CN201490769U - 超级电容智能充电管理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超级电容智能充电管理装置，包括电源滤波及整流单元、功率变换单元、智能芯片控制单元、显示操作单元、通信存储单元、状态量检测保护单元六部分。电源滤波及整流单元输入端连接交流电源，电源滤波及整流单元的输出端连接功率变换单元和状态量检测保护单元，功率变换单元的输入端连接电源滤波及整流单元和智能芯片控制单元，功率变换单元的输出端连接状态量检测保护单元，显示操作单元、通信存储单元和状态量检测保护单元均与智能芯片控制单元连接。本实用新型极大地提高了充电速度，充分发挥了超级电容的优势，是一种智能芯片控制、具有参数自整定功能、隔离式、多级恒流转恒压的超级电容充电管理技术。

Description

超级电容智能充电管理装置

技术领域

本实用新型涉及超级电容技术领域，具体是指一种超级电容智能充电控制及管理装置。

背景技术

超级电容的比功率和比能量介于常规电容器和充电电池之间的新型器件，具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循环寿命长、无污染等独特的优点，在众多的应用领域里弥补了常规储能器件的单方面缺陷。作为新型储能元件，超级电容所能达到的能量特性已经有目共睹，已在新型清洁能源，室内运输车，频繁启动和制动的城市公交车和大功率的港口机械等领域充分展示了其独特的优越性。

在实际产业化运用中，超级电容涉及的关键技术之一就是电容的充放电。超级电容具有充电速度快、充放电效率高的特点，市场上现有的一些充电装置主要是针对电池应用的，电流偏小。如果使用这种现成的充电装置，客户需要花费很长的时间去给超级电容充电，不能有效地发挥超级电容可大电流充电的优势。同时传统的充电装置都采用了恒流转恒压的模式，若恒流充电过程当中电流设定值很大，在恒流转恒压的过程中，受内阻影响，超级电容电压跌落过多，为了防止过充，必须提前很大裕量转为恒压模式，造成浮充充电时间过长；若恒流充电设定值较小，则在恒流阶段需要花费很长时间。两种方式都造成充电时间过长，储能效率降低，不能很好的利用超级电容的特性。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种超级电容智能充电管理装置，该装置在保证超级电容储能效率的基础上，极大地提高了充电速度，充分发挥了超级电容的优势，是一种智能芯片控制、具有参数自整定功能、隔离式、多级恒流转恒压的超级电容充电管理技术。

为了实现上述目的，本实用新型超级电容智能充电管理装置包括电源滤波及整流单元、功率变换单元、智能芯片控制单元、显示操作单元、通信存储单元、状态量检测保护单元六部分。电源滤波及整流单元输入端连接交流电源，电源滤波及整流单元的输出端连接功率变换单元和状态量检测保护单元，功率变换单元的输入端连接电源滤波及整流单元和智能芯片控制单元，功率变换单元的输出端连接状态量检测保护单元，显示操作单元、通信存储单元和状态量检测保护单元均与智能芯片控制单元连接。

所述电源滤波及整流单元包含低通滤波器以及串联的整流和PFC(功率因数校正)部分构成。

所述功率变换单元包含高频变压器及功率开关，采用隔离式的功率变换拓扑结构。

所述显示操作单元包括LED显示器、工作状态指示器以及工作模式选择器，这三个部分均连接智能芯片控制单元。

所述通信存储单元包含SD卡和上位机控制器，所述SD卡和上位机控制器均连接到智能芯片控制单元。

所述状态量检测保护单元包括电流检测部分、温度检测部分以及电压检测部分，所述电流检测部分的输入连接功率变换单元，所述温度检测部分以及电压检测部分的输入分别连接电源滤波及整流单元，电流检测部分、温度检测部分以及电压检测部分的输出连接所述智能芯片控制单元的中断引脚。

所述电流检测部分及电压检测部分全部采用霍尔传感器，通过12位的数模转换器连接到所述智能芯片控制单元。

***工作时，外部交流电压输入，经过电源滤波及整流单元转换成直流电压，智能芯片控制单元通过检测当前输出电流或电压信号，与设定值比较，输出PWM控制信号，控制功率变换单元功率管的通断，实现能量从变压器原边到副边的传递。在超级电容充电过程中，智能芯片控制单元实时检测***的状态，实现多级恒流/恒压的平滑切换，同时防止输入过压、欠压，输出过流、短路，***过温等异常事件的发生。通信存储单元可以接受上位机的控制命令，设定***整定参数，并利用SD卡实时记录整个充电过程中超级电容组的状态，便于后期的维护和超级电容性能评估。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用智能控制芯片单元，使用带整定的多级恒流转恒压控制策略，最大限度的节约了充电时间，提高了超级电容组的储能效率；同时，隔离型功率变化拓扑的选择，减少了流过原边开关管的电流，利于开关管的选型，由于小电流高耐压的开关管比较普遍和低廉，所以最终节省了装置的制造成本，利用超级电容智能充电模块的推广。最后，由于本实用新型采用SD卡存储技术实时存储了超级电容工作过程中的电压、电流及故障信息，用户可以通过SD卡记录的数据，配合上位机程序，对超级电容的异常进行诊断、预估超级电容的寿命、提取超级电容的模型参数、完成超级电容充电参数的整定。最大限度的发挥智能超级电容充电装置的性能。

