CN203301209U - 超级电容充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超级电容充电装置，其包括电性连接的输入控制开关单元、EMI处理单元、信号采集单元、驱动单元以、控制和保护单元、单相输入整流单元、电流馈电拓扑单元及输出开关控制单元。该装置采用基于电流馈电拓扑结构、电压模式控制以及前馈补偿控制技术，对超级电容组进行充电，可以实现对超级电容两段式充电模式，实现该充电装置宽输入、高效率、低成本，性能可靠，适用性强，极大地促进了超级电容的产业化进程；该装置适用于宽交流电压输入的超级电容组的充电的装置。

Description

超级电容充电装置

技术领域

本实用新型是一种用于超级电容充电的装置，利用本装置对超级电容组进行充电，可以实现对超级电容两段式充电模式。该装置适用于宽交流电压输入的超级电容组的充电的装置。

背景技术

纯电动汽车的电源为电池，受电池本身特性的影响，电池耐受冲击能力弱，而超级电容器作为一种双电层电容器，由于特殊的原材料和制作方法使其具有较高的功率密度和效率，兼具电池与电容的双重特性，成为一种性能极佳的动力电源。超级电容器满足了市场对高频率、大强度、高循环次数、并符合环保政策的动力电源的需求，在电动汽车、电子电器、蓄能装置、太阳能等领域有着极好的发展前景。目前国内面向单纯应用于超级电容充电装置的生产单位几乎没有，无法满足动力系统对电容动力的快速需求，研制超级电容的充电装置具有重要意义。

因此，在致力于纯电动车电源的研究过程中，申请了关于纯电动汽车直流变换器的专利，其中在第201120157092.6号的纯电动汽车直流变换器专利中公开了宽输入的基于功率单元并联的纯电动车用直流变换器，主要由电性连接的输入控制继电器、功率并联单元、EMI处理单元、输出控制继电器以及控制和保护单元组成。该变换器的功率单元并联和脉冲控制芯片，使得变换器体积小，且能提高工作效率；能够按照输入电压的波动情况以及负载的变化特征，自动实现输出电压的稳压和环流抑制；出现短路故障时系统能够以最快的速度关闭功率器件的脉冲。然而，该直流变换器存在频繁的启动、关闭，极大的降低了直流变换器的可靠性；同时软启动功能使用有局限，输出开关控制模块易老化等问题，需要进一步优化工作模式和保护功能，提高可靠性和实用性。

于是通过优化后的第201220153122.0号专利中公开的纯电动汽车直流变换装置，其包括电性连接的输入开关控制模块、功率并联单元、EMI处理模块、控制和保护模块及与上述模块电性连接的信号采集模块、模式转换模块和驱动模块。该改进型纯电动汽车用直流变换装置，优化了直流变换器的工作模式、输入开关控制模块以及保护功能，装置的可靠性和适用性得到一定提高。

尽管做了上述的优化，但鉴于超级电容充电装置的生产在国内一直未形成成熟的技术，因而尚待从细节之处进一步的优化完善，以促进超级电容的产业化应用。

本实用新型即是研究在可变单相交流电压输入的情况下，基于电压馈电拓扑结构、电压模式控制以及前馈补偿控制的超级电容组的充电装置，对促进超级电容的产业化应用有明显重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的在于针对超级电容充电或检测而设计的一种基于电流馈电拓扑结构、电压模式控制以及前馈补偿控制的超级电容组的充电装置。通过该装置能适用于不同电容组的充电，经过简单的参数匹配可以满足多种超级电容组充电要求，并确保该装置具有高效率和高可靠性。 

本实用新型是通过以下方案实现的：

上述的超级电容充电装置，包括电性连接的输入控制开关单元、EMI处理单元、信号采集单元、驱动单元以及控制和保护单元；其特征在于：所述超级电容充电装置还包括与上述单元电性连接的单相输入整流单元、电流馈电拓扑单元及输出开关控制单元；所述单相输入整流单元将单相交流电变成脉动较小的直流电；所述电流馈电拓扑单元实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压，实现将高压直流电压源转换成电流源后通过推挽全桥逆变、高频隔离以及整流滤波处理后得到低压直流电压。

