CN204391803U

CN204391803U - 电压平衡及充放电控制装置

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Publication number: CN204391803U
Application number: CN201520007948.XU
Authority: CN
Inventors: 梁群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2025-01-06

Abstract

本实用新型涉及一种电压平衡及充放电控制装置，包括电压平衡电路及充放电控制电路。电压平衡电路包含多个串联的超电容、多个串联第一电压侦测电路及多个串联的放电回路。第一电压侦测电路电性连接超电容，以侦测超电容的电压。放电回路连接超电容及第一电压侦测电路，并于超电容的电压超过第一电压预定值开启。充放电控制电路电性连接电源及超电容，包含第二电压侦测电路、限流开关及第一切换开关。第二电压侦测电路电性连接超电容，用于侦测超电容的电压。限流开关电性连接电源及超电容。第一切换开关并联连接于限流开关，并于第二电压侦测电路侦测多个串联的超电容的电压达到第二电压预定值开启。

Description

电压平衡及充放电控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种电压平衡及充放电控制装置，特别是结合串联超电容及储能电池的电压平衡及充放电控制装置。

背景技术

储能电池主要指使用在例如交通工具、电子电路、发电装置等领域上储蓄能源用的蓄电池，而常见的储能电池为铅酸电池，其具有广阔的应用范围。铅酸电池具有价格低廉生产简易等优点，但同时亦具有能量小、放电大、重量大、寿命短等缺点。再者铅和硫酸都有污染环境的危险。

近年来运用广泛的超级电容(超电容)具有使用寿命长、温度特性好、充电时间短、节约能源以及绿色环保等特点，但是超电容在使用上并不能等同于一般储能电池使用，特别是在将超电容串联使用时产生的电压平衡问题。

进一步而言，由于每个超电容具有一额定电压值，但使用串联的超电容时，并无法在电路中控制每一个串联超电容上的电压于充电时可以平均地分配电量。因此，一旦在充电的过程中超过其中一个超电容的额定电压值时，将造成超电容的毁损。

此外，根据一般电容的特性，其于初始充电的状态视为短路，而超电容亦为相同的原理。因此，在包括超电容的电子电路中，若其电路布局包含例如保险丝或者其它的电子元件将容易因为充电瞬间短路状态而产生的大电流烧毁。然而，若为了保护电子电路中的超电容及其它电子元件而增加限流元件，在使用超电容放电时亦将因为限制住其放电的电流量反而造成充电速率降低的问题。

再者，将超电容运用到具有蓄电池的交通工具时，例如汽车等交通工具，蓄电池则为汽车的电瓶，而电瓶可通过超电容提供的电力充电。此外，点烟器是汽车里面的一个电气装置，原先设计为用来点燃卷烟，但现在用来供应12伏特直流电(实际上约13.5伏特)的连接接口，用以在车内提供携带式设备电源。虽然点烟器目前广泛地使用于各式汽车内，然而，当使用者于具有智能感应启闭装置的车款时，在已经关闭汽车电源的情况下，汽车发电机的电压与电瓶仍为导通的状态，亦即使用于点烟器上的装置仍然具有残留电压时，汽车将视为车上仍有运作中的装置而无法进行汽车上锁的动作。因此，使用者必须将点烟器上的装置直接拔除以移除残留电压，才能完成关闭车门的动作；或者，使用者必须等待一段时间，经由汽车的内阻抗消耗掉点烟器上的装置的残留电压时才能完成关闭车门的动作，因而造成使用者的不便。

据此，如何提供一种可结合储能电池及超电容的电子电路已成为目前极需克服的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种电压平衡及充放电控制装置，其可结合储能电池及超电容的电子电路，即提供一种结合串联超电容及储能电池的电压平衡及充放电控制装置。

