CN214479652U - 一种超级电容功率缓存电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超级电容功率缓存电路，包括控制电路、超级电容器充电电路、超级电容器组、升压电路；控制电路负责检测超级电容器的实时电压从而以电压信号的形式输出可用于接纳的最大电流信息(V_FI)；超级电容器充电电路根据控制电路提供的V_FI信息对超级电容器组进行特定功率充电；升压电路利用超级电容器提供的能量进行功率输出，由于超级电容器的充电功率是恒定的，且超级电容器能够缓冲能量，在系统负载较大时，也不需要担心高耗电负载瞬间对电池的冲击，从而实现电源能量的缓冲。另外升压电路能够将来自输出端的反向能量回充到超级电容器组，从而实现系统负载的能量回收。

Description

一种超级电容功率缓存电路

技术领域

本实用新型涉及机器人和工业控制领域，能够应用在功率缓存或者能量回收的场景。

背景技术

随着机器人和工业技术的发展，对电池功率的控制提出了更高的要求。某些特定领域需要电池进行稳定的低功率输出从而达到电池能量利用的最大化，但通常负载波动较大，有时甚至长时间处于高功率或者长时间空载。为此需要增加一定的功率补偿机制，从而能将空载(或者能量回收)时的功率进行缓存，在持续高负载的时候释放，从而提高电池持续供电能力。

通常现阶段会采用一些软起动等方法减缓对于电池的冲击，但对于机器人和工业控制的要求而言，这些方法始终无法满足快速地响应要求。本设计利用超级电容器作为储能媒介，利用升压和降压的方法实现功率的缓存，另外通过监测超级电容器组的端电压并通过CAN总线通讯方式发送到外部主机，从而使得机器人控制可以根据电容内部缓存的能量做出一定调整。

实用新型内容

本实用新型技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种超级电容功率缓存电路，以解决上述背景技术中提出的问题，利用超级电容器的高循环寿命和快速充放电能力，实现对负载变化复杂情况下的功率缓存，适合用于各类机器人的电机功率缓存和补偿。该设计能够将电源(通常为电池)提供的能量进行缓存，从而减少机器人控制时高耗电负载瞬间对电池的冲击，减少放电倍率小的电池在短时大电流造成电池续航能力下降的问题。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种超级电容功率缓存电路，其特征在于包括：控制电路(1)、超级电容器充电电路(2)、超级电容器组(3) 和升压电路(4)；

所述控制电路(1)，实时检测超级电容器组(3)的电压V，通过CAN总线接收从外部主机处发来的最大充电功率P，根据I(max)＝P/V得到最大充电电流，将最大充电电流转换成用以控制超级电容器充电电路(2)的电压信号V_FI，并送至超级电容器充电电路(2)；同时通过CAN总线告知外部主机当前超级电容器组(3)的电压；

所述超级电容器充电电路(2)，接受来自控制电路的电压信号V_FI，并通过降压转换，控制从电源流向超级电容器组(3)的实时充电电流，从而控制输入到超级电容器组(3)的功率，达到缓存电源功率的特性；此外超级电容器充电电路(2)预设了超级电容器组(3)的最大充电电压，当超级电容器组(3)的电压接近最大电压时，超级电容器充电电路(2)会减小充电功率或者停止充电；

超级电容器组(3)缓存从超级电容器充电电路(2)流入的功率，还向升压电路(4)输出功率，保证输出到系统负载的功率不会影响到系统电源；同时超级电容组(3)在单个超级电容超过最大耐压时导通泄流电阻，从而保证不会出现过度充电现象；

升压电路(4)将超级电容器组(3)的电压升高到系统负载所需的电压，从而为负载提供功率；升压电路(4)具有双向特性，不但能向系统负载提供功率，还能够吸收系统负载(如电机)回充的功率，并将回充的功率反充到超级电容器组(3)，从而减少输出到系统负载(如电机)的能量浪费。

