CN214124889U - 一种串联超级电容的充放电电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种串联超级电容的充放电电路，其包括分别与各超级电容并联的并联电阻、至少两个开关件、用于输出控制信号的控制模块、充电接口及放电接口，所述开关件串联于并联电阻与超级电容的并联回路中，所述开关件的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一开关件；所述开关件的控制端与控制模块电连接，用于接收并响应控制信号以导通或截止，所述充电接口与放电接口连接且两者的连接点与超级电容的正极连接。本申请具有减少并联电阻所产生的额外功耗以延长超级电容维持时间的效果。

Description

一种串联超级电容的充放电电路

技术领域

本申请涉及超级电容的领域，尤其是涉及一种串联超级电容的充放电电路。

背景技术

超级电容，又名电化学电容、双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。其不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源。且主要依靠双电层与氧化还原赝电容电荷储存电能，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此，超级电容器可以反复充放电数十万次。

目前的超级电容可以采用串联方式进行充放电，即各个超级电容相互串联。而每个超级电容器都有电容、内阻和漏电流方面的差异，这可能会导致串联的超级电容电压不平衡。在极端情况下，单个超级电容电压超过额定电压，超级电容器的工作寿命可能会缩短甚至永久损坏。

因此其充放电电路一般包括多个并联电阻及外部供电电源，其中，各个并联电阻分别单独并联于各个超级电容上，并联电阻可以起到分压与平衡作用，减少超级电容器两极的电压波动，避免超级电容因电压过高、电压波动而损坏。

针对上述中的相关技术，发明人认为存在有并联电阻产生了额外的功耗，缩短了超级电容维持时间的缺陷。

实用新型内容

为了减少并联电阻所产生的额外功耗，延长超级电容维持时间，本申请提供一种串联超级电容的充放电电路。

本申请提供的一种串联超级电容的充放电电路，采用如下的技术方案：

一种串联超级电容的充放电电路，包括分别与各超级电容并联的并联电阻，还包括至少两个开关件、用于输出控制信号的控制模块、充电接口及放电接口，所述开关件串联于并联电阻与超级电容的并联回路中，所述开关件的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一开关件；

所述开关件的控制端与控制模块电连接，用于接收并响应控制信号以导通或截止，所述充电接口与放电接口连接且两者的连接点与超级电容的正极连接。

通过采用上述技术方案，当超级电容充电时，控制模块控制开关件导通，此时并联电阻与超级电容并联，充电接口对超级电容进行充电，通过多个并联电阻的分压作用避免各个超级电容的充电电压高于其额定电压，以此避免超级电容损坏；而当超级电容放电时，控制模块控制开关件断开，此时并联电阻与超级电容断开并联状态，超级电容向放电接口供电，以此减少并联电阻的额外电能损耗，从而延长超级电容维持时间。

优选的，所述开关件包括三极管，所述三极管的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一三极管，其基极与控制模块电连接。

通过采用上述技术方案，三极管的基极接入不同电压信号时可以控制其集电极与发射极导通或关断，以此实现并联电阻的接入与断开，方便在超级电容充电时接入并联电阻，而在超级电容放电时断开并联电阻。

优选的，所述三极管采用PNP型三极管，所述PNP型三极管连接有第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的发射极接地，其集电极连接于PNP型三极管的基极，其基极与控制模块连接，用于接收控制信号，控制信号采用高电平信号。

通过采用上述技术方案，第一NPN型三极管接收控制信号时，即高电平信号导通，使得PNP型三极管的基极输入低电平信号，此时PNP型三极管导通，以此使并联电阻接入超级电容的并联回路并起到平衡超级电容两端电压的作用，方便充电。

优选的，所述开关件包括mos管，所述mos管的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一mos管，其栅极与控制模块电连接。

通过采用上述技术方案，mos管的栅极接入不同电压信号时可以控制其源极与漏极导通或关断，以此实现并联电阻的接入与断开，方便在超级电容充电时接入并联电阻，而在超级电容放电时断开并联电阻。

优选的，所述充电接口与超级电容之间设置有第一二极管，所述第一二极管的阳极连接充电接口；所述放电接口与超级电容之间设置有第二二极管，所述第二二极管的阴极连接放电接口，所述第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接。

通过采用上述技术方案，第一二极管与第二二极管均起到单向导通的作用，一方面避免超级电容的电流倒灌，另一方面避免负载端的电流倒灌，从而起到保护外部充电电源及超级电容的作用。