为达上述目的，本实用新型提供一种电压平衡及充放电控制装置，包括一电压平衡电路，包含：多个串联的超电容；多个串联的第一电压侦测电路，分别电性连接该多个串联的超电容，以分别侦测该多个串联的超电容的一电压；及多个串联的放电回路，分别电性连接该多个串联的超电容及该多个串联的第一电压侦测电路，并于该超电容的该电压超过一第一电压预定值开启；以及一充放电控制电路，电性连接一电源及该多个串联的超电容，包含：一第二电压侦测电路，电性连接该多个串联的超电容，用于侦测该多个串联的超电容的该电压；一限流开关，电性连接该电源及该多个串联的超电容；及一第一切换开关，并联连接于该限流开关，并于该第二电压侦测电路侦测该多个串联的超电容的该电压达到一第二电压预定值开启。

承上所述，本实用新型通过电压平衡及充放电控制装置，可在多个串联超电容各自的电压超过一电压预定值时，分别以多个放电回路下拉(pull-down)超电容上的电压，以进一步平衡每一个串联超电容上的电压而达到保护超电容及平衡串联超电容电压的目的，并可减少电子电路中电流的功率损失。

再者，通过本实用新型的电压平衡及充放电控制装置，可针对超电容预先充电，以避免在无法确知超电容电量的状态下，对其充电而产生毁损。再者，在超电容达到充电量的一预定设定值时可切换放电路径，以产生最大的放电电流。据此，串联的超电容与一般储能电池相互结合应用时，可将超电容的功率特性和储能电池的高能量存储特点相互结合，以在电子电路上达到更优良的效果。

此外，本实用新型电压平衡及充放电控制装置应用于汽车等交通工具上时，通过平衡及控制电流以改善电路供电的状态，进一步达到节省汽车油耗的功效。

附图说明

图1为本实用新型电压平衡及充放电控制装置的示意图；

图2为本实用新型电压平衡及充放电控制装置的电路图；

图3为本实用新型电压平衡及充放电控制装置的另一电路图。

图中符号说明

1 电压平衡及充放电控制装置

11 电压平衡电路

111 第一电压侦测电路

112 放电回路

112A 晶体管

R_L 负载电阻

R_G 偏压电阻

12 充放电控制电路

121 第二电压侦测电路

122 限流开关

123 第一切换开关

124 第二切换开关

124A 第三电压侦测电路

124B 双极性接面晶体管

R1 第一电阻

R2 第二电阻

D 齐纳二极管

C1～C6 超电容

P 电源

具体实施方式

请一并参阅图1及图2，为本实用新型电压平衡及充放电控制装置的示意图及电路图。本实用新型的电压平衡及充放电控制装置1包括电压平衡电路11及充放电控制电路12。电压平衡电路11包含多个串联的超电容C1～C6、多个串联的第一电压侦测电路111及多个串联的放电回路112。充放电控制电路12包含第二电压侦测电路121、限流开关122以及第一切换开关123。

多个串联的第一电压侦测电路111分别并联连接多个串联的超电容C1～C6，以分别侦测多个串联超电容C1～C6的一电压。多个串联的放电回路112分别电性连接多个串联的超电容C1～C6及多个串联的第一电压侦测电路111，并于超电容C1～C6的电压超过第一电压预定值开启。

放电回路包括晶体管112A、负载电阻R_L及偏压电阻R_G。于本实用新型的一实施例中，晶体管112A包括金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。负载电阻R_L电性连接于晶体管112A的漏极。偏压电阻R_G及第一电压侦测电路111电性连接于晶体管112A的栅极。

如现有技术所述，超电容C1～C6若以串联方式连接，对于串联的超电容C1～C6在充电时并无法确保或控制充电的电流可以平均输入至每一个串联的超电容C1～C6上，甚至于若充电的电量超过某一个超电容C1～C6的额定电压时则会产生损坏的问题。