所述控制电路包括主控芯片(101)、超级电容器电压衰减器(102)、输出电压跟随器(103)和降压电路(104)；

主控芯片(101)采用STM32F072C8，其包含CAN总线、ADC和DAC功能；主控芯片(101)通过CAN总线与外部主机进行数据交互，从外部主机处获取当前设定的最大缓存功率P，告知外部主机的超级电容器组(3)的当前电压信息V；主控芯片(101)利用内部ADC对经过超级电容器电压衰减器(102)衰减后的电压进行采集，获取超级电容器组(3)的电压V；主控芯片(101)利用内部DAC将计算好的最大电流信息以电压的形式输出到输出电压跟随器(103)进行跟随；另外主控芯片(101)供电的电源来自降压电路(104)；

超级电容器电压衰减器(102)利用电阻对超级电容器组(3)的电压进行分压，将分压后的电压信号接入跟随器从而提升该分压后电压信号的带载能力，最终该分压后的电压信号接到主控芯片(101)的ADC端；

输出电压跟随器(103)将主控芯片(101)通过ADC输出的电压信号进行跟随，提升带载能力后接入到超级电容器充电电路(2)的电流控制端；

降压电路(104)将电源接入的电压降低后分给主控芯片(101)供电。

所述超级电容器充电电路包括：超级电容充电管理芯片(201)、半桥电路(202)、电流反馈电阻(203)和电压反馈电阻(204)；

超级电容充电管理芯片(201)在电流反馈端接收电流反馈电阻(203)反馈的电流信息、在最大电流设置端接收控制电路(1)传来的最大电流信息V_FI、在电压反馈端接收电压反馈电阻(204)反馈的超级电容器组(3)电压信息，然后输出两路互补的PWM 波形来控制半桥电路(202)实现对超级电容器组的充电控制；

半桥电路(202)受超级电容充电管理芯片(201)发来的PWM信号控制，改变电源接通的时长来控制流向超级电容器组(3)的电流和功率；

电流反馈电阻(203)是一个低阻值电阻，能够流过较大电流，通过接通半桥电路(202)和超级电容器组(3)来传递电流，另外其两端的电压能够指示流过的电流信息，通过其反馈到超级电容充电管理芯片(201)的电流反馈端以告知当前超级电容器组(3) 的实时充电电流；

电压反馈电阻(204)由两个电阻构成，形成分压电路，它通过将超级电容器组(3)的电压进行分压反馈到超级电容充电管理芯片(201)的电压控制端以告知当前超级电容器组(3)的实时电压；

超级电容充电管理芯片(201)能够通过电压采集端，电流采集端，最大电流设置端分别获得超级电容器组(3)的电压、超级电容器组(3)的实时充电电流和实时设置的最大电流信息V_FI,然后通过比较超级电容器组(3)的实时充电电流与最大电流信息 V_FI之间的差值、超级电容器组反馈的电压和内部参考电压(约1.2V)的差值来输出一定占空比的PWM波形进而驱动半桥电路(202)，半桥电路(202)采用BUCK结构，实现降压可控电流的充电功能。

所述超级电容器组(3)包括超级电容器(301)、超级电容管理芯片(302)和泄流电阻(303)；

超级电容器(301)采用多个单体超级电容串并接组成，其与超级电容器充电电路(2)、升压电路(4)都是并联连接；

超级电容管理芯片(302)并联于每个单体的超级电容，其泄流端接泄流电阻(303)；

超级电容器组(3)整体看作将单个超级电容经过串并组合成具有一定耐压值和一定缓存功率的超级电容器组；每个单体的超级电容都并接超级电容管理芯片(302)，能够监测超级电容器的电压，防止其电压超过超级电容的耐压值；当电压超过耐压值时，该超级电容管理芯片(302)能够导通泄流电阻(303)来旁路超级电容，使之不会超过最大耐压。由于超级电容器组与超级电容器充电电路(2)、升压电路(4)都是并联连接，能够任意缓存和释放功率，既能在系统负载较小的情况缓存功率，又能在系统负载较大的情况释放所欠功率，从而实现电源功率的缓存。

