机在变频电路的调试控制下，容易产生再生能源，传统的电力调频电路工艺中，对于电动机的减速控制，大多采用能耗制动的方式进行制动控制和再生能源的消耗，现有的电力调频电路为避免能源的浪费，会采用超级电容器组电路实现对再生能源的回收，并在超级电容处于满电时，通过超级电容器组模块与供应电源进行双向DC-DC互补方案，实现电容与电池之间的能源互换，但是如果超级电容处于满电时，电力调频电路仍然处于工作的状态时，仍会导致能源回收的失败，需等到电力调频电路停工时，才能实现电容与电池之间的能源互换，否则电路容易发生故障，因此有待改进。
发明内容
本发明实施例提供一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
依据本发明实施例中，提供一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，该超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路包括：电源模块，制动保护模块，智能控制模块，变频模块，双向调节模块，超级电容器组模块，双向均衡控制模块，电池组模块，均衡调节模块，电池组监控模块；
所述电源模块，用于提供电路所需的直流电能；
所述制动保护模块，与所述电源模块连接，用于吸收再生能源并进行制动保护；
所述智能控制模块，用于输出脉冲信号并控制所述变频模块、双向调节模块、双向均衡控制模块和均衡调节模块的工作；
所述变频模块，与所述制动保护模块和智能控制模块连接，用于接收所述脉冲信号并通过变频电路调节输出电能的频率，用于在制动动作时产生再生能源；
所述双向调节模块，与所述变频模块和智能控制模块连接，用于将所述变频模块产生的再生能源传输给所述超级电容器组模块，用于将所述超级电容器组模块和双向均衡控制模块输出的电能传输给所述电源模块；
所述超级电容器组模块，与所述双向调节模块连接，用于通过多个超级电容器进行能源存储和能源释放；
所述双向均衡控制模块，与所述超级电容器组模块和智能控制模块连接，用于控制所述超级电容器组模块与电池组模块之间进行均衡充放电工作；
所述电池组模块，与所述双向均衡控制模块连接，用于通过多个电池组进行能源存储和能源释放；
所述均衡调节模块，与所述电池组模块和智能控制模块连接，用于均衡调节所述电池组模块中多个电池组的电压值；
所述电池组监控模块，与所述电池组模块和制动保护模块连接，用于对所述电池组模块的电量进行检测，用于在过充时控制所述制动保护模块的工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路由超级电容器组模块对再生能源进行吸收和储能，通过拓展的电池组模块增加超级电容器组模块的储能空间，避免电力调频电路产生的再生能源，由于超级电容器组模块的储能上限而浪费，并由双向均衡控制模块和均衡调节模块完成超级电容器与锂电池的耦合控制，实现均衡互补控制，并可同时对电源模块进行放电，使能源达到最大化的利用，降低能源的浪费，同时如果电池组模块满电时将通过制动保护模块进行泄放控制，降低再生能源对电路的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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附图。
图1为本发明实例提供的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路的原理方框示意图。
图2为本发明实例提供的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路的电路图。
图3为本发明实例提供的电池组监控模块的连接电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，请参阅图1，一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路包括：电源模块1，制动保护模块2，智能控制模块3，变频模块4，双向调节模块5，超级电容器组模块6，双向均衡控制模块7，电池组模块8，均衡调节模块9，电池组监控模块10；
具体地，所述电源模块1，用于提供电路所需的直流电能；
制动保护模块2，与所述电源模块1连接，用于吸收再生能源并进行制动保护；
