CN207442499U - 一种基于超级电容的节能电源系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电源系统技术领域，具体涉及一种基于超级电容的节能电源系统。本实用新型所要解决的技术问题是提出一种基于超级电容的节能电源系统，解决电源系统不稳定的问题。为了解决上述技术问题，本实用新型提出这样一种基于超级电容的节能电源系统，包括充电电路及其保护电路、基于超级电容器的电池模块和放电电路及稳压电源电路，充电电路及其保护电路与基于超级电容器的电池模块连接，基于超级电容器的电池模块再与放电电路及稳压电源电路连接，所述充电电路及其保护电路使用三端稳压芯片，所述基于超级电容器的电池模块由超级电源组、配套电源和均衡电路组成。本实用新型具有稳定可靠又节能的效果。
Description
技术领域
本实用新型属于电源系统技术领域，具体涉及一种基于超级电容的节能电源系统。
背景技术
第一次工业革命以来，人口不断增长，全世界现代化自动化程度不断地进步和革新，能源的需求量也越来越大。然而，传统的化石能源有不断消耗殆尽的趋势。再加上数十年大量化石能源的消耗给地球环境带来了巨大影响。例如，温室气体导致全球变暖和它所引发的一系列环境问题，大量能源开采对地质环境改变造成的诸多问题，燃烧化石能源产生的粉尘导致了空气恶化。有数据显示近几年人类癌症病发率显著增加，可以断定是环境因素所引发。因此，寻找新的可再生替代能源是维持人类可持续发展的唯一途径，也成为了本世纪众多科学家研究的重点。
可再生能源如风能、潮汐能、太阳能、生物质能等，储能技术将可以有效地将这些可再生能源转化为可稳定输出的能源，来匹配人类对能源的需求。超级电容器，也被称为电化学电容器，提供了一个电能储存和传递的模型，和电池一样是电化学储能技术的一种。目前超级电容器已在很多小型电子设备中应用。它如果与锂离子电池结合应用在电动车中，可以大大提高现有电动车性能，如更快的启动和爬坡速度、充电更快、电池寿命更长等。
超级电容器在使用过程中并非每一个方面都是优越的，这就要求在运用超级电容器时能熟练掌握该装置的优缺点。受到制造技术的限制，我国在使用超级电容器时还存在安装、调试等方面的不足。不少设备因盲目使用超级电容器造成电路故障，影响了整个设备性能的发挥。
重难点体现在对于超级电容器的选型，充放电电路的设计与制作，以及各级电路之间的配合工作。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种基于超级电容的节能电源系统，通过优选超级电容器类型，以及对于充放电电路的设计，以及各级电路之间的配合工作，解决了电源系统不稳定的问题，具有稳定可靠又节能的效果。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种基于超级电容的节能电源系统，包括充电电路及其保护电路、基于超级电容器的电池模块和放电电路及稳压电源电路，充电电路及其保护电路与基于超级电容器的电池模块连接，基于超级电容器的电池模块再与放电电路及稳压电源电路连接，所述充电电路及其保护电路使用三端稳压芯片，所述基于超级电容器的电池模块由超级电源组、配套电源和均衡电路组成。
优选的，所述充电电路及其保护电路还包括电阻R1、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2；电阻R1串联在三端稳压芯片的电源输入端Vin与基于三端稳压芯片的电源电路的供电电源输入端之间，三端稳压芯片的电源输入端Vin与基于三端稳压芯片的电源电路的电源地之间并联电容C1，三端稳压芯片的电源输出端Vo与地GND端之间并联电容C2，三端稳压芯片的电源输出端Vo与电容C2之间串联有二极管D2，且该二极管D2的阳极与三端稳压芯片电源输出端Vo连接，三端稳压芯片的地GND与基于三端稳压芯片的电源电路的电源地之间串联有二极管D1，且该二极管D1的阳极与三端稳压芯片的地GND端连接。
优选的，所述三端稳压芯片为78H12型三端稳压集成电路。
优选的，所述均衡电路包括多个串联的单体电池，电池管理模块，控制模块以及多条均衡电路，其中每个单体电池的两端通过信号采集线连接电池管理模块的AD采样端口；每条均衡电路均与单体电池并联，包括相互串联的开关以及电阻，所述电池管理模块根据控制模块的信号控制所述开关打开或关闭从而开启对应的均衡电路。
优选的，所述基于超级电容器的电池模块还包括稳压管，稳压管与均衡电路并联，在电路接错时保护电池管理模块。
优选的，所述超级电源组安装有K2超级电容器。
优选的，所述基于超级电容器的电池模块安装有BW6101超级电容保护芯片。