所述升压电路包括：升压芯片(401)、半桥电路(402)和电压反馈电阻(403)；

升压芯片(401)的电压反馈端接电压反馈电阻(403)；升压芯片(401)的驱动端接半桥电路(402)，从而控制输出的电压；

半桥电路(402)连接超级电容器组(3)，并且负责最后到系统负载的输出；

电压反馈电阻(403)通过采集最后的输出电压，经过分压后反馈到升压芯片(401)的电压反馈端；

升压芯片(401)根据电压反馈电阻(403)反馈的电压控制用以驱动半桥电路(402)的PWM信号，从而利用BOOST电路原理实现升压；另外桥式电路能够在输出电压大于预设电压的情况下，使功率反向流动，实现系统负载侧的能量回收。

本实用新型与现有技术相比的有益效果如下：

(1)本实用新型超级电容功率缓存电路，通过CAN总线向控制电路发送功率的上限值，可以控制超级电容器组使用特定功率对电源功率进行定功率缓存，保证了电源放电功率的平缓，使得系统的电源有更好的放电效果。

(2)本实用新型的超级电容功率缓存电路，通过LM5122升压芯片控制半桥电路实恒定电压输出，另外桥式电路能够在输出电压大于预设电压的情况下，使功率反向流动，从而能够实现系统负载侧的能量回收，降低系统负载回充能量的直接浪费，增加电源续航时间。

附图说明

图1为本实用新型系统框图；

图2为本实用新型控制电路；

图3为本实用新型超级电容器充电电路框图；

图4为本实用新型超级电容器组电路框图；

图5为本实用新型升压电路框图。

图中：101控制芯片(STM32F072C8)、102超级电容器电压衰减器、103输出电压跟随器、104降压电路、201超级电容充电管理芯片(BQ24640)、202半桥电路(MOS 管采用IPD079N06)、203电流反馈电阻、204电压反馈电阻、301超级电容、302超级电容管理芯片(BW6101)、303泄流电阻、401升压芯片(LM5122)、402半桥电路(MOS 管采用IRLR3114)、403电压反馈电阻。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种超级电容功率缓存电路，包括控制电路1，超级电容器充电电路2，超级电容器组3，升压电路4。

通过控制电路1中超级电容器电压衰减器102将超级电容器组3的电压衰减到主控芯片101可采集的范围进行ADC采集。

控制电路1实时地利用CAN总线发来的最大功率信息和当前超级电容器组电压对所需的电流限制信息V_FI进行计算。其表达式为

R_f是电流反馈电阻203的阻值，P是CAN总线发来的最大功率信息，其中20为BQ24640芯片内部的采样电压放大倍数，V是主控芯片101通过超级电容器电压衰减器102采集到的超级电容器组实时电压信息。利用主控芯片101的内部DAC输出V_FI对应的电压值，经过输出电压跟随器103反馈到超级电容器充电电路2的电流限制端。

超级电容器充电电路2的半桥电路202采用IPD079N06型MOS管，利用BQ24640型超级电容充电管理芯片201作为充电控制核心器件，利用10K和90.9K的电压反馈电阻 204设置最大充电电压，设置其充电截止电压为21.2V。通过超级电容器充电电路，最终能够实现超级电容器按照所预设的功率P进行功率缓存。

超级电容器组3采用8串2并的方式组合了16个超级电容301，总缓存功率可达2041.2J。使用BW6101超级电容管理芯片302实现对超级电容301的保护，防止单个超级电容的电压超过其耐压值。