智能控制模块3，用于输出脉冲信号并控制所述变频模块4、双向调节模块5、双向均衡控制模块7和均衡调节模块9的工作；
变频模块4，与所述制动保护模块2和智能控制模块3连接，用于接收所述脉冲信号并通过变频电路调节输出电能的频率，用于在制动动作时产生再生能源；
双向调节模块5，与所述变频模块4和智能控制模块3连接，用于将所述变频模块4产生的再生能源传输给所述超级电容器组模块6，用于将所述超级电容器组模块6和双向均衡控制模块7输出的电能传输给所述电源模块1；
超级电容器组模块6，与所述双向调节模块5连接，用于通过多个超级电容器进行能源存储和能源释放；
双向均衡控制模块7，与所述超级电容器组模块6和智能控制模块3连接，用于控制所述超级电容器组模块6与电池组模块8之间进行均衡充放电工作；
电池组模块8，与所述双向均衡控制模块7连接，用于通过多个电池组进行能源存储和能源释放；
均衡调节模块9，与所述电池组模块8和智能控制模块3连接，用于均衡调节所述电池组模块8中多个电池组的电压值；
电池组监控模块10，与所述电池组模块8和制动保护模块2连接，用于对所述电池组模块8的电量进行检测，用于在过充时控制所述制动保护模块2的工作。
在具体实施例中，上述电源模块1可采用可储能的直流电源提供所需的直流电能，在此不做赘述；上述制动保护模块2可采用功率管电路和制动电阻电路；上述智能控制模块3可采用，但并不限于单片机、DSP等微控制器；上述变频模块4可采用变频电路，在此不做赘述；上述双向调节模块5可采用双向Boost-Buck电路；上述超级电容器组模块6可由多组超级电容串联组成；上述双向均衡控制模块7可采用功率管控制电路和双向Boost-Buck电路；上述电池组模块8可由多组锂电池组成；上述均衡调节模块9可采用功率管电路和电感电路完成对电池组模块8的均衡控制；上述电池组监控模块10可采用专门的锂电池电压检测电路完成电量的检测和对制动保护模块2的工作。
在本实施例中，请参阅图2和图3，所述电源模块1包括电源端、第一电容C1、熔断器FU1；所述制动保护模块2包括第一电阻R1、第一二极管D1、第一控制管I1；
具体地，所述电源端的第一端连接第一电容C1的一端和第一熔断器FU1的第一端，第一电容C1器的第二端连接第一电阻R1的一端和第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接第一电阻R1的另一端和第一控制器U1的集电极，第一控制器U1的栅极连接所述电池组监控模块10，第一控制管I1的发射极、第一电容C1的另一端和电源端的第二端均接地。
在具体实施例中，上述第一控制管I1可选用IGBT；上述第一电阻R1作为制动电阻使用。
进一步地，所述变频模块4包括变频器T1；所述智能控制模块3包括第一控制器U1；所述双向调节模块5包括第二控制管I2、第三控制管I3、第二电阻R2、第一电感L1；
具体地，所述变频器T1的第一端和第二控制管I2的集电极连接所述第一熔断器FU1的第二端，变频器T1的第三端连接第一控制器U1的第三IO端，第二控制管I2的栅极和第三控制管I3的栅极分别连接第一控制器U1的第一IO端和第二IO端，第二控制管I2的发射极连接第三控制管I3的集电极并通过第二电阻R2连接第一电感L1的第一端，第一电感L1的第二端连接所述超级电容器组模块6，第三控制管I3的发射极连接地端。
在具体实施例中，上述第二控制管I2和第三控制管I3均可选用IGBT；上述变频器T1可选用，但并不限于MOS管变频电路、IGBT变频电路等；上述第一控制器U1可选用STM32单片机。
进一步地，所述超级电容器组模块6包括第一超级电容CD1、第二超级电容CD2、第三超级电容CD3和第三电阻R3；
具体地，所述第一超级电容CD1的第一端连接所述第二电感L2的第二端，第一超级电容CD1的第二端通过第二超级电容CD2连接第三超级电容CD3的第一端，第三超级电容CD3的第二端连接所述第一控制器U1的第四IO端并通过第三电阻R3连接地端。
在具体实施例中，上述第三电阻R3作为超级电容器组的电流采样电阻。
进一步地，所述双向均衡控制模块7包括第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6；
