CN110086244A - 一种双电源管理电路和双电源工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种双电源管理电路，包括第一电源，所述第一电源通过直流母线连接负载，所述双电源管理电路还包括位于直流母线上的第一节点，恒流模块，超级电容组件，合路模块和第二节点，所述恒流模块用于为超级电容组件充电，所述恒流模块的一端连接第一电源，另一端与超级电容组件的正极及合路模块的第一端连接于第二节点，所述超级电容组件的负极接地，所述合路模块的第二端连接于第一节点，当所述合路模块第一端的电压小于第二端的电压时，所述第一电源给负载供电，当合路模块第一端的电压大于第二端的电压时，所述超级电容组件给负载供电，通过合路模块对超级电容的放电进行管理，可以实现第一电源和第二电源的无缝切换。

Description

一种双电源管理电路和双电源工具
【技术领域】
本发明涉及一种不间断供电电路，具体涉及一种双电源管理电路和双电源工具。
【背景技术】
当前交直流通用电动工具都采用电池作为第二电源，使得电动工具在第一电源交流电源不存在的时候使用电池作为备用电源为供电。当前电动工具虽然能实现第一电源和第二电源的切换，但是当前的电动工具不适用于温度较高的场合，因为高温环境下电池内部不稳定，导致电池的寿命缩短或者可能引发***等恶性后果。其次，电池的电量在反复的充放电后电量会有明显的下降，寿命会缩短。
目前市面上出现了一种新型的储能器，超级电容，具有储存能量大，充电速度快循环使用寿命长，超低温特性好等诸多优点。通过将超级电容和直流电或者交流电进行优势互补，组成混合电源，使得电源兼具大容量储能，大功率输出，长使用寿命，快速响应的能力和良好的低温特性。但现有专利采用三段式的超级电容充电管理办法，该办法的实现非常负载，且充电需要经历三个阶段，充电时间较长，无法适应第一电源频繁出现不稳定，需要第二电源频繁切入供电的情况。
【发明内容】
基于上述问题，本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。提出一种双电源管理电路，所述双电源管理电路能在第一电源存在的时候，第一电源给负载供电并给超级电容充电，当第一电源不存在的情况下，超级电容代替第一电源给负载供电。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双电源管理电路，包括第一电源，所述第一电源通过直流母线连接负载，所述双电源管理电路还包括位于直流母线上的第一节点，恒流模块，超级电容组件，合路模块和第二节点，所述恒流模块用于为超级电容组件充电，所述恒流模块的一端连接第一电源，另一端与超级电容组件的正极及合路模块的第一端连接于第二节点，所述超级电容组件的负极接地，所述合路模块的第二端连接于第一节点，当所述合路模块第一端的电压小于第二端的电压时，所述第一电源给负载供电，当合路模块第一端的电压大于第二端的电压时，所述超级电容组件给负载供电。
优选的，所述第一电源包括电池组。
优选的，所述第一电源包括电源适配器，将接收的交流电源转换为直流电源给负载提供电能，所述电源适配器包括POE或POC中一种。
优选的，所述合路模块包括开关组件和电流方向检测组件，所述开关组件和电流方向检测组件的一端分别连接第一节点，所述开关组件和电流方向检测组件的另一端分别连接第二节点，所述电流方向检测组件将检测的电信号传输给所述开关组件，用于控制开关组件的打开或闭合。
优选的，所述合路模块包括二极管，所述二极管的正极连接第二节点，所述二极管的负极连接第一节点。
优选的，所述电池组由多个电池单体串并联而成。
优选的，所述超级电容组件由多个超级电容单体串并联而成。
优选的，所述电源适配器包括变压器和整流桥。
优选的，所述开关组件包括晶体管开关，机械开关或继电器中的一种。
本发明还提供一种双电源工具，包括上述任一项所述的双电源管理电路。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点：
本发明实施例提出的双电源管理电路和双电源工具，通过整流模块对超级电容进行充电管理，控制超级电容的充电电流的大小，通过合路模块对超级电容的放电进行管理，可以实现第一电源和第二电源的无缝切换，用超级电容组件做为第二电源，能够产生更高的输出功率，能够容易地进行与通过使用外部电源的传统电动工具所进行的操作相似的输出功率更高的操作。相应地，即使在难以使用外部电源的环境下，进行需要更高输出功率的操作也变得更容易。这使得能够容易地增强电动工具的便利性。
【附图说明】
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明双电源管理电路供电方法流程示意图；
图2为本发明双电源管理电路的原理示意图；
图3为本发明其中一实施例的合路模块的具体结构示意图。
【具体实施方式】