优选的，所述并联电阻采用可变电阻器。

通过采用上述技术方案，并联电阻采用可变电阻器，当更换超级电容时可根据超级电容的容量、耐压值等对并联电阻的阻值进行调整，从而调节超级电容的充电电压，避免超级电容充电过载而损坏。

优选的，所述控制模块包括电流检测子模块及信号输出子模块，所述电流检测子模块与充电接口连接以检测充电接口上的电流信号并输出充电信号，所述信号输出子模块与电流检测子模块连接，用于接收并响应充电信号以控制开关件导通。

通过采用上述技术方案，电流检测子模块检测充电接口上的电流信号并输出充电信号，当输出充电信号时表示充电接口的线路上有电流，表示超级电容正在充电，因此信号输出子模块响应充电信号以控制开关件导通，从而使并联电阻起到平衡电压的作用，避免超级电容损坏。

优选的，所述电流检测子模块与放电接口连接以检测放电接口上的电流信号并输出放电信号，当所述信号输出子模块接收到放电信号且未接收到充电信号时控制开关件截止。

通过采用上述技术方案，电流检测子模块检测放电接口上的电流信号并输出放电信号，当输出放电信号时表示放电接口的线路上有电流，表示负载接入，此时控制开关件截止，从而断开并联电阻与超级电容，减少并联电阻产生的电量损耗。

优选的，所述信号输出子模块包括单片机，所述单片机具有输入引脚与输出引脚，其输入引脚用于采集放电信号，其输出引脚与所述开关件的控制端连接，用于接收并响应放电信号以控制开关件截止。

通过采用上述技术方案，单片机的输入引脚采集放电信号，输出引脚响应放电信号以控制开关件截止，以此控制并联电阻与超级电容连接或断开，当连接时并联电阻起到平衡电压的作用，断开时可以减少并联电阻损耗的电量，降低功耗。

优选的，所述三极管的基极与发射极之间并联有分流电阻。

通过采用上述技术方案，分流电阻可以在三极管断电时消耗多余能量，从而保证三极管可靠关断，减少开关延迟。

附图说明

图1是本申请实施例一的电路原理图。

图2是本申请实施例一的模块示意图。

图3是本申请实施例二的电路原理图。

图4是本申请实施例三的电路原理图。

附图标记说明：1、开关件；2、控制模块；21、电流检测子模块；22、信号输出子模块。

具体实施方式

以下结合全部附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：本申请实施例公开一种串联超级电容的充放电电路。

参照图1、图2，一种串联超级电容的充放电电路包括分别与各超级电容并联的并联电阻、至少两个开关件1、用于输出控制信号的控制模块2、充电接口VIN及放电接口VBAK，开关件1串联于并联电阻与超级电容的并联回路中。控制模块2用于控制开关件1通断，开关件1导通时，并联电阻接入超级电容的并联回路，以此平衡超级电容两端的电压，从而避免超级电容因其两端电压过高或电压波动太大而损坏。开关件1断开时，并联电阻与超级电容的连接断开，以此减少并联电阻的电能损耗，延长超级电容放电时间。

串联的超级电容可以选用若干个，而本实施例中的超级电容有两个，即第一超级电容C1与第二超级电容C2，并联电阻与超级电容一一对应，即第一并联电阻R1与第二并联电阻R2。且第一超级电容C1的正极与充电接口VIN、放电接口VBAK连接，其负极与第二超级电容C2的正极连接，第二超级电容C2的负极接地。

其中，充电接口VIN与适配器、充电宝等外部充电电源连接，其通过第一二极管D1与第一超级电容C1的正极连接，用于向超级电容供给电能。且第一二极管D1的阴极连接第一超级电容C1的正极，其阳极连接充电接口VIN，二极管具有单向导通的作用，因此第一二极管D1可以避免超级电容的电流倒灌而损害外部充电电源。而放电接口VBAK用于与电器等负载端连接，使超级电容放电，其通过第二二极管D2连接第一超级电容C1，第二二极管D2的阴极连接放电接口VBAK，其阳极连接第一超级电容C1的正极。第二二极管D2用于避免负载端的电流倒灌，从而起到保护超级电容的作用。

而开关件1包括PNP型三极管Q1、第一NPN型三极管Q3及第二NPN型三极管Q2，PNP型三极管Q1的集电极连接于第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极的连接点，PNP型三极管Q1的发射极连接于第一并联电阻R1的一端。第一NPN型三极管Q3的集电极连接于PNP型三极管Q1的基极，其发射极接地，其基极通过第一限流电阻R6与控制模块2连接，用于接收控制模块2输出的控制信号。