具体地，所述第一功率管Q1的漏极连接所述第一超级电容CD1的第一端，第二功率管Q2的漏极和第三功率管Q3的漏极连接所述第一超级电容CD1的第二端，第四功率管Q4的源极和第五功率管Q5的漏极连接所述第三超级电容CD3的第一端，第六功率管Q6的漏极连接所述第三超级电容CD3的第二端，第一功率管Q1的源极连接第二功率管Q2的原价和第四功率管Q4的漏极，第三功率管Q3的源极连接第五功率管Q5的源极和第六功率管Q6的源极，第一功率管Q1的栅极、第二功率管Q2的栅极、第三功率管Q3的栅极、第四功率管Q4的栅极、第五功率管Q5的栅极和第六功率管Q6的栅极均连接所述智能控制模块3。
在具体实施例中，上述第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5和第六功率管Q6均可选用N沟道增强型MOS管，通过功率管的导通和闭断完成超级电容器组模块6与电池组模块8的均衡充放电控制。
进一步地，所述双向均衡控制模块7还包括第七功率管Q7、第八功率管Q8、第九功率管Q9、第十功率管Q10、第十一功率管Q11、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4和第二电容C2；
具体地，所述第七功率管Q7的漏极和第九功率管Q9的漏极连接所述第一功率管Q1的源极，第七功率管Q7的源极连接第八功率管Q8的漏极并通过第二电感L2连接第二电容C2的第一端，第九功率管Q9的源极连接第三电感L3的第一端，第十一功率管Q11的漏极和第十功率管Q10的漏极连接所述第三功率管Q3的源极，第十一功率管Q11的源极通过第四电感L4连接第三电感L3的第二端，第十功率管Q10的源极连接第八功率管Q8的源极和第二电容C2的第二端，第七功率管Q7的栅极、第八功率管Q8的栅极、第九功率管Q9的栅极和第十功率管Q10的栅极均连接所述智能控制模块3。
在具体实施例中，上述第八功率管Q8、第七功率管Q7、第二电感L2和第二电容C2工作时，可看做为双向Boost-Buck电路，用于控制电池组模块8整体的充放电；上述第七功率管Q7、第八功率管Q8、第九功率管Q9、第十功率管Q10和第十一功率管Q11均可选用N沟道增强型MOS管。
进一步地，电池组模块8包括第一锂电池BAT1、第二锂电池BAT2；所述均衡调节模块9包括第五电感L5、第四电阻R4、第二二极管D2、第十三功率管Q13、第十二功率管Q12；
具体地，所述第一锂电池BAT1的正极连接第十三功率管Q13的漏极和所述第二电容C2的第一端，第一锂电池BAT1的负极连接所述第三电感L3的第二端、第二锂电池BAT2的正极和第四电阻R4的一端并通过第五电感L5连接第四电阻R4的另一端、第二二极管D2的阴极和第十二功率管Q12的漏极，第二锂电池BAT2的负极连接所述第十功率管Q10的源极和第十二功率管Q12的源极，第十三功率管Q13的源极连接第二二极管D2的阳极，第十二功率管Q12的栅极和第十三功率管Q13的栅极均连接所述智能控制模块3。
在具体实施例中，上述第十三功率管Q13和第十二功率管Q12均可选用N沟道增强型MOS管，且第十三功率管Q13和第十二功率管Q12仅在上述电池组模块8与超级电容器组模块6断开时工作。
进一步地，电池组监控模块10包括第五电阻R5、第六电阻R6、适配器U2、第十四功率管Q14、第七电阻R7、第八电阻R8、第一光耦U3、第一电源VCC1、第九电阻R9和第十电阻R10；
具体地，所述第五电阻R5的一端连接所述第一锂电池BAT1的正极和第十四功率管Q14的源极，第五电阻R5的另一端连接适配器U2的第一端并通过第六电阻R6连接所述第二锂电池BAT2的负极，适配器U2的第二端连接第十四功率管Q14的栅极，第十四功率管Q14的漏极通过第七电阻R7连接第八电阻R8的一端和第一光耦U3的第一端，第一光耦U3的第二端和第八电阻R8的另一端均接地，第一光耦U3的第三端连接第一电源VCC1，第一光耦U3的第四端连接第九电阻R9的一端并通过第十电阻R10连接地端，第九电阻R9的另一端连接所述第一功率管Q1的栅极。
在具体实施例中，上述可采用适配器U2可采用单节锂电池监控芯片，具体型号不做限定；上述第十四功率管Q14可选用P沟道增强型MOS管；上述第一光耦U3可选用PC817光电耦合器。