因此，本实用新型的电压平衡及充放电控制装置1于每一个串联的超电容C1～C6上个别并联连接第一电压侦测电路111以及放电回路112，并于当第一电压侦测电路111侦测到超电容C1～C6上的电压超过第一电压预定值时，例如，超过0.1伏特时，放电回路112的晶体管112A将因此导通，进一步形成放电路径，以下拉超电容C1～C6上的电压，达到保护每一个超电容C1～C6及平衡每一个超电容C1～C6电压的功效。第一电压预定值可根据实际的电路设计调整，本领域技术人员应可了解其作动原理，于此不再赘述。此外，于本实用新型的一实施例中，串联超电容C1～C6的个数包括至少六个，但实际的串联个数可依据应用的电路负载而改变，于本实用新型中并不以此为限。

充放电控制电路12电性连接一电源P及上述多个串联的超电容C1～C6。第二电压侦测电路121电性连接多个串联的超电容C1～C6，用于侦测多个串联的超电容C1～C6的电压。限流开关122电性连接电源P及多个串联的超电容C1～C6。第一切换开关123并联连接于限流开关122，并于第二电压侦测电路121侦测多个串联的超电容C1～C6的电压达到第二电压预定值开启。

进一步而言，针对超电容C1～C6进行充电时，由于无法预先确定其电压的初始充电状态，因此，充放电控制电路12以限流开关122限制其对超电容C1～C6充电的电量，避免过大的充电电流而烧毁超电容C1～C6。再者，充放电控制电路12在初始充电状态时，经由限流开关122针对超电容C1～C6进行预先充电(precharge)的动作。当第二电压侦测电路121侦测多个串联超电容C1～C6的电压达到第二电压预定值时，则开启第一切换开关123，使得电源P对超电容C1～C6的充电路径可经由限流开关122转换为第一切换开关123，以更快速地针对超电容C1～C6充电。换句话说，当多个串联超电容C1～C6的电压低于第二电压预定值时，电源P经由限流开关122充电多个串联超电容C1～C6；当多个串联超电容C1～C6的电压达到第二电压预定值时，电源P经由第一切换开关123充电多个串联超电容C1～C6。

于本实用新型的一实施例中，限流开关122包括电阻，第一切换开关123包括金氧半场效晶体管，而在金氧半场效晶体管导通时的阻抗小于电阻，因此可使得超电容C1～C6的电压达到第二电压预定值时切换充电路径。相对地，当超电容C1～C6上的电压已经预先充电而达到第二电压预定值时，金氧半场效晶体管导通，若充放电控制电路连接的电源电压低于超电容C1～C6上的电压，则超电容C1～C6可经由金氧半场效晶体管的充电路径针对电源P产生大电流的充电。据此，通过充放电控制电路12可达到预先充电、保护电路及产生大电流放电(针对电源快速充电)的功效。

再者，将本实用新型的电压平衡及充放电控制装置1应用于例如汽车的交通工具时，充放电控制电路12连接的电源P则相当于汽车的电瓶。据此，通过充放电控制电路12可针对超电容C1～C6预先充电以达到保护电路的目的，并在超电容C1～C6充电量达到第二电压预定值时，通过导通的第一切换开关123达到大电流放电(对电瓶快速充电)的功效。

请参阅图3，为本实用新型电压平衡及充放电控制装置的另一电路图。承上所述，将本实用新型的电压平衡及充放电控制装置1应用于例如汽车的交通工具时，还包括第二切换开关124，其电性连接于电源P、限流开关122及第一切换开关123，其中电源P为汽车电瓶。

第二切换开关124包括第三电压侦测电路124A、第一电阻R1、第二电阻R2、齐纳二极管D、一双极性接面晶体管(BJT)124B，其中第三电压侦测电路124A包括金氧半场效晶体管。双极性接面晶体管124B的集极端电性连接金氧半场效晶体管的栅极端，并于双极性接面晶体管124B的基极端与金氧半场效晶体管的源极端或漏极端之间连接第二电阻R2及齐纳二极管D。