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本发明提供一种双电源管理电路，包括第一电源和第二电源，其中第二电源为超级电容组件，本发明双电源管理电路在第一电源不存在的情况下，超级电容组件将作为第二电源无缝代替第一电源给负载继续供电。具体的实施方式，请参考图1所示为本发明双电源管理电路供电方法流程示意图，具体方法如下：
首先，判断第一电源是否存在，若存在，则第一电源给负载提供电能，同时判断超级电容组件是否充满，若超级电容组件充满，则恒流模块控制超级电容停止充电，否则，若超级电容组件未充满，则第一电源给超级电容组件充电。
若判断第一电源不存在，则判断超级电容组件是否有电，若超级电容组件有电，则超级电容组件给负载提供电能。
本发明由于超级电容组件具有功率密度大，充电时间短，循环寿命长，充放电效率高等特点，因此当第一电源存在的情况下，第一电源通过直流母线给负载提供电能，并且如果超级电容组件处于非满电状态下，第一电源通过恒流模块给超级电容充电。这样不仅能够减少蓄电池的使用次数，延长蓄电池的使用寿命，而且能够提高对大功率负载的适应能力，防止大功率输出对蓄电池寿命的影响。
请参考图2所示为本发明双电源管理电路的原理示意图，所述双电源管理电路包括第一电源10，所述第一电源10通过直流母线L连接负载20，所述双电源管理电路还包括位于直流母线上的第一节点A，恒流模块30，超级电容组件40，合路模块50和第二节点B，所述恒流模块30用于为超级电容组件40充电，所述恒流模块30的一端连接第一电源10，另一端与超级电容组件40的正极及合路模块50的第一端连接于第二节点B，所述超级电容组件40的负极接地，所述合路模块50的第二端连接于第一节点A，当所述合路模块50第一端的电压小于第二端的电压时，所述第一电源10给负载20供电，当合路模块50第一端的电压大于第二端的电压时，所述超级电容组件40给负载20供电。
本发明双电源管理电路在超级电容组件40非满电状态下，第一电源10通过恒流模块30给超级电容组件40充电，电流方向由①-⑤。超级电容组件40上的电压呈直线上升，电流方向为②-③。当超级电容组件40上的电压等于第一电源10电压的时候，超级电容组件40充电充满，恒流模块30自动停止工作，恒流模块30不再给超级电容组件40充电，②-③放电的电流消失。在该过程中，合路模块50用于控制超级电容组件40是否放电，合路模块50当且仅当超级电容组件40上的电压大于第一电源10电压的时候，合路模块50工作，超级电容组件40的电流通过合路模块50汇总到直流母线L给负载20提供电能。当第一电源10存在时，超级电容组件40上的电压等于第一电压10电压，合路模块50两端的电压相等，合路模块50不工作，④方向的电流消失，超级电容组件40不能给负载20提供电能。
当第一电源10不稳定的时候，第一电源10电压迅速下降，电流①-⑤迅速消失。但是由于超级电容组件40上存储有大量的能量，电压不会下降的太快，超级电容组件40上的电压就会大于第一电源10电压，恒流模块30的输入电压小于超级电容组件40上的电压，恒流模块30停止工作不再给超级电容组件40充电。当第一电源10电压小于超级电容组件40上的电压时，即第一节点的电压小于第二节点的电压时，合路模块50工作，超级电容组件40给负载20提供电能。电流方向为④-⑤。
本发明中第一电源10用于输出直流电能，在本发明的其中一实施例中，第一电源10可以是电池包，蓄电池等直流电源，其中蓄电池包括锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或燃料电池等。在本发明的另一实施例中，第一电源10也可以是适配器，用于将市电220V交流电转化为直流电给负载20提供电能。在本发明的其中一实施例中，电源适配器由变压器和整流桥组成，用于将220V交流电源转换为5V直流电源给负载提供电能，在本发明的其中一实施例中，电源适配器包括POE(Power Over Ethernet)或POC(Power OverEthernet)中的一种。
本发明中，恒流模块30用于控制超级电容组件40的充电电流的大小以及何时停止充电，在本发明的其中一实施例中，预先通过恒流模块30设置充电电流的大小，当第一电源10存在且超级电容组件40未充满时，恒流模块30按照预设的充电电流大小给超级电容组件40充电，当超级电容组件40上的电压等于第一电源10电压时，恒流模块30停止给超级电容组件40充电。在本发明的其中一实施例中，恒流模块包括但不限于buck恒流模块，包括镜像电流源电流等。本发明中采用的超级电容组件可以是双电层超级电容器或电化学超级电容器组成。单体超级电容器先串联组成串联支路，再将两个或者两个以上的串联支路并联，组合成超级电容组件，具体的串并联组合方案视***的实际情况而定。为了提高超级电容组件的容量利用率，并将超级电容组件单体电压限定在最高工作电压以下，超级电容组件可以采用串联均压器进行均压处理。