输出开关控制单元对系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时根据保护工作模式状态对输出开关单元进行控制。

所述的超级电容充电装置，其中：所述单相输入整流单元的单相交流电压输入经过单相全桥不可控整流电路得到脉动的直流电压。

所述的超级电容充电装置，其中：所述控制和保护单元主要实现PWM脉冲的产生、恒压、恒流、输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护、短路保护、过热保护、充电过程控制以及电容状态监控功能。所述控制和保护单元采用闭环控制，在电流环控制中增加前馈补偿控制。所述闭环控制是在直流母线侧使用较小电容的情况下，对输入交流电压进行采样，将电压环输出、交流电压采样值以及电感电流作为乘法器的输入，乘法器的输出作为电流环的参考值。

所述的超级电容充电装置，其中：所述超级电容充电装置还包括输入开关驱动单元和输出开关驱动单元；所述输入开关驱动单元将所述控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输入开关控制单元；所述输出开关驱动单元将所述控制和保护单元发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输出开关控制单元。

所述的超级电容充电装置，其中：所述输入控制开关单元进行系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时根据保护工作模式状态对该开关单元进行控制。

所述的超级电容充电装置，其中：所述EMI处理单元抑制变压器二次侧的传导干扰。

所述的超级电容充电装置，其中：所述信号采集单元采集电容状态信息、输出电压和输出电流，并且将采集到的信号输出到控制和保护单元。

所述的超级电容充电装置，其中：所述驱动单元将控制和保护单元输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测MOSFET短路故障的功能。

有益效果：

本实用新型的用于超级电容充电的装置，采用基于电流馈电拓扑结构、电压模式控制以及前馈补偿控制技术，利用本装置对超级电容组进行充电，可以实现对超级电容两段式充电模式，实现该充电装置宽输入、高效率、低成本，性能可靠，适用性强，极大地促进了超级电容的产业化进程；该装置适用于宽交流电压输入的超级电容组的充电的装置。具有如下特点：

1．单相交流电压输入经过单相全桥不可控整流电路得到脉动的直流电压，采用电流馈电拓扑结构，将整流输出直流电压转换成直流电流，实现将高压直流电压源转换成电流源后通过推挽全桥逆变、高频隔离以及整流滤波处理后得到低压直流电压。

构成一个电流馈电拓扑结构，完全避免了隔离变压器出现的偏磁现象；同时不需要整流输出滤波电感，大大减小了车载电源体积和成本，也避免了充电装置输出滤波电感发热的问题；在输入电源和拓扑之间具有较大的电感，避免了瞬间短路的问题；

2．为满足电压纹波的要求，在直流母线侧使用较小电容的情况下，在电流环控制中引入前馈补偿控制，对输入交流电压进行采样，将电压环输出、交流电压采样值以及电感电流作为乘法器的输入，乘法器的输出作为电流环的参考值，这样在该装置的输出功率不随输入电压的波动而改变，既减小了输出电压纹波，又提高了系统具有较高动态响应的速度；

3.进入运行模式后，如果检测到输出电池欠压就进入恒流模式，当电压升到13V以上后进入恒压模式，同时检测负载状态和输入电池状态，出现故障时分为三种情况进行处理：在非短路和抛负荷情况下立即关闭脉冲同时断开主回路供电，等待2秒后若故障排除则重新启动，此时进入启动模式，启动模式结束后进入正常工作模式；如果出现短路情况，系统马上进入恒流工作模式；如果出现突然空载情况，系统进入恒压工作模式；同时故障灯显示。

