CN207382032U - 最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，首级超级电容单向充电电路模块IC1、中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2、末级超级电容单向充电电路模块IC3依次串联连接，IC1保证Kh处于最高参考电位，IC3保证Kl处于最低参考电位，IC1与IC3不参与对外供电，IC2完成储能和供电工作。当需要进行最大输入功率检测时，单片机模块IC5将功率检测电容单独连接在充电端子和控制负极端子之间；IC5根据测得的最大输入功率所对应的充电电压，控制IC2中多个超级电容的串并组合状态，使输入功率维持在最大值附近，多个同类装置可以通过放电端子和放电地端子进行并联或串联组合应用。本实用新型充电电压范围宽，能够满足稳压、恒流、预定电压曲线等多种供电需求；充放电效率高、控制灵活、使用简便、应用范围广、工作安全可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电子设备，特别是一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置。
背景技术
随着社会倡导绿色能源，光伏电站建设的数量越来越多，光伏电池发电效率是影响光伏电站经济效益的重要因素。太阳能电池板的输出功率随输出电压的不断升高呈抛物线形状变化，两头为零功率输出，且太阳能电池板的最大输出功率在不同的日照条件下变化很大，如果能将太阳能电池板的输出功率一直维持在最大值附近，那么光伏电站的发电效率将会大幅提高。目前光伏电站常用的最大功率跟踪方法有定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法、直线拟合法、实际测量法，这些方法均是通过改变MOSFET占空比控制直流斩波电路(DC/DC电路)的电压输出来实现最大功率跟踪的目的，但这些方法均存在功能单一、设备成本较高、功耗较大、结构复杂的缺点，如果能设计一款能够自动跟踪太阳能电池最大输出功率的超级电容储能转供装置，同时采用超级电容取代光伏电站目前所必备的昂贵且寿命短的蓄电池设备，这无疑将大幅降低光伏电站的运营成本，且能同时明显提高光伏电站的发电效率。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置。
本实用新型的技术方案如下：
一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，包括首级超级电容单向充电电路模块IC1、中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2、末级超级电容单向充电电路模块IC3、功率检测电容模块IC4、电控开关K、单片机模块IC5、输出控制模块IC6、充电保护稳压二极管D6、充电端子Vin、充电地端子Gin、放电端子Vout、放电地端子Gout、控制正极端子Kh、控制负极端子Kl、AD采样分压电阻R，如附图1所示。
所述的首级超级电容单向充电电路模块IC1与中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2、末级超级电容单向充电电路模块IC3依次串联连接；IC1用于提供控制回路中的最高参考电位，保证Kh处于最高参考电位，IC3用于提供控制回路中的最低参考电位，保证Kl处于最低参考电位，IC1与IC3不参与对外供电，储能和供电工作仅由IC2完成。当需要进行最大输入功率检测时，所述单片机模块IC5通过控制功率检测电容模块IC4，将IC4中的功率检测电容C2单独连接在充电端子Vin和控制负极端子Kl之间；当不需要进行最大输入功率检测时，则IC5将C2与IC3中的末级超级电容Cn+2同极性并联，IC5根据测得的最大输入功率所对应的充电电压，通过控制IC2中的电控开关(K2～Kn+1)使IC2中的多个超级电容(C3～Cn+1)进行串联到并联，或并联到串联的连接转换，以使输入功率维持在最大值附近。多个同类装置可以通过放电端子和放电地端子进行并联或串联组合应用。
