CN219999079U - 一种超级电容的充放电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超级电容的充放电电路，其中：电池单元的正极与开关单元的控制端连接；开关单元的输入端与电源模块的输出端连接；开关单元的输出端分别与用电单元和超级电容的一端相连；超级电容的另一端与电池单元的负极均接地；在恒压充放电电路掉电时期将开关单元完全关断，进而防止开关单元向充电电源反灌，这样所有的超级电容的电荷就只能被用电单元使用，达到对超级电容的无损耗以及充电过程中用电单元正常工作的目的。

Description

一种超级电容的充放电电路

技术领域

本实用新型属于超级电容技术领域，更具体的说，尤其涉及一种超级电容的充放电电路。

背景技术

超级电容(Supercapacitors)，又名电化学电容(Electrochemical Capacitors)，是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置。它是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，因而不同于传统的化学电源。超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。

现有技术中提供多种超级电容恒压充电的方案，但是，现有的超级电容恒压充电的方案在对超级电容恒压充电过程中，用电设备无法正常工作。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种超级电容的充放电电路，用于对超级电容无损耗放电以及充电过程中用电单元正常工作。

本申请公开了一种超级电容的充放电电路，包括：电池单元、电源模块、开关单元、超级电容和用电单元；

所述电池单元的正极与所述开关单元的控制端连接；

所述开关单元的输入端与所述电源模块的输出端连接；

所述开关单元的输出端分别与所述用电单元和所述超级电容的一端相连；

所述超级电容的另一端与所述电池单元的负极均接地。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述开关单元，包括：第一开关、第二开关、第一偏置电阻、第二偏置电阻、第三偏置电阻、第四偏置电阻和二极管；

所述第一开关的一端与所述第一偏置电阻的一端相连，连接点作为所述开关单元的输出端；

所述第一开关的另一端作为所述开关单元的输入端；

所述第一开关的控制端分别与所述第一偏置电阻的另一端和所述第二偏置电阻的一端相连；

所述第二偏置电阻的另一端与所述第二开关的一端相连；

所述第二开关的控制端分别与所述第三偏置电阻的一端、所述第四偏置电阻的一端和所述二极管的阴极相连；

所述第三偏置电阻的另一端作为所述开关单元的控制端；

所述第四偏置电阻的另一端和所述二极管的阳极、所述第二开关的另一端接地。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述第一开关采用PMOS、NMOS、PNP三极管和继电器中的至少一种。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述第二开关为三极管。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述第二开关为NMOS。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，还包括：限流单元；

所述限流单元设置于所述超级电容与所述开关单元的输出端之间。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述限流单元包括：限流电阻；

所述限流电阻设置于所述超级电容与所述开关单元的输出端之间。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述电源模块的输入端连接外部的储能模块。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述电源模块的输入端连接所述电池单元的正极。

可选的，在上述超级电容的充放电电路中，所述用电单元为实时时钟芯片RTC/大气压力传感器。

从上述技术方案可知，本实用新型提供的一种电池单元的正极与开关单元的控制端连接；开关单元的输入端与电源模块的输出端连接；开关单元的输出端分别与用电单元和超级电容的一端相连；超级电容的另一端与电池单元的负极均接地；在恒压充放电电路掉电时期将开关单元完全关断，进而防止开关单元向充电电源反灌，这样所有的超级电容的电荷就只能被用电单元使用，达到对超级电容无损耗放电以及充电过程中用电单元正常工作的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种超级电容的充放电电路的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的示意图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的示意图；

图6是本实用新型实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请实施例提供了一种超级电容的充放电电路，用于解决现有技术中现有的超级电容恒压充电的方案在对超级电容恒压充电过程中，用电设备无法正常工作的问题。

参见图1，该超级电容的充放电电路，包括：电池单元、电源模块、开关单元、超级电容C1和用电单元。

电池单元的正极与开关单元的控制端连接。

也就是说，该电池单元可以控制开关单元的状态。

具体的，当该电池单元接入系统，也即恒压充放电电路上电时，可以控制该开关单元处于导通模式；当该电池单元切出系统，也即恒压充放电电路掉电时可以控制该开关单元处于关断模式。