本发明一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，由电源端为变频器T1提供所需的电能，以便由变频器T1控制电机的转速，当需要进行紧急制动时，变频器T1会持续产生再生能源，初始时，智能控制模块3将直接控制超级电容器组模块6进行储能，并由第三电阻R3对超级电容器组模块6的电流进行采样，当采样的电流值达到第一控制器U1设定的超级电容器组模块6的电量阈值时，第一控制器U1将控制第七功率管Q7、第十一功率管Q11、第一功率管Q1和第三功率管Q3导通，使得超级电容器组模块6向第一锂电池BAT1进行供电，当第九功率管Q9、第十功率管Q10、第一功率管Q1和第三功率管Q3导通时，使得超级电容器组模块6向第二锂电池BAT2进行供电，当第七功率管Q7、第十功率管Q10、第四功率管Q4和第六功率管Q6导通时，电池组模块8为第三超级电容CD3供电，以便实现第一超级电容CD1、第二超级电容CD2、第三超级电容CD3、第一锂电池BAT1和第二锂电池BAT2的均衡充放电控制，当达到平衡后，双向均衡控制模块7将全部断开，此时第一控制器U1控制第十三功率管Q13和第十二功率管Q12的工作，实现对第一锂电池BAT1和第二锂电池BAT2的均衡控制，当电池组模组的电量出现过充时，适配器U2将控制第十四功率管Q14导通，继而控制第一控制管I1的工作，产生的多余再生能源将通过第一电阻R1进行消耗，当需要进行放电时，第七功率管Q7、第一功率管Q1将导通，使得电池组模块8和超级电容器组模块6共同通过双向调节模块5为电源模块1供电。
该超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路由超级电容器组模块6对再生能源进行吸收和储能，通过拓展的电池组模块8增加超级电容器组模块6的储能空间，避免电力调频电路产生的再生能源，由于超级电容器组模块6的储能上限而浪费，并由双向均衡控制模块7和均衡调节模块9完成超级电容器与锂电池的耦合控制，实现均衡互补控制，并可同时对电源模块1进行放电，使能源达到最大化的利用，降低能源的浪费，同时如果电池组模块8满电时将通过制动保护模块2进行泄放控制，降低再生能源对电路的影响。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，
该超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路包括：电源模块，制动保护模块，智能控制模块，变频模块，双向调节模块，超级电容器组模块，双向均衡控制模块，电池组模块，均衡调节模块，电池组监控模块；
所述电源模块，用于提供电路所需的直流电能；
所述制动保护模块，与所述电源模块连接，用于吸收再生能源并进行制动保护；
所述智能控制模块，用于输出脉冲信号并控制所述变频模块、双向调节模块、双向均衡控制模块和均衡调节模块的工作；
所述变频模块，与所述制动保护模块和智能控制模块连接，用于接收所述脉冲信号并通过变频电路调节输出电能的频率，用于在制动动作时产生再生能源；
所述双向调节模块，与所述变频模块和智能控制模块连接，用于将所述变频模块产生的再生能源传输给所述超级电容器组模块，用于将所述超级电容器组模块和双向均衡控制模块输出的电能传输给所述电源模块；
所述超级电容器组模块，与所述双向调节模块连接，用于通过多个超级电容器进行能源存储和能源释放；
所述双向均衡控制模块，与所述超级电容器组模块和智能控制模块连接，用于控制所述超级电容器组模块与电池组模块之间进行均衡充放电工作；
所述电池组模块，与所述双向均衡控制模块连接，用于通过多个电池组进行能源存储和能源释放；
所述均衡调节模块，与所述电池组模块和智能控制模块连接，用于均衡调节所述电池组模块中多个电池组的电压值；
所述电池组监控模块，与所述电池组模块和制动保护模块连接，用于对所述电池组模块的电量进行检测，用于在过充时控制所述制动保护模块的工作。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，所述电源模块包括电源端、第一电容、熔断器；所述制动保护模块包括第一电阻、第一二极管、第一控制管；
所述电源端的第一端连接第一电容的一端和第一熔断器的第一端，第一电容器的第二端连接第一电阻的一端和第一二极管的阴极，第一二极管的阳极连接第一电阻的另一端和第一控制器的集电极，第一控制器的栅极连接所述电池组监控模块，第一控制管的发射极、第一电容的另一端和电源端的第二端均接地。