优选的，所述放电电路及稳压电源电路采用TI公司高性能开关电源芯片TPS63070本实用新型有益效果是:稳定可靠又节能，结构简单且造价低廉。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本实用新型的具体实施方式的结构示意图。
图2是本实用新型的具体实施方式的充电电路及其保护电路电路图。
图3是本实用新型的具体实施方式的均衡电路图
图4是本实用新型的具体实施方式的BW6101芯片电路图。
图5是本实用新型的具体实施方式的TPS63070电路图。
图6是本实用新型的具体实施方式的3.3V稳压电路图。
图7是本实用新型的具体实施方式的5V稳压电路图。
图8是本实用新型的具体实施方式的可调电压VADJ稳压电路图。
图9是本实用新型的具体实施方式的舵机接口图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，一种基于超级电容的节能电源系统包括充电电路及其保护电路、基于超级电容器的电池模块和放电电路及稳压电源电路，充电电路及其保护电路与基于超级电容器的电池模块连接，基于超级电容器的电池模块再与放电电路及稳压电源电路连接。
如图2所示，充电电路及其保护电路采用市电220V配合自主设计变压器模块提供的12V、5A的电源进行对储能电容在充电系统的充电，该部分包括电阻R1、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2；电阻R1串联在三端稳压芯片的电源输入端Vin与基于三端稳压芯片的电源电路的供电电源输入端之间，三端稳压芯片的电源输入端Vin与基于三端稳压芯片的电源电路的电源地之间并联电容C1，三端稳压芯片的电源输出端Vo与地GND端之间并联电容C2。三端稳压芯片的电源输出端Vo与电容C2之间串联有二极管D2，且该二极管D2的阳极与三端稳压芯片电源输出端Vo连接，三端稳压芯片的地GND与基于三端稳压芯片的电源电路的电源地之间串联有二极管D1，且该二极管D1的阳极与三端稳压芯片的地GND端连接。该部分采用三端稳压芯78H12，可以稳定输出12V，5A的直流电源对电容组进行安全稳定充电。
基于超级电容器的电池模块由超级电源组、配套电源和均衡电路组成,超级电源组包括超级电容器。低ESR，高功率密度，大容量能量密度高是超级电容器选型的主要指标，本实用新型采用美国产的超级电容Maxwell科技公司K2系列超级电容器的最新成员K2超级电容器，-2.85V/3400F此款电容工作电压在2.7V，在频率为1kHz时等效电阻仅为25mΩ，在100kHz时也只为30mΩ。关于超级电容模块，用四个超级电容串联制成。
超级电容器的额定电压很低(不到3V)，在应用中需要大量的串联。由于应用中常需要大电流充、放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。影响超级电容器电压是否均分主要有：电容量、ESR、漏电流等，尽管超级电容器在应用初期这些参数对超级电容器的电压均分的影响比较小，但是在超级电容器应用的中后期，随着这些参数的离散性变大，对超级电容器电压均分的影响越来越大，最终导致超级电容器寿命的急剧缩短。如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，所以必须采取相应的均压措施。
本实施示例的均衡电路如图1所示，采用两个单体电池作为例子进行描述，其中E1、E2为超级电源组中串联的单体电池，K1、K2为开关，R1、R2为电阻，D1、D2为稳压管，F1、F2、F3为保险丝，单体电池E1、E2两端与电池管理模块U1的AD采样口通过信号采集线进行连接，且保险丝F1、F2、F3安装在信号采集线上，电阻R1与开关K1串联后并联在单体电池E1两端，作为单体电池E1的均衡电路，电阻R2与开关K2串联后并联在单体电池E2两端，作为单体电池E2的均衡电路，开关K1与K2和电池管理模块U1的均衡控制端口连接，受电池管理模块控制，稳压管D1并联在单体电池E1两端，稳压管D2并联在单体电池E2两端，电池管理模块与控制模块连接进行数据交互。
本实施例中，电池管理模块采用MAX14921ECS+芯片，控制模块采用单片机，其内部预存有比对电压值。
均衡电路的工作原理为，保险丝与电池管理模块作为电压值采集电路，空盒子模块与电池管理模块作为电压值比较电路，电池管理模块与开关，电阻形成控制均衡电路，具体原理描述为，电池管理模块对电池E1和E2的电压进行采集，并将采集的电压值传送给控制模块，控制模块将电压值与内部预存的比对电压值进行比较，若超过则需要进行均衡处理，控制模块发送信号给电池管理模块，所述电池管理模块控制电压值高出预存值的电池对应的开关闭合，将充放电能量耗散到对应的电阻上，从而保护电池不受损伤，若没有超过预存电压值，则不需要处理，稳压管的加入可以防止采样线束接错时，过高的电压值损伤电池管理模块，保护了电池管理模块。