第一并联电阻R1的一端连接第二并联电阻R2的一端，且两者的连接点连接于第一超级电容C1与第二超级电容C2的连接点。第二并联电阻R2的另一端连接于第二NPN型三极管Q2的集电极，第二NPN型三极管Q2的发射极接地，且其基极通过第二限流电阻R7与控制模块2连接，用于接收控制模块2输出的控制信号。第一限流电阻R6与第二限流电阻R7用于降低控制信号输入时的电流大小，从而避免损坏第一NPN型三极管Q3及第二NPN型三极管Q2。

PNP型三极管Q1、第一NPN型三极管Q3及第二NPN型三极管Q2三者的发射极与基极之间各自并联有一个分流电阻，即电阻R3、电阻R5与电阻R4，电阻R3对应PNP型三极管Q1，电阻R5对应第一NPN型三极管Q3，电阻R4对应第二NPN型三极管Q2。分流电阻可以在三极管断电时消耗多余能量，从而保证三极管可靠关断，减少开关延迟。

控制模块2包括电流检测子模块21及信号输出子模块22，电流检测子模块21可采用MAX4376型号的电流检测传感器，其与充电接口VIN连接以检测充电接口VIN上的电流信号并输出充电信号，且与放电接口VBAK连接以检测放电接口VBAK上的电流信号并输出放电信号。电流检测子模块21的具体检测方式可采用：通过检测与充电接口VIN或放电接口VBAK串联的电阻器两端上的电压差来采集电流参数，当充电接口VIN处的电阻器两端产生电压差时输出充电信号，当放电接口VBAK处的电阻器两端产生电压差时输出放电信号。

信号输出子模块22采用单片机，单片机具有输入引脚与输出引脚ctrl，其输入引脚与电流检测子模块21连接，其输出引脚ctrl与开关件1的控制端连接以输出控制信号，即与第一NPN型三极管Q3及第二NPN型三极管Q2两者的基极连接，用于接收并响应充电信号以控制开关件1导通，或接收并响应放电信号以控制开关件1截止。而当信号输出子模块22的输入引脚同时接收到充电信号与放电信号时，控制开关件1导通；当未接收到充电信号与放电信号时，控制开关件1截止。简言之，当信号输出子模块22的输入引脚接收到充电信号时，控制开关件1导通；当信号输出子模块22的输入引脚未接收到充电信号时，控制开关件1截止。

本申请实施例一的实施原理为：当超级电容充电时，电流检测子模块21检测到充电接口VIN处产生电流值，此时电流检测子模块21输出充电信号，信号输出子模块22的输入引脚接收到充电信号，其输出引脚ctrl输出控制信号。控制信号采用高电平信号，以此控制第一NPN型三极管Q3导通，此时PNP型三极管Q1基极接地，因此导通，使得第一并联电阻R1接入第一超级电容C1的并联回路中。同时，第二NPN型三极管Q2接收控制信号并导通，使得第二并联电阻R2接入第二超级电容C2的并联回路中。此时第一并联电阻R1与第二并联电阻R2串联形成分压电路，以此限制第一超级电容C1与第二超级电容C2的充电电压，避免各个超级电容的充电电压高于其额定电压，以此避免超级电容因电压过大或电压波动过大而损坏。

而当超级电容放电时，电流检测子模块21检测到放电接口VBAK处产生电流值且充电接口VIN处未产生电流值，此时电流检测子模块21输出放电信号，信号输出子模块22的输入引脚接收到放电信号，控制信号中断。此时第一NPN型三极管Q3、PNP型三极管Q1与第二NPN型三极管Q2均截止，第一并联电阻R1与第一超级电容C1断开并联状态，第二并联电阻R2与第二超级电容C2断开并联状态，超级电容仅向放电接口VBAK供电，以此减少并联电阻的额外电能损耗，从而降低功耗，延长超级电容维持时间。

实施例二：参照图3，一种串联超级电容的充放电电路，其与实施例一的区别在于，第一并联电阻R1与第二并联电阻R2等并联电阻均采用可变电阻器，例如滑动变阻器，以此方便改变电阻值。

本申请实施例二的实施原理为：更换超级电容时，操作人员可根据超级电容的容量、耐压值等对并联电阻的阻值进行调整，从而调节超级电容的充电电压，避免超级电容充电电压过大或充电电压波动过大而损坏。