所述的IC4中C2的额定电压高于外部充电电源的最高工作电压，当外部充电电源仅对C2进行充电时，IC5根据一段时间Δt内C2电压的变化情况(由U1到U2)，依据公式W＝[0.5*C2*(U22-U12)]/Δt，计算出外部充电电源在这段时间内的平均输出功率，IC5通过对比连续多次的功率测量值，找到最大功率所对应的充电电压；
所述的IC2包括多个超级电容C3～Cn+1和多个电控开关K2～Kn+1，超级电容的序号按电位高低依次排序(从左到右)；C3的正极与IC1的超级电容C1的负极、IC6的电控开关Kn+5的一端连接，Cn+1的负极与放电地端子Gout、IC3的超级电容在Cn+2的正极、IC4的电控开关Kn+4的一端连接；在IC2内部，两个相邻超级电容的正极与正极、负极与负极、上一个超级电容的负极与下一个超级电容的正极之间分别通过1个电控开关连接，K2～Kn+1电控开关在IC5控制下对C3～Cn+1超级电容进行串联到并联，或并联到串联的自动组合连接；
所述的电控开关可以是场效应管、继电器，至少其中的一种。
所述的IC1包括1个充电二极管D1、1个稳压二极管D3、1个首级超级电容C1、1个电控开关K1。C1的正极与控制正极端子Kh、D1的负极、D3的负极连接，C1的负极与IC2中C3的正极、D3的正极、IC6中Kn+5的一端、K1的一端连接，K1的另一端与D1的正极、充电端子Vin连接；所述的充电二极管D1可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的Kh用于提供控制回路的最高参考电位，C1只能参与充电而不能参与向外部负载供电，D1的作用是防止C1向充电端放电，D3的作用是保护C1不发生过压充电；当IC5通过AD3采样点和AD2采样点的差值判断最高参考电位Kh足以满足控制要求时，将K1闭合，C1在充电端被旁路，退出充电过程。
所述的IC3包括1个放电地二极管D2、1个稳压二极管D4、1个末级超级电容Cn+2、1个电控开关Kn+2；所述的Cn+2的正极与放电地端子Gout、D4的负极、IC4的电控开关Kn+4的一端、Kn+2的一端连接，Kn+2的另一端与D2的负极连接，D2的负极还与充电地端子Gin连接，D2的正极与D4的正极、Cn+2的负极连接，Cn+2的负极还与控制负极端子Kl连接；所述的D2可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的Kl用于提供控制回路的最低参考电位，Cn+2只能参与充电和所述IC5的供电，而不能参与向外部负载供电，D2用于保证Cn+2不向充电端放电，D4用于Cn+2的过压保护，当所述IC5通过AD1采样点判断最低参考电位Kl足以满足控制要求和所述IC5的供电要求时，将Kn+2闭合，Cn+2在充电端被旁路，退出充电过程。
所述的IC4包括2个电控开关Kn+3与Kn+4、1个最大充电功率检测电容C2；C2的负极与控制负极端子Kl连接，C2的正极分别与Kn+3与Kn+4的一端连接，Kn+3的另一端与充电端子Vin连接，Kn+4的另一端与Cn+2的正极连接；当Kn+4断开及Kn+3闭合时，外部充电电源仅对C2充电，此时所述IC5通过AD4采样点检测C2的端电压，并计算输入功率，当Kn+3断开及Kn+4闭合时，C2并接到Cn+2的两端，C2对Cn+2放电，C2的容量要小于Cn+2容量的三分之一，Kn+3与Kn+4不能同时闭合。
所述的输出控制模块IC6包括2个电控开关Kn+5、Kn+6；Kn+5的一端与IC1中的C1负极、IC3中的C3正极连接，Kn+5的另一端与放电端子Vout连接，Kn+6的一端与Vout连接，Kn+6的另一端与放电地端子连接；当Kn+5和Kn+6同时断开时，装置工作于充电状态，或与同类装置在输出端并联运行时的故障退出状态；当Kn+5闭合，同时Kn+6断开时，装置工作于正常供电状态；当Kn+6闭合时，装置工作于与同类装置在输出端串联运行时的旁路故障状态，Kn+5与Kn+6不能同时闭合。
