CN207691497U - 一种超级电容充放电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于蓄能装置技术领域。一种超级电容充放电装置，包括多个串联的超级电容E、与每个超级电容E并联的均压电路以及多个串联超级电容E所接的升压电路，所述均压电路和升压电路并联，所述均压电路用于稳定与其并联的超级电容E两端的电压，使多个串联的超级电容E两端的电压相一致；所述升压电路用于充分释放超级电容的电量，使多个串联的超级电容E的放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。本实用新型的电路结构简单，工作可靠，易于实现，超级电容E充电时间短，放电时间长，在主设备工作期间一直给超级电容充放电装置供电，可以解决漏电流的问题。

Description

一种超级电容充放电装置

技术领域

本实用新型涉及蓄能装置技术领域，特别涉及一种超级电容充放电装置。

背景技术

智能仪表如智能终端类和智能电能表类产品在电网建设中属于基础设备，其需满足可靠性要求高，计量或数据采集性能好等要求。但是目前市场上同类设备的内部使用的镍氢电池，存在长时间亏电时失效率较高的情况，经过调研，目前代替镍氢电池比较好的方案是超级电容电路，超级电容器是一种电化学元件，其介于传统电容器与电池之间，是一种具有特殊性能的电源，超级电容主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能，利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，可以反复充放电数十万次，其具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、节约能源和绿色环保等特点。单个超级电容的电压一般不超过 3V，且能量较小，因此一般采用多个电容串联的方式来组成所需的储能装置以提高储能装置的能量存储，而超级电容电路的缺点是同条件下的电容体积较大以及漏电流较大。现有超级电容储能装置不能根据需要扩展串联电容的数量，较难实现对电容储能装置内每个超级电容单体的均压和过压保护。另外，超级电容一般是放在固定大小的电池仓中，因此，如何在体积很小的前提下，选择符合条件的超级电容，使容量最大程度发挥，做到小体积大容量的充放电产品是目前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种超级电容充放电装置，可作为电能表类产品的后备电源使用，此装置通过被动均衡与主动均衡的电压均压方式，控制装置内部单体超级电容稳压电路，在断电及其它意外状况下，被储能的装置能够正常稳定的回到安全控制位置，并可实现任意单体超级电容均压电路升压。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术手段：

一种超级电容充放电装置，包括多个串联的超级电容E、与每个超级电容E并联的均压电路以及多个串联超级电容E所接的升压电路，所述均压电路和升压电路并联；

所述均压电路用于稳定与其并联的超级电容E两端的电压，使多个串联的超级电容E两端的电压相一致；所述均压电路包括电阻1至电阻10、电容C1、电压基准源U1、三极管D1和三极管D2；所述电阻R1和R2串联，所述电阻R1的一端接电源电压，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C1的一端与电阻R1、R2的连接处相连，所述电容C1的另一端与电阻R3、R4的连接处相连，所述电压基准源U1的参考端与电阻 R1、R2的连接处相连，所述电压基准源U1的阴极与电阻R3、R4的连接处相连，所述电压基准源U1的阳极接地，所述电阻 R3的另一端与电源电压相连，所述电阻R4的另一端与三极管D1的基极相连；所述三极管D1的发射极接电源电压，所述三极管D1的集电极与电阻 R6、R7、R8的连接处相连，所述电阻R6的另一端接电源电压，所述电阻R7的另一端接地，所述R8的另一端接三极管D1的基极，所述三极管D2的发射极接地，所述三极管D2的集电极与电阻 R9、R10的连接处相相连，所述电阻R9、R10的另一端均与电源电压相连；

所述升压电路用于充分释放超级电容的电量，使多个串联的超级电容E的放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高；所述升压电路包括电感L1、电容C2、电容C3、电阻30、电阻31和芯片MP3422；所述电感L1的一端和所述电容C2的一端相连，并作为所述升压电路的输入端；所述电容C2的另一端接地；所述电感L1的另一端与所述芯片MP3422的SW端相连；所述芯片MP3422的IN端接入所述电感L1的一端；所述电阻R30的一端与所述电阻R31的一端相连，并接入所述芯片MP3422的FB端；所述电阻R31的另一端接地；所述电阻 R30的另一端分别与所述芯片MP3422的OUT端以及电容C3的一端相连，并作为所述升压电路的输出端，在本实用新型中，该升压电路输出5.0V电压；所述电容C3的另一端接地，所述芯片MP3422的PGND端和AGND端分别接地。