实施例三：参照图4，一种串联超级电容的充放电电路，其与实施例一的区别在于，开关件1采用mos管，mos管包括第一nmos管、第二nmos管及pmos管，第一nmos管的栅极通过第一限流电阻R6与信号输出模块的输出引脚ctrl连接，第一nmos管的源极接地，其漏极连接于pmos管的栅极。pmos管的源极连接于第一超级电容C1的正极，其漏极连接于第一并联电阻R1一端。第二nmos管的栅极通过第二限流电阻R7连接信号输出模块的输出引脚ctrl，其源极接地，其漏极连接第二并联电阻R2一端。

本申请实施例三的实施原理为：当超级电容充电时，电流检测子模块21检测到充电接口VIN处产生电流值，此时电流检测子模块21输出充电信号，信号输出子模块22的输入引脚接收到充电信号，其输出引脚ctrl输出控制信号。第一nmos管导通，使得pmos管的栅极接地导通，使得第一并联电阻R1接入第一超级电容C1的并联回路中。

同时第二nmos管导通，使得第二并联电阻R2接入第二超级电容C2的并联回路中。此时第一并联电阻R1与第二并联电阻R2串联形成分压电路，以此限制第一超级电容C1与第二超级电容C2的充电电压，避免各个超级电容的充电电压高于其额定电压，以此避免超级电容因电压过大或电压波动过大而损坏。

而当超级电容放电时，电流检测子模块21检测到放电接口VBAK处产生电流值且充电接口VIN处未产生电流值，此时电流检测子模块21输出放电信号，信号输出子模块22的输入引脚接收到放电信号，控制信号中断。此时第一nmos管、第二nmos管及pmos管均截止，第一并联电阻R1与第一超级电容C1断开并联状态，第二并联电阻R2与第二超级电容C2断开并联状态，超级电容仅向放电接口VBAK供电，以此减少并联电阻的额外电能损耗，从而降低功耗，延长超级电容维持时间。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串联超级电容的充放电电路，包括分别与各超级电容并联的并联电阻，其特征在于：还包括至少两个开关件（1）、用于输出控制信号的控制模块（2）、充电接口及放电接口，所述开关件（1）串联于并联电阻与超级电容的并联回路中，所述开关件（1）的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一开关件（1）；

所述开关件（1）的控制端与控制模块（2）电连接，用于接收并响应控制信号以导通或截止，所述充电接口与放电接口连接且两者的连接点与超级电容的正极连接。

2.根据权利要求1所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述开关件（1）包括三极管，所述三极管的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一三极管，其基极与控制模块（2）电连接。

3.根据权利要求2所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述三极管采用PNP型三极管，所述PNP型三极管连接有第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的发射极接地，其集电极连接于PNP型三极管的基极，其基极与控制模块（2）连接，用于接收控制信号，控制信号采用高电平信号。

4.根据权利要求1所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述开关件（1）包括mos管，所述mos管的一端与并联电阻一端连接，其另一端连接电压输入端或地或另一mos管，其栅极与控制模块（2）电连接。

5.根据权利要求1所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述充电接口与超级电容之间设置有第一二极管，所述第一二极管的阳极连接充电接口；所述放电接口与超级电容之间设置有第二二极管，所述第二二极管的阴极连接放电接口，所述第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接。

6.根据权利要求1所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述并联电阻采用可变电阻器。

7.根据权利要求1所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述控制模块（2）包括电流检测子模块（21）及信号输出子模块（22），所述电流检测子模块（21）与充电接口连接以检测充电接口上的电流信号并输出充电信号，所述信号输出子模块（22）与电流检测子模块（21）连接，用于接收并响应充电信号以控制开关件（1）导通。

8.根据权利要求7所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述电流检测子模块（21）与放电接口连接以检测放电接口上的电流信号并输出放电信号，当所述信号输出子模块（22）接收到放电信号且未接收到充电信号时控制开关件（1）截止。

9.根据权利要求7所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述信号输出子模块（22）包括单片机，所述单片机具有输入引脚与输出引脚，其输入引脚用于采集充电信号，其输出引脚与所述开关件（1）的控制端连接，用于接收并响应充电信号以控制开关件（1）截止。

10.根据权利要求2所述的串联超级电容的充放电电路，其特征在于：所述三极管的基极与发射极之间并联有分流电阻。

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