所述的充电保护稳压二极管D6的正极与充电端子Vin连接，D6的负极与充电地端子Gin连接，D6的作用是装置的过压保护。
在Vin和Kl之间串联有2个AD采样分压电阻R7、R8，在R7和R8间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD4上。在Kh和Kl之间串联有2个AD采样分压电阻R5、R6，在R5和R6间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD3上。在所述的IC1中C1的负极和Kl之间串联有2个所述AD采样分压电阻R3、R4，在R3和R4间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD2上。在所述的放电地端子Gout和Kl之间串联有2个所述AD采样分压电阻R1、R2，在R1和R2间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD1上。
所述的IC5包括单片机IC7、外部启动开关K0、稳压电源模块IC8、标准电压源Vs、串口通信端子(Rxd、Txd)、指示灯LED1、稳压二极管D5。所述的IC8的电源输入端IN+与放电端子Vout、K0的一端连接，K0的另一端与外部启动电池的正极连接；所述的IC8的电源输出端OUT+与单片机电源Vcc相连；所述的IC8的接地端G与控制负极端子Kl相连；所述的Vout还与D5的负极连接，D5的正极与IC7的接地端脚Gnd连接，D5对IC7起到过压保护的作用，Gnd还与Kl连接；所述的指示灯LED1可以有多个，LED1的负极与IC7的IO端口IOn+7连接，LED1的正极与Vcc连接；K0可以是继电器、按键开关、MOSFET开关管至少其中的一种，K0可以由手工操作也可以由外部控制；IC7的IO端口(IO1～IOn+6)与相应的电控开关相连，IC7的AD5端口与标准电压源Vs相连，其它AD端口与相应的AD采样点连接，IC7的串口与串口通信端子相连，用于与外界通信，IC7与外界联系的还有中断端口INT1，中断端口可设置多个。
本实用新型装置在初始工作时可由其它并联运行的同类装置的供电输出启动，也可由本装置的Vout与Vl启动，当Vout端子没有电压时，可通过外部控制将K0合上，接通外部电池供电回路来启动IC5的单片机IC6，外部电源的正极连接IC5的V+端子，外部电源的负极连接IC5的V-端子。IC6启动后首先断开K1、Kn+6、Kn+2、Kn+3、Kn+5，断开K2、K5…Kn-1，断开K4、K7…Kn+1，合上K3、K6…Kn、Kn+4，既将C1、C3～Cn+2串联充电，最大充电功率检测电容C2与Cn+2并联，由于C1的容量最小，远小于其它超级电容的容量，因此C1的端电压将更快地升高，当C1的端电压(AD3-AD2)满足控制要求且有足够的裕度时(例如大于5V)，IC6将K1合上，C1退出充电过程，在装置运行期间，当C1的端电压不满足控制要求时(例如低于2V)，IC6将K1断开，将C1串联到充电回路中进行充电，以保证控制正极端子Kh的电压处于装置内部电路的绝对高位。接下来当AD2的电压接近外部充电电压(>95％)时，IC6将Kn+4断开，将Kn+3合上，C2单独充电，IC6以很短的时间间隔(例如10ms)连续检测AD4电压，并计算和存储C2的平均电压值及平均充电功率，直到AD4电压值达到外部充电电压的90％，此时IC6将Kn+3断开，将Kn+4合上，C2与Cn+2并联，C2降压以备下一次检测用。IC6通过对比找到最大输入功率及其工作电压，随后IC6将根据AD1和AD2的电压值控制K2～Kn+1的分合，既改变C3～Cn+1串联或并联的连接状态，使AD2的电压值接近最大输入功率所对应电压值的80％，在充电过程中IC6周期检测AD1的电压值，当Cn+2的端电压满足控制要求且有足够的裕度时(例如大于2V)，IC6将Kn+2合上，Cn+2退出充电过程；在装置运行过程中，当Cn+2的端电压不满足控制要求时(例如低于1V)，IC6将Kn+2断开，将Cn+2串联到充电回路中进行充电，以保证控制负极端子Kl的电压一直处于装置内部电路的最低电位，当IC5由本装置的输出端子(Vout与Kl)供电时，Cn+2参与IC5的供电，但不参与对外部负载的供电。