进一步的，还包括低压输入接口，所述低压输入接口为外部输入接口。

进一步的，所述三极管D1为PNP型三极管，所述三极管D2为NPN型三极管。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的一种超级电容充放电装置在断电及其它意外情况发生时，作为与其连接的系统的后备电源；并且本实用新型可扩展性好，可以根据供给需求决定超级电容E的串接数量，可移植性好；通过在多个串联的超级电容E上设置与每个超级电容并联的单体超级电容稳压电路，可独立实现每个单体电容的均压及升压保护；超级电容E充电时间短，只要终端上电，短时间内即可充满电，解决了漏电流的问题。另外通过升压电路的设计，增加了超级电容E的放电时间，本实用新型的电路结构简单，工作可靠，易于实现。

附图说明

图1是本实用新型单体超级电容与均压电路的电路原理图。

图2是本实用新型两个串联的超级电容与均压电路的电路原理图。

图3是本实用新型的升压电路的电路原理图。

图4是本实用新型超级电容充放电装置内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。需要说明的是，本实用新型的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本实用新型保护范围的一种限制。

如图4所示，一种超级电容充放电装置，包括多个串联的超级电容E、与每个超级电容E并联的均压电路以及与每个超级电容E串联的升压电路，所述均压电路和升压电路并联；

所述均压电路用于稳定与其并联的超级电容E两端的电压，使多个串联的超级电容E两端的电压相一致；如图1所示，所述均压电路包括电阻1至电阻10、电容C1、电压基准源U1、三极管D1和三极管D2；电阻R1的一端接电源电压，电阻R1和R2串联，电阻R2的另一端接地，电容C1的一端与电阻R1、R2的连接处相连，所述电容C1的另一端与电阻R3、R4的连接处相连，电压基准源U1的参考端与电阻 R1、R2的连接处相连，电压基准源U1的阴极与电阻R3、R4的连接处相连，电压基准源U1的阳极接地，电阻 R3的另一端与电源电压相连，电阻R4的另一端与三极管D1的基极相连；三极管D1的发射极接电源电压，三极管D1的集电极与电阻R6、R7、R8的连接处相连，电阻R6的另一端接电源电压，电阻R7的另一端接地，R8的另一端接三极管D1的基极，三极管D2的发射极接地，三极管D2的集电极与电阻 R9、R10的连接处相相连，电阻R9、R10的另一端均与电源电压相连；其中，所述三极管D1为PNP型三极管，所述三极管D2为NPN型三极管。

所述的均压电路的工作过程为：直流母线与电阻 R1、R2依次连接，检测电压为R2分压后的电压值，设定V1为均压保护电路的工作时的电容电压，在直流母线给超级电容E充电时，当电压达到V1，R2上的电压使电压基准源U1导通，三极管D1、D2相继导通，放电电阻R9、R10开始放电，超级电容E电压下降，直至均压电路停止工作；该均压电路用以均分各单体超级电容E上的电压使其基本一致，通过增加均压电流可以减轻单体电压过电压的效果，能够解决串联后的各个超级电容器上电压不一致的问题，图2是两个串联的超级电容E与均压电路的电路原理图，超级电容E包括E1和E2，其工作原理与单体超级电容的均压电路原理相同。

所述升压电路用于充分释放超级电容的电量，使多个串联的超级电容的放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高；如图3所示，所述升压电路包括电感L1、电容C2、电容C3、电阻30、电阻31和芯片MP3422；所述电感L1的一端和所述电容C2的一端相连，并作为所述升压电路的输入端；所述电容C2的另一端接地；所述电感L1的另一端与所述芯片MP3422的SW端相连；所述芯片MP3422的IN端接入所述电感L1的一端；所述电阻R30的一端与所述电阻R31的一端相连，并接入所述芯片MP3422的FB端；所述电阻R31的另一端接地；所述电阻 R30的另一端分别与所述芯片MP3422的OUT端以及电容C3的一端相连，并作为所述升压电路的输出端，在本实施例中，该升压电路输出5.0V电压；所述电容C3的另一端接地，所述芯片MP3422的PGND端和AGND端分别接地，升压电路与均压电路并联连接，可以是MP3422的EN端与电阻R9、R10、电源电压的连接处连接。

