CN212210579U - 一种用于配电终端的法拉电容电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电容电池领域。一种用于配电终端的法拉电容电池，包括：电容源组、充电单元、放电单元；所述电容源组一端接地，另一端与所述放电单元连接；所述充电单元与所述电容源组的两端连接；所述电容源组具有多个相互并联法拉电容；所述充电单元包括充电保护器、限流器；所述限流器、所述充电保护器、所述电容源组依次连接；所述放电单元包括变压开关和放电设定器；所述变压开关与所述电容源组连接，所述放电设定器与所述变压开关连接。本实用新型提供的一种用于配电终端的法拉电容电池，采用多个法拉电容并联进行工作，不需要使用均压电路，此时法拉电容工作电压稳定，可保障法拉电容长期可靠运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及电容电池领域，尤其涉及一种用于配电终端的法拉电容电池。
背景技术
目前超级电容单体电压规格在DC2.7-3.0V,如果使用在DC5V、DC12V及以上电源的系统中，常规方案是将法拉电容串联使用，二个电或多个电容串联之后的额定电压与系统电压相匹配，由于法交拉电容内阻不相同，法拉电容之间需增加均压电阻或是均压电路。此种应用存在以下缺点：a.均压电路如仅采用电阻均压，可靠性低，如采用芯片控制，成本较高；b. 当均压电路出现故障时，单体电容可能超过其电压额定值，导致其漏液，腐蚀电路板，使整个系统损坏；c.浪费充电电能，增加充电时间当超级电容内阻差异差大时，充电时有可能与系统地相联接的那个法拉电容电压最先升高，由于均压电路存在，如果此法拉电容电压超过设定值，充电电流直接通过均压电路对系统地放电，浪费充电电能，增加充电时间；d.法拉电容模组输出为直接输出，电压不稳定，随着容量降低而降低。
由于常规法拉电容的额定电压在2.7V左右，如果系统电压高于此电压，常用设计方案是法拉电容串联使用，串联后法拉电容组的额定电压大于系统电压。但由于法拉电容内阻不均衡，法拉电容之间需采用电阻均压或是电路均压。
专利号为ZL201410766990.X的专利文献公开了并联法拉电容充放电保护器，包含：法拉电容、电源地、输出保护二极管、电源输出端子、输入保护电阻、短路保险、输入保护二极管、电源输入端子；多个法拉电容并连在电路中，每一路法拉电容的输出连接有输出保护二极管，最后输出到电源输出端子上，在法拉电容的输入端，每一个法拉电容的输入连接有输入保护电阻、短路保险和输入保护二极管，最后全部连接到电源输入端子，所有法拉电容负极接电源地。但是给出的结构简单，而且，每个电容都分别配置充放电线路，充放电过程较为单一，不能动弹调整并联电容的数量和大小，同时无法实现对外围电路的保护等以及良好的供电性能。
因而现有的法拉电容充放电电路，还存在不足，还有待改进和提高。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种用于配电终端的法拉电容电池，不需要使用均压电路就能实现法拉电容电池放电电压稳定，且充电损耗小，缩短充电时间。
为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：
一种用于配电终端的法拉电容电池，包括：电容源组、充电单元、放电单元；所述电容源组一端接地，另一端与所述放电单元连接；所述充电单元与所述电容源组的两端连接；所述电容源组具有多个相互并联法拉电容；
所述充电单元包括充电保护器、限流器；所述限流器、所述充电保护器、所述电容源组依次连接；
所述放电单元包括变压开关和放电设定器；所述变压开关与所述电容源组连接，所述放电设定器与所述变压开关连接。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述充电保护器包括稳压二极管和PNP三极管；所述稳压二极管，负极与所述PNP三极管的基极连接，正极与所述电容源组接地的一端连接；
所述PNP三极管，发射极与所述电容源组的未接地的一端连接；
所述限流器分别与所述PNP三极管的集电极和基极连接。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述限流器包括限流二极管和两个限流电阻；两个所述限流电阻的一端分别与所述限流二极管的负极连接，另一端分别与所述充电保护器连接；所述限流二极管的正极与充电接口连接。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述变压开关包括开关芯片和变压电感；所述开关芯片通过所述变压电感与所述电容源组的未接地的一端连接。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述放电设定器与所述开关芯片连接。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述开关芯片的型号为TPS61089。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述变压电感的规格根据所述电容源组输出的电流选取。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述变压电感的最大通过电流通过以下公式计算：
I＝(Uout*Iout)/Ucap；