本实用新型装置在正常工作时有两种工作状态：仅充电状态、供电状态，正常工作时Kn+6一直处于断开的状态，当超级电容C3～Cn+1未充满电时(小于80％的额定容量)，或IC6接收到充电指令，IC6将Kn+5和Kn+6断开，装置工作于仅充电状态；当超级电容C3～Cn+1充满电时(大于等于80％的额定容量)，或IC6接收到供电指令，IC6将Kn+5、K1、Kn+2合上，将Kn+6断开，根据供电需求控制K2～Kn+1的分合，既改变超级电容C3～Cn+1的串联或并联连接关系，使装置的输出电压满足要求，在供电状态下，装置可以同时充电，但在供电状态下的充电过程没有最大输入功率自动跟踪的功能。
装置在充电或供电状态下工作一段时间后，IC5周期地或根据实测数据将C3～Cn+2投入并联状态进行超级电容均压处理。
本实用新型装置的放电输出端(Vout、Gout)可以分别与同类装置的放电输出端进行并联或串联使用，当本装置IC6检测出故障时(如：超级电容损坏)，在并联输出状态下，IC6将Kn+5和Kn+6断开将本装置从并联供电回路中隔离出来；在串联输出状态下，IC6将Kn+5断开，将Kn+6合上，将本装置在串联供电回路中旁路，Kn+6仅在故障状态下被闭合，正常运行时严禁闭合。
本实用新型装置可接受的充电电压范围宽，在多套装置的配合下能够满足稳压、恒流、预定电压曲线等多种供电需求，装置的充放电效率高、控制灵活、使用简便、应用范围广、工作安全可靠。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理图；
图2是本实用新型的具体实施例电路原理图；
图3是本实用新型在太阳能发电中的应用原理图；
图中：1中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2；2首级超级电容单向充电电路模块IC1；3末级超级电容单向充电电路模块IC3；4功率检测电容模块IC4；5单片机模块IC5；6单片机直控低阻电子开关；7输出控制模块IC6。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式，结合附图对本实用新型的进一步说明：
本实施例装置以9V太阳能电池板作为充电电源进行设计，装置包括：首级超级电容单向充电电路模块IC1 2、中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2 1、末级超级电容单向充电电路模块IC3 3、功率检测电容模块IC4 4、单片机模块IC5 5、单片机直控低阻电子开关6、输出控制模块IC6 7、充电保护稳压二极管D6、充电端子Vin、充电地端子Gin、放电端子Vout、放电地端子Gout、控制正极端子Kh、控制负极端子Kl、AD采样分压电阻R1～R8，每个模块的控制元件是电控开关。如图1所示。
图2中的所述的首级超级电容单向充电电路模块IC1 2与所述的中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2 1、所述的末级超级电容单向充电电路模块IC3 3依次串联连接，IC12用于提供控制回路中的最高参考电位(Kh)，IC3 3用于提供控制回路中的最低参考电位(Kl)，IC1 2与IC3 3中的超级电容不参与对外供电，储能和供电工作仅有IC2 1中的超级电容来完成，当需要进行最大输入功率检测时，所述单片机模块IC5 5通过控制所述的功率检测电容模块IC4 4，将IC4 4中的功率检测电容C2单独连接在所述的充电端子Vin和所述的控制负极端子Kl之间；当不需要进行最大输入功率检测时，则将C2与所述IC3 3中的末级超级电容C7同极性并联，IC5 5根据测得的最大输入功率所对应的充电电压，通过控制所述的电控开关K2～K10使IC1 2中的超级电容C3～C6进行串联到并联，或并联到串联的连接转换，以使太阳能电池板的输出功率维持在最大值附近。