开关单元的输入端与电源模块的输出端连接。

也就是说，该开关单元接收该电源模块的电源信号。

因此，开关单元的工作状态可以通过电源模块和电池单元一同控制。

具体的控制过程可以是，电池单元上电且电源模块输出电源信号时，该开关单元处于导通模式，电池单元掉电或电源模块未输出电源信号时，该开关单元处于关断模式。

当然，也可以采用其他控制方式，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请保护范围内。

该电源模块可以包括电源芯片。

该电源芯片可以是DCDC芯片也可以是LDO芯片，当然也不排除为其他芯片，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

开关单元的输出端分别与用电单元和超级电容C1的一端相连。

也就是说，在开关单元处于导通模式时，可以同时为用电单元和超级电容C1供电；也即，实现了对超级电容C1充电的同时，为用电单元供电，供电单元可以继续工作。

超级电容C1的另一端与电池单元的负极均接地GND。

电池单元包括至少一个电池。该电池单元中电池的数量，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

也就是说，通过电源模块实现了恒压输出给超级电容C1进行充电。超级电容C1是备电用的超级电容C1，开关单元受到电池单元的控制，当有电池单元输入时开关单元处于导通模式且电源模块有输入电源，则此时正常输出电压给超级电容C1进行充电，由于用电单元使用的是如图1所示的VCC处的电压，充电过程中用电单元的电压就是电源模块的输出电压，则充电过程用电单元依然可以正常的工作。当电池单元移除即掉电时，此时开关单元会断开，这样超级电容C1上的电荷就只有用电设备这个负载会去使用，这样就达到了无损耗。

本申请特别涉及在一种使用超级电容作为备电的场景，例如VCU和BMS产品中RTC芯片或者大气压力传感器的备电，总之此方案特别适合工作和休眠电流都是微安级别的应用。

本申请中超级电容使用最简单的恒压充电，但是充电的过程不会影响RTC芯片的正常工作。当整个控制器的供电一旦丢失即掉电，会立马将充电回路切断，以达到对于超级电容上的电荷不会造成任何的损耗。能让RTC等负载在控制器无供电的情况下工作更持久的时间。

在本实施例中，电池单元的正极与开关单元的控制端连接；开关单元的输入端与电源模块的输出端连接；开关单元的输出端分别与用电单元和超级电容C1的一端相连；超级电容C1的另一端与电池单元的负极均接地GND；在恒压充放电电路掉电时期将开关单元完全关断，进而防止开关单元向充电电源反灌，这样所有的超级电容C1的电荷就只能被用电单元使用，达到对超级电容C1的无损耗以及充电过程中用电单元正常工作的目的。

在实际应用中，参见图2，还包括：限流单元。

限流单元设置于超级电容C1与开关单元的输出端之间。

限流单元的一端与超级电容C1的一端相连，限流单元的另一端与开关单元的输出端相连。

具体的，可以通过限流单元的阻值设计，灵活匹配恒压输出电源的过流参数，以达到简易恒压充电的目的。

当然，该限流单元也可以设置于用电单元的输入端处，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在申请的保护范围内。

在实际应用中，参见图3，限流单元包括：限流电阻R1。

限流电阻R1设置于超级电容C1与开关单元的输出端之间。

限流电阻R1的一端与超级电容C1的一端相连，限流电阻R1的另一端与开关单元的输出端相连。

需要说明的是，图3以一个限流电阻R1为例进行展示，该限流单元中限流电阻R1的数量可以是一个也可以是多个，此处不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

该限流电阻R1可以采用49.9R，1％的电阻，也即采用阻值49.9欧、精度0.1％的电阻，当然也可以采用其他电阻，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