3.根据权利要求2所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，所述变频模块包括变频器；所述智能控制模块包括第一控制器；所述双向调节模块包括第二控制管、第三控制管、第二电阻、第一电感；
所述变频器的第一端和第二控制管的集电极连接所述第一熔断器的第二端，变频器的第三端连接第一控制器的第三IO端，第二控制管的栅极和第三控制管的栅极分别连接第一控制器的第一IO端和第二IO端，第二控制管的发射极连接第三控制管的集电极并通过第二电阻连接第一电感的第一端，第一电感的第二端连接所述超级电容器组模块，第三控制管的发射极连接地端。
4.根据权利要求3所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，所述超级电容器组模块包括第一超级电容、第二超级电容、第三超级电容和第三电阻；
所述第一超级电容的第一端连接所述第二电感的第二端，第一超级电容的第二端通过第二超级电容连接第三超级电容的第一端，第三超级电容的第二端连接所述第一控制器的第四IO端并通过第三电阻连接地端。
5.根据权利要求4所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，所述双向均衡控制模块包括第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管；
所述第一功率管的漏极连接所述第一超级电容的第一端，第二功率管的漏极和第三功率管的漏极连接所述第一超级电容的第二端，第四功率管的源极和第五功率管的漏极连接所述第三超级电容的第一端，第六功率管的漏极连接所述第三超级电容的第二端，第一功率管的源极连接第二功率管的原价和第四功率管的漏极，第三功率管的源极连接第五功率管的源极和第六功率管的源极，第一功率管的栅极、第二功率管的栅极、第三功率管的栅极、第四功率管的栅极、第五功率管的栅极和第六功率管的栅极均连接所述智能控制模块。
6.根据权利要求5所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，所述双向均衡控制模块还包括第七功率管、第八功率管、第九功率管、第十功率管、第十一功率管、第二电感、第三电感、第四电感和第二电容；
所述第七功率管的漏极和第九功率管的漏极连接所述第一功率管的源极，第七功率管的源极连接第八功率管的漏极并通过第二电感连接第二电容的第一端，第九功率管的源极连接第三电感的第一端，第十一功率管的漏极和第十功率管的漏极连接所述第三功率管的源极，第十一功率管的源极通过第四电感连接第三电感的第二端，第十功率管的源极连接第八功率管的源极和第二电容的第二端，第七功率管的栅极、第八功率管的栅极、第九功率管的栅极和第十功率管的栅极均连接所述智能控制模块。
7.根据权利要求6所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，电池组模块包括第一锂电池、第二锂电池；所述均衡调节模块包括第五电感、第四电阻、第二二极管、第十三功率管、第十二功率管；
所述第一锂电池的正极连接第十三功率管的漏极和所述第二电容的第一端，第一锂电池的负极连接所述第三电感的第二端、第二锂电池的正极和第四电阻的一端并通过第五电感连接第四电阻的另一端、第二二极管的阴极和第十二功率管的漏极，第二锂电池的负极连接所述第十功率管的源极和第十二功率管的源极，第十三功率管的源极连接第二二极管的阳极，第十二功率管的栅极和第十三功率管的栅极均连接所述智能控制模块。
8.根据权利要求7所述的一种超级电容器由锂电池耦合的电力调频电路，其特征在于，电池组监控模块包括第五电阻、第六电阻、适配器、第十四功率管、第七电阻、第八电阻、第一光耦、第一电源、第九电阻和第十电阻；
所述第五电阻的一端连接所述第一锂电池的正极和第十四功率管的源极，第五电阻的另一端连接适配器的第一端并通过第六电阻连接所述第二锂电池的负极，适配器的第二端连接第十四功率管的栅极，第十四功率管的漏极通过第七电阻连接第八电阻的一端和第一光耦的第一端，第一光耦的第二端和第八电阻的另一端均接地，第一光耦的第三端连接第一电源，第一光耦的第四端连接第九电阻的一端并通过第十电阻连接地端，第九电阻的另一端连接所述第一功率管的栅极。
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