超级电容E的升压电路，使用MP3422的电源管理芯片可以支持最低输入1.9V，能够保证稳定输出5V，充分释放了超级电容的电量，提高了利用率，可以大幅延长终端的工作时间。另外使用了三极管搭建电路进行了限流，保证超级电容E充电电流满足南网充电要求。

由于超级电容E是放在固定大小的电池仓中，所以选择符合条件的超级电容E是重点。本实施例选取的超级电容E是使用极片的制备方法，它可以在体积很小的前提下，容量发挥得比较大，做到小体积大容量的产品。具体实施时，超级电容E升降压输出电路采用最新的专用于超级电容E放电管理的BUCK-BOOST芯片，超级电容E的电量输出相比于电池来说，放电曲线是不同的，电池输出时电压相对稳定，从满电的5.7V左右降到4.5V左右时电池的电量基本释放完全，因而电池的整个输出过程不需要电源管理，直接连接到系统电源放电即可，超级电容E则不同。电容的特性决定了其在放电过程中电压是随着容量的降低成指数型曲线下降的，所以要充分释放电容的电量需要能够在更低的电压下保持系统的正常工作，此芯片电路的功能就是尽可能保证在超级电容E的整个输出电压范围内升压或者降压输出一个稳定值，保证系统在各厂家终端上均能正常工作。另外此芯片电路具有电流保护和输出短路保护等功能，能保证在过流或者短路的情况下关机保护，不仅保护了超级电容，而且提高了终端整体系统的安全性和可靠性。

本实用新型的超级电容充放电装置还包括低压输入接口，所述低压输入接口为外部输入接口。为了解决超级电容同一个接口既是输入又是输出的问题，在终端给充电装置充电时，升压电路的输出始终低于终端给超级电容充电电压，保证了在充电时充电装置不会放电。只有在终端断电时，升压电路的输出开始给终端供电。

目前各厂家终端的电池盒内部都会做个性化设计，保证安装的可靠性。具体实施时，本实用新型小体积的超级电容充放电装置，选取了合适大小的超级电容E，根据电池仓的结构做了总体的设计，保证各厂家的都能无障碍安装。连接线也选用高可靠性的molex的端子。线路板选择了单面贴片，单面手插工艺，保证生产过程全自动化，减少人工参与，增加产品可靠性。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (3)

1.一种超级电容充放电装置，其特征在于：包括多个串联的超级电容E、与每个超级电容E并联的均压电路以及与每个超级电容E串联的升压电路，所述均压电路和升压电路并联；

所述均压电路包括电阻1至电阻10、电容C1、电压基准源U1、三极管D1和三极管D2；所述电阻R1和R2串联，所述电阻R1的一端接电源电压，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C1的一端与电阻R1、R2的连接处相连，所述电容C1的另一端与电阻R3、R4的连接处相连，所述电压基准源U1的参考端与电阻 R1、R2的连接处相连，所述电压基准源U1的阴极与电阻R3、R4的连接处相连，所述电压基准源U1的阳极接地，所述电阻 R3的另一端与电源电压相连，所述电阻R4的另一端与三极管D1的基极相连；所述三极管D1的发射极接电源电压，所述三极管D1的集电极与电阻 R6、R7、R8的连接处相连，所述电阻R6的另一端接电源电压，所述电阻R7的另一端接地，所述R8的另一端接三极管D1的基极，所述三极管D2的发射极接地，所述三极管D2的集电极与电阻 R9、R10的连接处相相连，所述电阻R9、R10的另一端均与电源电压相连；

所述升压电路包括电感L1、电容C2、电容C3、电阻30、电阻31和芯片MP3422；所述电感L1的一端和所述电容C2的一端相连，并作为所述升压电路的输入端；所述电容C2的另一端接地；所述电感L1的另一端与所述芯片MP3422的SW端相连；所述芯片MP3422的IN端接入所述电感L1的一端；所述电阻R30的一端与所述电阻R31的一端相连，并接入所述芯片MP3422的FB端；所述电阻R31的另一端接地；所述电阻 R30的另一端分别与所述芯片MP3422的OUT端以及电容C3的一端相连，并作为所述升压电路的输出端；所述电容C3的另一端接地，所述芯片MP3422的PGND端和AGND端分别接地。

2.根据权利要求1所述的一种超级电容充放电装置，其特征在于：还包括低压输入接口，所述低压输入接口为外部输入接口。

3.根据权利要求1所述的一种超级电容充放电装置，其特征在于：所述三极管D1为PNP型三极管，所述三极管D2为NPN型三极管。