据此，本领域技术人员可了解只有当双极性接面晶体管124B导通时，金氧半场效晶体管才能导通。换句话说，当第二切换开关124在电压平衡及充放电控制装置1处于操作状态下为开启状态；当电压平衡及充放电控制装置1处于关闭状态下时，由于串联超电容C1～C6端的电压会下降(例如由14.6V降为12.8V)，造成不足以克服齐纳二极管D以及双极性接面晶体管124B上的压降，因此使得双极性接面晶体管124B及金氧半场效晶体管处于关闭状态，第二切换开关124因此无法导通，据此，使用者可关闭汽车的车门。

综上所述，本实用新型具有以下有益技术效果：本实用新型通过电压平衡及充放电控制装置，可在多个串联超电容各自的电压超过一电压预定值时，分别以多个放电回路下拉(pull-down)超电容上的电压，以进一步平衡每一个串联超电容上的电压而达到保护超电容及平衡串联超电容电压的目的，并可减少电子电路中电流的功率损失。

再者，通过本实用新型的电压平衡及充放电控制装置，可针对超电容预先充电，以避免在无法确知超电容电量的状态下，对其充电而产生毁损。此外，在超电容达到充电量的一预定设定值时可切换放电路径，以产生最大的放电电流。据此，串联的超电容与一般储能电池相互结合应用时，可将超电容的功率特性和储能电池的高能量存储特点相互结合，以在电子电路上达到更优良的效果。

此外，本实用新型应用于汽车等交通工具上时，可将电压平衡及充放电控制装置整合至省油器的装置上，并将其设置于点烟座上以取代点烟器，以解决使用者关闭车门时无法卸载点烟器上的残留电压而造成无法顺利关闭车门的问题。再者，通过平衡及控制电流以改善电路供电的状态，进一步达到节省汽车油耗的功效。

Claims

1.一种电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，包括：

一电压平衡电路，包含：

多个串联的超电容；

多个串联的第一电压侦测电路，分别电性连接该多个串联的超电容，以分别侦测该多个串联的超电容的一电压；及

多个串联的放电回路，分别电性连接该多个串联的超电容及该多个串联的第一电压侦测电路，并于该超电容的该电压超过一第一电压预定值开启；以及

一充放电控制电路，电性连接一电源及该多个串联的超电容，包含：

一第二电压侦测电路，电性连接该多个串联的超电容，用于侦测该多个串联的超电容的该电压；

一限流开关，电性连接该电源及该多个串联的超电容；及

一第一切换开关，并联连接于该限流开关，并于该第二电压侦测电路侦测该多个串联的超电容的该电压达到一第二电压预定值开启。

2.如权利要求1所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该多个串联的超电容包括至少六个。

3.如权利要求1所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该多个第一电压侦测电路分别并联该多个串联超电容。

4.如权利要求1所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该电源为一汽车电瓶。

5.如权利要求4所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，当该多个串联超电容的该电压达到该第二电压预定值时，该多个串联超电容经由该第一切换开关充电该汽车电瓶。

6.如权利要求1所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，当该多个串联超电容的该电压低于该第二电压预定值时，该电源经由该限流开关充电该多个串联超电容。

7.如权利要求1所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该充放电控制电路还包括一第二切换开关，电性连接于该电源、该限流开关及该第一切换开关。

8.如权利要求7所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该第二切换开关于该电压平衡及充放电控制装置处于关闭状态时关闭。

9.如权利要求7所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该电压平衡及充放电控制装置应用于一交通工具。

10.如权利要求1所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该放电回路包括：

一晶体管；

一负载电阻，电性连接于该晶体管的漏极；以及

一偏压电阻，电性连接于该晶体管的栅极。

11.如权利要求10所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该晶体管为金氧半场效晶体管。

12.如权利要求11所述的电压平衡及充放电控制装置，其特征在于，该第一电压侦测电路电性连接该金氧半场效晶体管的栅极。