附图说明

图1为本实用新型超级电容充电装置的系统结构图；

图2为本实用新型超级电容充电装置的主电路原理图；

图3为本实用新型超级电容充电装置的闭环控制原理图。

具体实施方式

本实用新型是于针对超级电容充电或检测而设计的一种基于电流馈电拓扑结构、电压模式控制以及前馈补偿控制的超级电容组的充电装置。如图1、图2所示，该超级电容充电装置主要由电性连接的单相输入整流单元1、输入控制开关单元2、输入开关驱动单元3、电流馈电拓扑单元4、EMI处理单元5、信号采集单元6、驱动单元7、输出开关控制单元8、输出开关驱动单元9以及控制和保护单元10组成。

单相输入整流单元1将单相交流电变成脉动较小的直流电；单相交流电压输入经过单相全桥不可控整流电路得到脉动的直流电压；

输入控制开关单元2通过对系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时根据保护工作模式状态对输入开关单元进行控制；

输入开关驱动单元3将控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制输入开关控制模块；

电流馈电拓扑单元4实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压；实现将高压直流电压源转换成电流源后通过推挽全桥逆变、高频隔离以及整流滤波处理后得到低压直流电压；

EMI处理单元5抑制变压器二次侧的传导干扰；

信号采集单元6采集电容状态信息、输出电压和输出电流，并且将采集到的信号输出到控制和保护单元10。

驱动单元7将控制和保护单元10输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号，该驱动单元7同时还有检测MOSFET短路故障的功能。

输出开关控制单元8控制逻辑与输入控制开关单元开关逻辑相同，通过对系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时根据保护工作模式状态对输出开关单元进行控制；

输出开关驱动单元9将控制和保护单元发出的控制信号进行隔离放大来控制输出开关控制单元；

控制和保护单元10主要实现PWM脉冲的产生、恒压、恒流、输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护、短路保护、过热保护、充电过程控制以及电容状态监控功能，采用闭环控制，控制原理如图3所示，在电流环控制中增加前馈补偿控制，同时对电感电流和输入交流电源进行采样，作为乘法器P1的输入，再经过功率放大器PWM输出；因此，在直流母线侧使用较小电容的情况下，由于在电流环控制中引入前馈补偿控制，对输入交流电压进行采样，将电压环输出、交流电压采样值以及电感电流作为乘法器P1的输入，乘法器P1的输出作为电流环的参考值，使该装置的输出功率不随输入电压的波动而改变。

工作过程： 

单相交流输入电压通电后，辅助电源启动，控制和保护单元10进入自诊断系统，通过信号采集单元6检测供电电压是否正常、检测充电装置输出端超级电容是否接上等，如果正常，输入控制开关单元2的开关闭合，如果有一个出现故障则系统不启动，且以光形式给出故障显示信息；

自诊断系统确认正常以后，输入控制开关单元2的开关合上，进入正常工作模式；单相交流输入电压通过单相输入整流滤波单元1、电流馈电拓扑单元4、EMI处理单元5、输出开关控制单元8将单相交流电变换成直流电给超级电容充电；充电过程中，控制和保护单元10实时检测输出电压输出电流等状态信号，控制充电流程；

在充电过程中，控制和保护单元10通过信号采集单元6检测是否有出现输入电压欠压、输入电压过压、输出过压、输出过流、充电装置过热、输出短路、输出开路等情况，一旦出现则进入保护工作模式；保护工作模式中，控制和保护单元10进入故障保护处理工作流程，经过一定时间的延时后，如果故障排除，系统自动恢复进入正常工作模式。

本实用新型具有如下特点：

1．基于电流馈电拓扑结构

单相交流电压输入经过单相全桥不可控整流电路得到脉动的直流电压，采用电流馈电拓扑结构，将整流输出直流电压转换成直流电流，实现将高压直流电压源转换成电流源后通过推挽全桥逆变、高频隔离以及整流滤波处理后得到低压直流电压，构成一个电流馈电拓扑结构，完全避免了隔离变压器出现的偏磁现象；同时不需要整流输出滤波电感，大大减小了车载电源体积和成本，也避免了充电装置输出滤波电感发热的问题；在输入电源和拓扑之间具有较大的电感，避免了瞬间短路的问题；