其中，I是通过所述变压电感L31的电流，Ucap为法拉电容两端电压，Uout为法拉电容放电电路输出电压，Iout为法拉电容放电电路输出电流。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述变压电感的规格为1.5μH/12A。
优选的所述的用于配电终端的法拉电容电池，所述充电单元接入的充电电源的电压比所述法拉电容的额定电压高1-2V。
相较于现有技术，本实用新型提供的一种用于配电终端的法拉电容电池，采用多个法拉电容并联进行工作，不需要使用均压电路，此时法拉电容工作电压稳定，不存在由于均压失效引起法拉电容电压过高等问题，可保障法拉电容长期可靠运行；同时所述充电单元具有充电保护器和限流器，能够采用低电压对法拉电容进行充电，限流电阻二端的压降较小，与串联方式相比，在相同的充电电流情况下，损耗更小，同时在释放相同的能量的情况下可较传统串联方式选用容量较小的法拉电路，可节约电路成本。
附图说明
图1是本实用新型提供的配电终端的法拉电容电池的结构框图；
图2是本实用新型提供的实施例1的电路图；
图3是本实用新型提供的实施例2的电路图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
请一并参阅图1-图2，本实用新型提供一种用于配电终端的法拉电容电池，包括：电容源组1、充电单元2、放电单元3；所述电容源组1一端接地，另一端与所述发电单元连接；所述充电单元2与所述电容源组1的两端连接；所述电容源组1具有多个相互并联法拉电容；此处所述法拉电容的数量不做具体限定，视使用时的需求进行设定，只要都并联连接就好；
所述充电单元2包括充电保护器22、限流器21；所述限流器21通过所述充电保护器22 与所述电容源组1连接；
所述放电单元3包括变压开关31和放电设定器32；所述变压开关31与所述电容源组1 连接，所述放电设定器32与所述变压开关31连接。所述变压开关31用于对外供电；所述放电设定器32用于设定所述变压开关31输出电压的大小，设定的形式不做限定，优先方案是所述放电设定器32可以是控制器，或者是与控制器连接的信号串行装置，本实用新型不做具体限定，所述控制器可以是普通的配电终端内固有的能够实现逻辑控制的处理装置，也可以另外添加新的独立的控制器，根据需求向通过所述放电设定器32对所述变压开关31的输出电压进行设定。
具体的，法拉电容并联工作方式的特点是充电电压低，限流损耗能量少；恒定电压输出，法拉电容存储能量能理论上能完全释放干净；法拉电容之间不需要均压电路，此电路可应用于单个法拉电容工作方式，如容量不够，可直接并入法拉电容，不需对电路其它参数进行修改。
作为优选方案，本实施例中，所述充电保护器22包括稳压二极管V23和PNP三极管V22；所述稳压二极管V23，负极与所述PNP三极管V22的基极连接，正极与所述电容源组1接地的一端连接；
所述PNP三极管V22，发射极与所述电容源组1的未接地的一端连接；
所述限流器21分别与所述PNP三极管V22的集电极和基极连接。
具体的，所述稳压二极管V23和所述PNP三极管V22够成所述充电保护器22，防止所述电容源组1中的法拉电容过充，当达到设定的充电电压后，所述PNP三极管V22关断，此时将停止充电。所述稳压二极管V23的选用不做具体限定，为本领域常用的稳压二极管，所述PNP三极管V22的选用也不做限定，其优选型号为MMBT4401LT1G。
作为优选方案，本实施例中，所述限流器21包括限流二极管V21和两个限流电阻；两个所述限流电阻的一端分别与所述限流二极管V21的负极连接，另一端分别与所述充电保护器22连接；所述限流二极管V21的正极与充电接口连接。
作为优选方案，本实施例中，所述充电单元2接入的充电电源Vin的电压比所述法拉电容的额定电压高1-2V。
具体的，充电电路中Vin为充电电源，两个限流电阻分别限流电阻R20和限流电阻R21，为了减少限流电阻上的能量损耗，所述充电电源一般采用比法拉电容额定电压高出1-2V的电压充电。例如最在充电电流为0.5A，采用4V充电，限流电阻大小为R＝4V/0.5A＝8Ω，限流电阻最大损耗为P＝UI＝8*0.5＝2W；相比串联充电R＝12V/0.5A＝24Ω，损耗：P＝UI＝12*0.5＝6W，损耗为其三分之一，在充电的情况下，理论上要比串联的法拉电容的电池电能损坏更小。
作为优选方案，本实施例中，所述变压开关31包括开关芯片D31和变压电感L31；所述开关芯片D31通过所述变压电感L31与所述电容源组1的未接地的一端连接。所述变压电感 L31的规格优选为1.5μH/12A。
作为优选方案，本实施例中，所述放电设定器32与所述开关芯片D31连接。
作为优选方案，本实施例中，所述开关芯片D31的型号为TPS61089。
具体的，所述放电单元3使用所述变压开关31进行输出电压调整，一般情况是进行升压输出，根据实际需要，输出稳定的电压值。所述开关芯片D31选择要求能够将工作电源与升压电源分开、升压输入电流在10A以上的芯片，确保在法拉电容电压较低时仍能够正常工作。本实用新型中所述开关芯片D31的优选型号采用TI公司的TPS61089，最大输入电流为10A，最大可输出12.6V、3A的电流。电路中的其他电阻或电容均为本电路的外围电路，不做具体限定，也可以使用其他配合所述开关芯片D31的外围电路。
在本实用新型中所述开关芯片D31采用TPS61089，并非对TPS61089型号的芯片的常规应用，具体工作原因理如下(当然，具有相应功能的其他型号的芯片的使用原理也应当如下)：