附图说明

图1是本实用新型的一具体实施例的结构图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。

如图1所示，超级电容充电管理装置包括电源滤波及整流单元1、功率变换单元2、智能芯片控制单元3、显示操作单元4、通信存储单元5、状态量检测保护单元6组成。电源滤波及整流单元1输入端连接交流电源，电源滤波及整流单元1的输出端连接功率变换单元2和状态量检测保护单元6，功率变换单元2的输入端连接电源滤波及整流单元1和智能芯片控制单元3，功率变换单元2的输出端连接状态量检测保护单元6，显示操作单元4、通信存储单元5和状态量检测保护单元6均与智能芯片控制单元3连接。

所述电源滤波及整流单元1包含EMI滤波器、整流和PFC部分，该部分确保本装置不会对电网产生任何谐波干扰，整个电路的PFC大于0.95。

所述功率变换单元2包含高频变压器及功率开关，采用隔离式的功率变换拓扑结构，通过变压器的匝比实现了在副边较大电流输出的时候原边只有比较小的电流流过，从而利于功率管的选型，保证了功率变换单元在成本上的优势。

所述智能芯片控制单元3采用32位的高性能ARM芯片作为微控制器，该芯片是整个***的核心，它实时检测电压及电流信号、通过计算和控制策略的约束、产生PWM控制信号，同时它还起到检测***状态的功能，一旦***发生过压、欠压、短路、过温等异常情况时，ARM芯片即刻封锁PWM输出，达到保护***和超级电容组的作用。

所述显示操作单元4主要起到人机交互的作用，便于用户观察***的工作状态。显示操作单元4包括LED显示器、工作状态指示器以及工作模式选择器，这三个部分均连接智能芯片控制单元3。

所述通信存储单元5是本装置的另外一个亮点，通信存储单元5包含SD卡和上位机控制器，SD卡和上位机控制器均连接到智能芯片控制单元3。其中SD卡存储了超级电容的充电电压、电流及故障信息，类似飞机上的黑匣子，用户可以通过SD卡记录的数据，配合上位机控制器，对超级电容的异常进行诊断、预估超级电容的寿命、提取超级电容的模型参数、完成超级电容充电参数的整定，最大限度的发挥智能超级电容充电装置的性能。本装置通过利用SD卡记录的数据信息，整定出多级恒流转恒压控制策略中的平滑切换参数，从而使超级电容的储能效率达到最优。

所述状态量检测保护单元6是整个***精度和安全性的保障，控制的精度完全依赖于检测的精度。状态量检测保护单元6包括电流检测部分、温度检测部分以及电压检测部分，电流检测部分连接功率变换单元2，电流检测部分的输出连接到智能芯片控制单元3，温度检测部分以及电压检测部分分别连接电源滤波及整流单元1中的EMI滤波器、整流和PFC部分。

本实施例中，电流检测部分及电压检测部分全部采用高精度的霍尔传感器，通过12位的数模转换器传入ARM控制器，确保了检测的精确性。装置中的各种保护电路在连接于ARM控制器的中断引脚的同时还在硬件上进行了一定得处理，一旦保护情况发生，保护电路可以直接封锁PWM输出，起到了保护整个装置的作用。

本实施例中，所述智能芯片控制单元3控制所述功率变换单元的开关管驱动，完成多级恒流转恒压的平滑切换，所述显示操作单元提供工作模式选择功能，所述通讯存储单元采用SD卡记录超级电容组充电过程单体状态信息，所述通讯存储单元具有和上位机通讯，接受上位机控制命令的功能。智能芯片控制单元3能够接受所述通讯存储单元的上位机控制命令，更改多级恒流转恒压的充电参数；SD卡记录的超级电容充电过程单体状态信息用于分析超级电容组的容量、内阻、寿命，建立超级电容组充电模型。超级电容充电模型用于计算超级电容组充电参数。

综上所述，本装置极大地提高了充电速度，充分发挥了超级电容的优势，是一种智能芯片控制、具有参数自整定功能、隔离式、多级恒流转恒压的超级电容充电管理技术。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种超级电容智能充电管理装置，其特征在于包括电源滤波及整流单元、功率变换单元、智能芯片控制单元、显示操作单元、通信存储单元、状态量检测保护单元，其中：所述电源滤波及整流单元输入端连接交流电源，所述电源滤波及整流单元的输出端连接所述功率变换单元和所述状态量检测保护单元，所述功率变换单元的输入端连接所述电源滤波及整流单元和所述智能芯片控制单元，所述功率变换单元的输出端连接电容以及所述状态量检测保护单元，所述显示操作单元、通信存储单元和状态量检测保护单元均与所述智能芯片控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述电源滤波及整流单元包含低通滤波器以及串联的整流和功率因数校正部分。

3.根据权利要求1所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述功率变换单元包含高频变压器及功率开关，采用隔离式的功率变换拓扑结构。

4.根据权利要求1所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述智能芯片控制单元采用32位的高性能ARM芯片。

5.根据权利要求1所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述显示操作单元包括LED显示器、工作状态指示器以及工作模式选择器，这三个部分均连接智能芯片控制单元。

6.根据权利要求1所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述通信存储单元包含SD卡和上位机控制器，所述SD卡和上位机控制器均连接到智能芯片控制单元。

7.根据权利要求1所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述状态量检测保护单元包括电流检测部分、温度检测部分以及电压检测部分，所述电流检测部分的输入连接功率变换单元，所述温度检测部分以及电压检测部分的输入分别连接电源滤波及整流单元，电流检测部分、温度检测部分以及电压检测部分的输出连接所述智能芯片控制单元的中断引脚。

8.根据权利要求7所述的超级电容智能充电管理装置，其特征在于所述电流检测部分及电压检测部分全部采用霍尔传感器，通过12位的数模转换器连接到所述智能芯片控制单元。

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