升压电路4采用LM5122型升压芯片401，半桥电路402采用IRLR3114型MOS管，实现对超级电容器组3的电压进行升压输出，保证最终输出到系统负载的电压稳定。由于升压电路4采用同步DCDC升压方案，因此其能够将系统负载反充的功率反向缓存回超级电容器组3，从而实现能量回收。

控制电路使用stm32f072c8作为控制芯片，其支持CAN总线通讯，ADC采集和DAC 输出。所述的电路采用电压反馈电阻实现超级电容器组电压范围的衰减，通过控制芯片的ADC得到超级电容端电压V。所述的在检测到超级电容电压V以及CAN总线发来的最大功率信息P后，通过Imax＝P/V得到最大充电电流，通过控制芯片的DAC输出能指示最大电流信息的电压V_FI,并利用输出电压跟随器跟随输出到超级电容器充电电路。

超级电容器充电电路采用BQ24640型超级电容充电管理芯片，所述超级电容器充电电路的半桥电路MOS管采用IPD079N06；所述电压反馈电阻采用10KΩ和90.9KΩ的阻值，使得最大电压设置为21.2V；当选择不同电压反馈电阻阻值时能够调整最大电压，但理论不超过超级电容充电管理芯片BQ24640的耐压值26V；所述电路的电流反馈电阻(R_f) 采用5mΩ，其控制的输出电流可根据

得到。

超级电容器组采用容值为35F、耐压为2.7V的16个超级电容组成，总的最大缓存功率为2041.2J；所述超级电容管理芯片采用BW6101。

升压电路的升压芯片采用LM5122；所述半桥电路的MOS管采用IRLR3114；所述的电压反馈电阻采用10KΩ和200KΩ组成，从而设置输出电压为25.2V。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种超级电容功率缓存电路，其特征在于，包括：控制电路(1)、超级电容器充电电路(2)、超级电容器组(3)和升压电路(4)；

所述控制电路(1)，实时检测超级电容器组(3)的电压V，通过CAN总线接收从外部主机处发来的最大充电功率P，根据Imax＝P/V得到最大充电电流，将最大充电电流转换成用以控制超级电容器充电电路(2)的电压信号V_FI，并送至超级电容器充电电路(2)；同时通过CAN总线告知外部主机当前超级电容器组(3)的电压；

所述超级电容器充电电路(2)，接受来自控制电路的电压信号V_FI，并通过降压转换，控制从电源流向超级电容器组(3)的实时充电电流，从而控制输入到超级电容器组(3)的功率，达到缓存电源功率的特性；此外超级电容器充电电路(2)预设超级电容器组(3)的最大充电电压，当超级电容器组(3)的电压接近最大电压时，超级电容器充电电路(2)会减小充电功率或者停止充电；

超级电容器组(3)缓存从超级电容器充电电路(2)流入的功率，还向升压电路(4)输出功率；

升压电路(4)将超级电容器组(3)的电压升高到系统负载所需的电压，从而为系统负载提供功率；升压电路(4)并将回充的功率反充到超级电容器组(3)。

2.根据权利要求1所述的超级电容功率缓存电路，其特征在于：所述控制电路包括主控芯片(101)、超级电容器电压衰减器(102)、输出电压跟随器(103)和降压电路(104)；

主控芯片(101)包含CAN总线、ADC和DAC；主控芯片(101)通过CAN总线与外部主机进行数据交互，从外部主机处获取当前设定的最大缓存功率P，告知外部主机的超级电容器组(3)的当前电压信息V；主控芯片(101)利用内部ADC对经过超级电容器电压衰减器(102)衰减后的电压进行采集，获取超级电容器组(3)的电压V；主控芯片(101)利用内部DAC将计算好的最大电流信息以电压的形式输出到输出电压跟随器(103)进行跟随；另外主控芯片(101)供电的电源来自降压电路(104)；

超级电容器电压衰减器(102)利用电阻对超级电容器组(3)的电压进行分压，将分压后的电压信号接入跟随器从而提升该分压后电压信号的带载能力，最终该分压后的电压信号接到主控芯片(101)的ADC端；