本实用新型采用BW6101超级电容保护芯片，如图4所示，BW6101内置了电压比较电路及采样电路，以及最大达到0.7A的泄放回路，所以电路使用非常简单，外围元器非常少，电路非常简洁，只要几个元器就可以实现高可靠的电容过压保护。
电源模块要求能尽量用尽超级电容的电量，串联的超级电容在放电过程中电压变化范围大，于是要求电源模块的有效输入电压范围大，最低输入电压尽量低。本实用新型的放电电路及稳压电源电路采用TI公司的TPS63070电源芯片。如图5所示，TPS63070是一款具有低静态电流的高效降压-升压转换器，适用于那些输入电压可能高于或低于输出电压的应用。在升压或降压模式下,输出电流可高达2A。输入电压范围：2.0V至16V；输出电压范围：2.5V至9V；效率高达95％。决定采用TI公司高性能开关电源芯片TPS63070对超级电容输出进行稳压，得到稳定电压输出，给整个板子供电。TPS63070是具有3.6A开关电流的2V至16V降压-升压转换器，效率高达95％，而且静态电流仅为50uA。由于电池采用12V5A进行充电，所以电容电压变化范围为0-12V,此款芯片完全能够胜任稳定输出7.2V直流电压。如图6-9所示，放电电路稳定输出的7.2V直流电压，分别经过lm1117-3.3将电压稳压至3.3v，经过lm1117-5将电压稳压至5v，经过lm2941,产生可调的电源。上述部分可以产生可以一共产生4路直流电压源，分别是，3.3V,5V,可调电压VADJ，以及7.2V。本实用新型可以稳定输出多种电压输出部分，稳定可靠多用途。
上面对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，包括充电电路及其保护电路、基于超级电容器的电池模块和放电电路及稳压电源电路，充电电路及其保护电路与基于超级电容器的电池模块连接，基于超级电容器的电池模块再与放电电路及稳压电源电路连接，所述充电电路及其保护电路使用三端稳压芯片，所述基于超级电容器的电池模块由超级电源组、配套电源和均衡电路组成。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述充电电路及其保护电路还包括电阻R1、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2；电阻R1串联在三端稳压芯片的电源输入端Vin与基于三端稳压芯片的电源电路的供电电源输入端之间，三端稳压芯片的电源输入端Vin与基于三端稳压芯片的电源电路的电源地之间并联电容C1，三端稳压芯片的电源输出端Vo与地GND端之间并联电容C2，三端稳压芯片的电源输出端Vo与电容C2之间串联有二极管D2，且该二极管D2的阳极与三端稳压芯片电源输出端Vo连接，三端稳压芯片的地GND与基于三端稳压芯片的电源电路的电源地之间串联有二极管D1，且该二极管D1的阳极与三端稳压芯片的地GND端连接。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述三端稳压芯片为78H12型三端稳压集成电路。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述均衡电路包括多个串联的单体电池，电池管理模块，控制模块以及多条均衡电路，其中每个单体电池的两端通过信号采集线连接电池管理模块的AD采样端口；每条均衡电路均与单体电池并联，包括相互串联的开关以及电阻，所述电池管理模块根据控制模块的信号控制所述开关打开或关闭从而开启对应的均衡电路。
5.根据权利要求4所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述基于超级电容器的电池模块还包括稳压管，稳压管与均衡电路并联，在电路接错时保护电池管理模块。
6.根据权利要求1所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述超级电源组安装有K2超级电容器。
7.根据权利要求1所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述基于超级电容器的电池模块安装有BW6101超级电容保护芯片。
8.根据权利要求1所述的基于超级电容的节能电源系统，其特征在于，所述放电电路及稳压电源电路采用TI公司高性能开关电源芯片TPS63070。
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