2．前馈补偿控制技术

由于输入交流电压在波动，当负载从轻载上升到满载时，由于电感的影响，输出电容上的电压未能迅速上升到所需要的电压，这样就引起后级变换器输出电压的波动；为满足电压纹波的要求,，在直流母线侧使用较小电容的情况下，在电流环控制中引入前馈补偿控制，对输入交流电压进行采样，将电压环输出、交流电压采样值以及电感电流作为乘法器的输入，乘法器的输出作为电流环的参考值，这样在该装置的输出功率不随输入电压的波动而改变，既减小了输出电压纹波，又提高了系统具有较高动态响应的速度；

3. 保护功能逻辑优化

是在第201120157092.6号纯电动汽车直流变换器和第201220153122.0 号纯电动汽车直流变换装置专利的技术基础上进行了进一步优化，进入运行模式后，如果检测到输出电池欠压就进入恒流模式，当电压升到13V以上后进入恒压模式，同时检测负载状态和输入电池状态，出现故障时分为三种情况进行处理：在非短路和抛负荷情况下立即关闭脉冲同时断开主回路供电，等待2秒后若故障排除则重新启动，此时进入启动模式，启动模式结束后进入正常工作模式；如果出现短路情况，系统马上进入恒流工作模式；如果出现突然空载情况，系统进入恒压工作模式；同时故障灯显示。

本实用新型的在可变单相交流电压输入的情况下基于电压馈电拓扑结构、电压模式控制以及前馈补偿控制的超级电容组充电装置的研发成功，对促进超级电容的产业化应用有明显重要的意义。

Claims (10)

1.一种超级电容充电装置，包括电性连接的输入控制开关单元、EMI处理单元、信号采集单元、驱动单元以及控制和保护单元；其特征在于：所述超级电容充电装置还包括与上述单元电性连接的单相输入整流单元、电流馈电拓扑单元及输出开关控制单元；

所述单相输入整流单元将单相交流电变成脉动较小的直流电； 

所述电流馈电拓扑单元实现将高压直流电压隔离变换成低压直流电压，实现将高压直流电压源转换成电流源后通过推挽全桥逆变、高频隔离以及整流滤波处理后得到低压直流电压；

输出开关控制单元对系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时根据保护工作模式状态对输出开关单元进行控制。

2.如权利要求1所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述单相输入整流单元的单相交流电压输入经过单相全桥不可控整流电路得到脉动的直流电压。

3.如权利要求1或2所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述控制和保护单元主要实现PWM脉冲的产生、恒压、恒流、输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护、短路保护、过热保护、充电过程控制以及电容状态监控功能。

4.如权利要求3所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述控制和保护单元采用闭环控制，在电流环控制中增加前馈补偿控制。

5.如权利要求4所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述闭环控制是在直流母线侧使用较小电容的情况下，对输入交流电压进行采样，将电压环输出、交流电压采样值以及电感电流作为乘法器的输入，乘法器的输出作为电流环的参考值。

6.如权利要求1或2所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述超级电容充电装置还包括输入开关驱动单元和输出开关驱动单元；

所述输入开关驱动单元将所述控制和保护模块发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输入开关控制单元；

所述输出开关驱动单元将所述控制和保护单元发出的控制信号进行隔离放大来控制所述输出开关控制单元。

7.如权利要求1或2所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述输入控制开关单元进行系统进行自检，状态检测正常后开关闭合，故障时根据保护工作模式状态对该开关单元进行控制。

8.如权利要求1或2所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述EMI处理单元抑制变压器二次侧的传导干扰。

9.如权利要求1或2所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述信号采集单元采集电容状态信息、输出电压和输出电流，并且将采集到的信号输出到控制和保护单元。

10.如权利要求1或2所述的超级电容充电装置，其特征在于：所述驱动单元将控制和保护单元输出的四路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号，驱动模块同时还有检测MOSFET短路故障的功能。

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