在本实施例汇总，由于限流电阻R1的存在可以根据超级电容C1和电源模块的过流保护性能灵活调整，充电的参数匹配简单。

在实际应用中，如图4所示，电源模块的输入端连接外部的储能模块。

也就是说，该电源模块接收外部的储能模块供电，该外部的储能模块可以包括至少一个电池。

该外部的储能模块的具体形式，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

电源模块所连接的外部的储能模块与电池单元互为隔离电源(未进行图示)，该外部的储能模块与该电池单元相互独立，互不影响，进而使电源模块所连接的电源与电池单元互为隔离电源。

也即，电源模块与开关单元分别采用独立的电源。

在实际应用中，如图1所示，电源模块的输入端连接电池单元的正极。

也就是说，电池单元的正极分别与电源模块的输入端和开关单元的控制端相连。

也即，电源模块与开关单元共用同一个电源。

在实际应用中，用电单元为RTC(实时时钟芯片，Real-Time Clock)/大气压力传感器。

当然，该用电单元还可以是其他用电设备，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

参见图5和图6，开关单元，包括：第一开关Q1、第二开关Q2、第一偏置电阻R11、第二偏置电阻R12、第三偏置电阻R13、第四偏置电阻R14和二极管D。

第一开关Q1的一端与第一偏置电阻R11的一端相连，连接点作为开关单元的输出端。

具体的，第一开关Q1的一端与第一偏置电阻R11的一端相连，第一开关Q1的一端与第一偏置电阻R11之间的连接点作为开关单元的输出端、分别与用电单元和超级电容C1连接(如图6所示)。

第一开关Q1的另一端作为开关单元的输入端。

具体的，第一开关Q1的另一端作为开关单元的输入端、与电源模块的输出端相连。

第一开关Q1的控制端分别与第一偏置电阻R11的另一端和第二偏置电阻R12的一端相连。

第二偏置电阻R12的另一端与第二开关Q2的一端相连。

第二开关Q2的控制端分别与第三偏置电阻R13的一端、第四偏置电阻R14的一端和二极管D的阴极相连。

第三偏置电阻R13的另一端作为开关单元的控制端。

具体的，第三偏置电阻R13的另一端作为开关单元的控制端、与电池单元的正极相连。

第四偏置电阻R14的另一端和二极管D的阳极、第二开关Q2的另一端接地GND。

其中，图5为包括限流电阻R1的示意图，图6为不包括限流电阻R1的示意图。

在实际应用中，第一开关Q1为PMOS、NMOS、PNP三极管和继电器中的一种。

也就是说，第一开关Q1为可以是PMOS，NMOS，PNP三极管，继电器等任意类型的开关，由于PMOS实现最简单，所以后续电路展示就是以PMOS来进行展示。

也就是说，该开关单元可以是多种形式的电路，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

第二开关Q2为NMOS。

第二开关Q2为三极管。

具体的，本申请以第一开关Q1及周边驱动电路为例进行说明，下面对各个器件的功能进行说明：

第一开关Q1是PMOS主要用于开关，当PMOS开启时就可以无压降的对超级电容C1进行充电，且同时给RTC芯片(用电单元)供电，当PMOS关断时由于其二极管D的存在，所以不会向电源模块反灌电压，这时这个充电电路就不会产生任何的电流回路，所以对于超级电容C1就不会有任何的消耗。

第一偏置电阻R11是为了给PMOS提供Vgs偏置电压。

第二偏置电阻R12是为了更好的调节PMOS的Vgs偏置电压。

第三偏置电阻R13是为了更好的调节NMOS的Vgs偏置电压。

第四偏置电阻R14是为了给NMOS提供Vgs偏置电压。

二极管D是为了给NMOS提供NMOS的Vgs输入过压保护。

第二开关Q2是个NMOS，当然也可以是NPN三极管，三极管静态电流大，最好还是NMOS；该第二开关Q2是为了能实现用电池单元的电源输入去控制这个NMOS进而实现PMOS的开启和关断。当电池正常接入时第四偏置电阻R14和第三偏置电阻R13的分压会使第二开关Q2开启，这时第一偏置电阻R11和第二偏置电阻R12的分压会使PMOS打开，当电池移除即掉电时第二开关Q2就会关断，此时第二开关Q2的Ids电流就是0A.，这时第一偏置电阻R11和第二偏置电阻R12上的分压就是0V。该PMOS也就会关闭。电池掉电时第二开关Q2和第一开关Q1都会关断，此时PMOS的驱动电路也不会产生任何的电流消耗，所以实现了无损耗。