输出电压跟随器(103)将主控芯片(101)通过ADC输出的电压信号进行跟随，提升带载能力后接入到超级电容器充电电路(2)的电流控制端；

降压电路(104)将电源接入的电压降低后分给主控芯片(101)供电。

3.根据权利要求1所述的超级电容功率缓存电路，其特征在于：所述超级电容器充电电路包括：超级电容充电管理芯片(201)、半桥电路(202)、电流反馈电阻(203)和电压反馈电阻(204)；

超级电容充电管理芯片(201)，在电流反馈端接收电流反馈电阻(203)反馈的电流信息、在最大电流设置端接收控制电路(1)传来的最大电流信息V_FI、在电压反馈端接收电压反馈电阻(204)反馈的超级电容器组(3)电压信息，然后输出两路互补的PWM波形来控制半桥电路(202)，实现对超级电容器组的充电控制；

半桥电路(202)受超级电容充电管理芯片(201)发来的PWM信号控制，改变电源接通的时长来控制流向超级电容器组(3)的电流和功率；

电流反馈电阻(203)通过接通半桥电路(202)和超级电容器组(3)来传递电流，另外电流反馈电阻(203)两端的电压能够指示流过的电流信息，通过把电流反馈电阻(203)两端的电压反馈到超级电容充电管理芯片(201)的电流反馈端以告知当前超级电容器组(3)的实时充电电流；

电压反馈电阻(204)由两个电阻构成，形成分压电路，它通过将超级电容器组(3)的电压进行分压反馈到超级电容充电管理芯片(201)的电压控制端以告知当前超级电容器组(3)的实时电压；

超级电容充电管理芯片(201)能够通过电压采集端、电流采集端、最大电流设置端分别获得超级电容器组(3)的电压、超级电容器组(3)的实时充电电流和实时设置的最大电流信息V_FI,然后通过比较超级电容器组(3)的实时充电电流与最大电流信息V_FI之间的差值、超级电容器组反馈的电压和内部参考电压的差值来输出PWM信号驱动半桥电路(202)，实现降压可控电流的充电功能。

4.根据权利要求1所述的超级电容功率缓存电路，其特征在于：所述超级电容器组(3)包括超级电容器(301)、超级电容管理芯片(302)和泄流电阻(303)；

超级电容器(301)采用多个单体超级电容串并接组成，与超级电容器充电电路(2)、升压电路(4)均是并联连接；

超级电容管理芯片(302)并联于每个单体的超级电容，超级电容管理芯片(302)的泄流端接泄流电阻(303)；

超级电容器组(3)整体是单个超级电容经过串并组合成具有耐压值和缓存功率的超级电容器组；每个单体的超级电容均并接超级电容管理芯片(302)，监测超级电容器的电压，防止单个超级电容电压超过超级电容的耐压值；当电压超过耐压值时，该超级电容管理芯片(302)能够导通泄流电阻(303)来旁路超级电容，使之不会超过最大耐压。

5.根据权利要求1所述的超级电容功率缓存电路，其特征在于：所述升压电路包括：升压芯片(401)、半桥电路(402)和电压反馈电阻(403)；

升压芯片(401)的电压反馈端接电压反馈电阻(403)；升压芯片(401)的驱动端接半桥电路(402)，从而控制输出的电压；

半桥电路(402)连接超级电容器组(3)，并且负责最后到系统负载的输出；

电压反馈电阻(403)通过采集最后的输出电压，经过分压后反馈到升压芯片(401)的电压反馈端；

升压芯片(401)根据电压反馈电阻(403)反馈的电压控制用以驱动半桥电路(402)的PWM信号，利用BOOST电路原理实现升压；另外半桥电路(402)能够在输出电压大于预设电压的情况下，使功率反向流动，实现系统负载侧的能量回收。

Images