请一并参阅图2，本实用新型中VOUT带电，连接配电终端的供电电路，为所述配电终端供电，所述开关芯片D31的EN端通过外接配电终端的控制器(相当于所述放电设定器32的功能，也可以是EN端通过所述放电设定器32与所述配电终端的控制器连接)控制，所述开关芯片D31的SW端与所述变压电感L31组成震荡电路，当法拉电容充电一定时间后所述开关芯片D31的EN端由控制器控制其为高电平，所述放电单元3开始正常工作。本实用新型中所述变压电感L31的规格选取根据输出电流的大小选择合适的电流规格，以需要通过所述变压电感L31的最大电流为标准，其计算公式为：I＝(Uout*Iout)/Ucap，其中，I是通过所述变压电感L31的电流，Ucap为法拉电容两端电压，Uout为法拉电容放电电路输出电压，Iout 为法拉电容放电电路输出电流。
实施例2
请着重参阅图3，以下采用所述电容源组1为两个270F的法拉电容并联、充电电压Vin＝4V、放电电压Vout＝12V、所述稳压二极管V23的门坎电压为2.3V、所述PNP三极管 V22的型号为MMBT4401LT1G、所述开关芯片D31采用TPS61089型号、所述变压电感L31 的电感通流量为1.5μH/12A为例，做详细说明。
所述稳压二极管V23的门坎电压为2.3V，当所述电容源组1的电容电压小于2.3V时所述稳压二极管V23不导通，所述PNP三极管V22的B、E端电压Vbe大于0.7V，三极管导通，对所述电容源组1中的法拉电容正常充电电；当法拉电容电压达到2.3V时，所述稳压二极管V23打开，所述NPN三极管V22的B、E端电压Vbe＝0，所述PNP三极管V22关闭，停止充电。当法拉电容电压达到2.3V时，即充满电后法拉电容电压为2.3V。
此电路Vout在法拉电容充电时电压为12V，TPS61089工作电源引脚VIN连接Vout，芯片工作电源正常，所述开关芯片D31的使能引脚EN端在法拉电容开始充电后5分钟拉高，升压电路正常工作。
当Vout输出12V 0.5A时，根据所述开关芯片D31两端(即输入端和输出端)功率相等规则，在法拉电容电压为0.5V时，I＝P/0.5＝12*0.5/0.5＝12A。所述变压电感L31的最大通流量为12A，此时系统正常工作，所以所述法拉电容至少可放电到0.5V，即放出法拉电容存储能量的80％，如果选用电感通流量更大，可放出更多的能量。在此条件下，较法拉电容串联方式仅能释放30％左右能量，可多释放50％的能量。根据E＝0.5CU2，释放相同的能量，考虑到法容电容能量分布曲线等参数，采用并联方式，并联法拉电容容量比串联法拉电容选用的容量要小2倍以上。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，包括：电容源组、充电单元、放电单元；所述电容源组一端接地，另一端与所述放电单元连接；所述充电单元与所述电容源组的两端连接；所述电容源组具有多个相互并联法拉电容；
所述充电单元包括充电保护器、限流器；所述限流器、所述充电保护器、所述电容源组依次连接；
所述放电单元包括变压开关和放电设定器；所述变压开关与所述电容源组连接，所述放电设定器与所述变压开关连接。
2.根据权利要求1所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述充电保护器包括稳压二极管和PNP三极管；所述稳压二极管，负极与所述PNP三极管的基极连接，正极与所述电容源组接地的一端连接；
所述PNP三极管，发射极与所述电容源组的未接地的一端连接；
所述限流器分别与所述PNP三极管的集电极和基极连接。
3.根据权利要求1所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述限流器包括限流二极管和两个限流电阻；两个所述限流电阻的一端分别与所述限流二极管的负极连接，另一端分别与所述充电保护器连接；所述限流二极管的正极与充电接口连接。
4.根据权利要求1所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述变压开关包括开关芯片和变压电感；所述开关芯片通过所述变压电感与所述电容源组的未接地的一端连接。
5.根据权利要求4所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述放电设定器与所述开关芯片连接。
6.根据权利要求4所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述开关芯片的型号为TPS61089。
7.根据权利要求4所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述变压电感的规格根据所述电容源组输出的电流选取。
8.根据权利要求7所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述变压电感的最大通过电流通过以下公式计算：
I＝(Uout*Iout)/Ucap；
其中，I是通过所述变压电感L31的电流，Ucap为法拉电容两端电压，Uout为法拉电容放电电路输出电压，Iout为法拉电容放电电路输出电流。
9.根据权利要求8所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述变压电感的规格为1.5μH/12A。
10.根据权利要求1所述的用于配电终端的法拉电容电池，其特征在于，所述充电单元接入的充电电源的电压比所述法拉电容的额定电压高1-2V。
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