具体的，第一开关Q1可以采用BSS84AAK型号的开关；第二开关Q2可以采用2N7002BK型号的开关；第一偏置电阻R11可以采用100K，1％的电阻，即采用阻值100K欧、精度0.1％的电阻；第二偏置电阻R12可以采用10K，1％的电阻，即采用阻值10K欧、精度0.1％的电阻；第三偏置电阻R13可以采用300K，1％的电阻，即采用阻值300K欧、精度0.1％的电阻；第三偏置电阻R14可以采用2M，1％的电阻，即采用阻值100M欧、精度0.1％的电阻；二极管D可以采用BZX84-C15型号的二极管；超级电容C1可以采用1F，5.5V的电容，即采样通知为1法，耐压值为5.5V电容。

上述说明中各个器件的型号和大小均是一种示例，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

超级电容的充放电电路有两种工作状态，下面分别介绍：

(1)在电池单元正常接入时整个电路中的所有开关都处于开启的状态，此时可以对超级电容C1进行充电和用电单元中的RTC供电。

(2)在电池单元掉电时整个电路中的所有开关都处于关闭状态，此时超级电容C1并联的所有回路都处于关闭状态，就不会对超级电容C1上的电荷产生任何的消耗。

开关单元采用其他结构的具体内容，此处不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

在本实施例中，通过限流电阻R1的阻值，灵活匹配恒压输出电源的过流参数，以达到了简易恒压充电的目的，同时重点解决了在掉电时期完全将PMOS的开关驱动电路完全关断，PMOS的体二极管D防止向充电电源反灌，这样所有的电荷就只能被用电单元中的RTC使用，以达到对超级电容C1的无损耗的目的。

本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超级电容的充放电电路，其特征在于，包括：电池单元、电源模块、开关单元、超级电容和用电单元；

所述电池单元的正极与所述开关单元的控制端连接；

所述开关单元的输入端与所述电源模块的输出端连接；

所述开关单元的输出端分别与所述用电单元和所述超级电容的一端相连；

所述超级电容的另一端与所述电池单元的负极均接地。

2.根据权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述开关单元，包括：第一开关、第二开关、第一偏置电阻、第二偏置电阻、第三偏置电阻、第四偏置电阻和二极管；

所述第一开关的一端与所述第一偏置电阻的一端相连，连接点作为所述开关单元的输出端；

所述第一开关的另一端作为所述开关单元的输入端；

所述第一开关的控制端分别与所述第一偏置电阻的另一端和所述第二偏置电阻的一端相连；

所述第二偏置电阻的另一端与所述第二开关的一端相连；

所述第二开关的控制端分别与所述第三偏置电阻的一端、所述第四偏置电阻的一端和所述二极管的阴极相连；

所述第三偏置电阻的另一端作为所述开关单元的控制端；

所述第四偏置电阻的另一端和所述二极管的阳极、所述第二开关的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述第一开关采用PMOS、NMOS、PNP三极管和继电器中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述第二开关为三极管。

5.根据权利要求2所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述第二开关为NMOS。

6.根据权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，还包括：限流单元；

所述限流单元设置于所述超级电容与所述开关单元的输出端之间。

7.根据权利要求6所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述限流单元包括：限流电阻；

所述限流电阻设置于所述超级电容与所述开关单元的输出端之间。

8.根据权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述电源模块的输入端连接外部的储能模块。

9.根据权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述电源模块的输入端连接所述电池单元的正极。

10.根据权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述用电单元为实时时钟芯片RTC/大气压力传感器。