本发明的其中一实施例中，合路模块50包括二级管，二极管的正极连接第二节点B，二极管的负极连接第一节点A，当第一电源10存在时，第一节点A的电压大于第二节点B的电压，即二极管负极的电压大于二极管正极的电压，二极管反向截止，超级电容组件40的电流无法通过二极管给负载20提供电能，此时第一电源10为负载20供电。当第一电源10不存在且超级电容组件40充满电时，此时，第二节点B的电压大于第一节点A的电压，即二极管正极的电压大于二极管负极的电压，二极管导通，超级电容组件40的电流通过二极管到达第一节点A，通过直流母线L给负载20提供电能。
请参考图3所示为本发明其中一实施例的合路模块的具体结构示意图，合路模块50包括开关组件51和电流方向检测组件52，开关组件51和电流方向检测组件52的一端分别连接第一节点A，开关组件51和电流方向检测组件52的另一端分别连接第二节点B，电流方向检测组件52将检测的电信号传输给开关组件51，开关组件51根据接收的电信号控制超级电容组件40是否给负载20供电。具体的，当第一电源10存在时，第一节点A电压等于第一电源10的电压，第一节点A到合路模块50的电流为0，电流方向检测组件52检测到合路模块50与第一节点A之间的电流为0时，控制开关组件51打开，超级电容组件40的电流无法通过合路模块50流到第一节点A，给负载20提供电能。第一电源10直接通过直流母线L给负载20提供电能。当第一电源10不存在且超级电容组件40满电时，第二节点B的电压高于第一节点A的电压，电流方向检测组件52检测到存在合路模块50到直流母线L的电流时，控制开关组件51关闭，超级电容组件40的电流通过合路模块50给负载20提供电能。
本发明中，开关组件51包括电子开关和机械开关，其中电子开关可以是但不限于GTR、IGBT、IGCT、GTO，MOS等可控功率器件。
本发明还提供一种采用上述双电源管理电路的双电源工具，相比于蓄电池作为第二电源，超级电容组件重量更轻并且结构更加紧凑，从而双电源工具能够拥有小型并且轻量化的机构，能够减轻用户在使用工具时的负担，例如用户的手或者臂部的负担。
本发明用超级电容组件做为第二电源，能够产生更高的输出功率，能够容易地进行与通过使用外部电源的传统电动工具所进行的操作相似的输出功率更高的操作。相应地，即使在难以使用外部电源的环境下，进行需要更高输出功率的操作也变得更容易。这使得能够容易地增强电动工具的便利性。
本发明通过整流模块对超级电容进行充电管理，控制超级电容的充电电流的大小，通过合路模块对超级电容的放电进行管理，可以实现第一电源和第二电源的无缝切换。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双电源管理电路，包括第一电源，所述第一电源通过直流母线连接负载，其特征在于，所述双电源管理电路还包括位于直流母线上的第一节点，恒流模块，超级电容组件，合路模块和第二节点，所述恒流模块用于为超级电容组件充电，所述恒流模块的一端连接第一电源，另一端与超级电容组件的正极及合路模块的第一端连接于第二节点，所述超级电容组件的负极接地，所述合路模块的第二端连接第一节点，当所述合路模块第一端的电压小于第二端的电压时，所述第一电源给负载供电，当合路模块第一端的电压大于第二端的电压时，所述超级电容组件给负载供电。
2.根据权利要求1所述的双电源管理电路，其特征在于，所述第一电源包括电池组。
3.根据权利要求1所述的双电源管理电路，其特征在于，所述第一电源包括电源适配器，用于将接收的交流电源转换为直流电源给负载提供电能，所述电源适配器包括POE或POC中一种。
4.根据权利要求1所述的双电源管理电路，其特征在于，所述合路模块包括开关组件和电流方向检测组件，所述开关组件和电流方向检测组件的一端分别连接第一节点，所述开关组件和电流方向检测组件的另一端分别连接第二节点，所述电流方向检测组件将检测的电信号传输给所述开关组件，用于控制开关组件的打开或闭合。
5.根据权利要求1所述的双电源管理电路，其特征在于，所述合路模块包括二极管，所述二极管的正极连接第二节点，所述二极管的负极连接第一节点。
6.根据权利要求1所述的双电源管理电路，其特征在于，所述电池组由多个电池单体串并联而成。
7.根据权利要求1所述的双电源管理电路，其特征在于，所述超级电容组件由多个超级电容单体串并联而成。
8.根据权利要求3所述的双电源管理电路，其特征在于，所述电源适配器包括变压器和整流桥。
9.根据权利要求4所述的双电源管理电路，其特征在于，所述开关组件包括晶体管开关，机械开关或继电器中的一种。
10.一种双电源工具，其特征在于，包括上述权利要求1-9任一项所述的双电源管理电路。
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