装置的最大输入功率检测原理是通过测量连续若干小段时间内专用检测电容的端电压的变化值，来计算平均功率。在本实施例中，C2选型为12V额定电压的5000uF标准电容，当9V太阳能电池板仅对C2进行充电时，IC5 5根据Δt内C2电压的变化情况(U1到U2)，依据公式W＝[0.5*C2*(U22-U12)]/Δt，计算出外部充电电源的在这段时间内的平均输出功率，例如：采样间隔Δt＝100ms，当9V太阳能电池板在太阳光直射下给本装置充电时，C2电压由4V升高到6V，W＝[0.5*5000*10-6*(62-42)]/0.1＝0.5瓦，平均电压为(4+6)/2＝5V，平均充电电流为100mA，随着C2电压不断升高，IC5 5对比连续5次的功率测量值，找到最大功率所对应的充电电压，例如5V，IC5 5依据此电压控制IC1 2内超级电容(C3～C6)的连接方式，例如：C1和C7当前的端电压为2V，已满足控制需求；C3～C6当前的状态是并联，电压为2.2V，IC5 5的单片机将控制K1和K11开关合上，将C1和C7退出充电过程；控制K3、K5、K7、K9分，控制K2、K4、K6、K8合，使C3与C4并联后再串联C5和C6的并联体，使太阳能电池板工作于5V输出电压附近(2.2+2.2＝4.4V)。装置的最大输入功率的检测周期为1小时，每次检测时间0.5秒，每次检测的电压测量间隔时间100ms。
图2中的电控开关(K1～K16)为16个单片机直控低阻电子开关66，每个开关由2个100kΩ基极分压电阻(Ri1与Ri2)、1个1MΩ集电极限流电阻(Ri3)、1个三极管QT1、1个P通道MOSFET场效应管组成，Ri1与Ri2串联连接，QT1的基极连接在Ri1与Ri2的连接线上，Ri1的另一端连接到IC5 5单片机的一个相应IO端口IOi上，Ri2的另一端连接到控制负极端子Kl上。QT1的集电极连接在Ri3的一端，Ri3的另一端连接到Kh上，QT1的发射极连接到Kl上，场效应管的漏极Di和源极Si作为开关的两端连接到目标电路中。当IC5 5中的单片机IC7相应IO端口输出高电平时，场效应管处于导通状态，开关合上；当IC7相应IO端口输出低电平时，场效应管处于低阻截至状态，开关断开。
图2中的IC2 1模块是储能主体，由4个2.7V 100F超级电容(C3～C6)和9个电控开关(K2～K10)组成，C3的正极连接于IC1 2中的C1的负极，C3的正极还连接于输出控制模块IC7中的K14的一端，C3的正极还与K2的2S端子连接，C3的负极与K3的3D端子连接，C3的负极还与K4的4S端子连接；C4的正极与K2的2D端子连接，C4的正极还与K3的3S端子连接，C4的正极还与K5的5S端子连接，C4的负极与K4的4D端子连接，C4的负极与K6的6D端子连接，C4的负极还与K7的7S端子连接；C5的正极与K5的5D端子连接，C5的正极还与K6的6S端子连接，C5的正极还与K8的8S端子连接，C5的负极与K7的7D端子连接，C5的负极还与K9的9D端子连接，C5的负极还与K10的10S端子连接；C6的正极与K8的8D端子连接，C6的正极还与K9的9S端子连接，C6的负极连接于放电地端子Gout，C6的负极还连接于K10的10D端子。K2～K10开关在IC55控制下对超级电容C3～C6进行串联到并联，或并联到串联的自动组合连接。例如：当装置充放电一段时间后需要对C3～C6进行并联均压处理，IC7控制K3、K6、K9断开，同时控制K2、K4、K5、K7、K8、K10合上来实现。
图2中的IC1 2由1个通用二极管D1、1个稳压二极管D3、1个5.5V 4.0F超级电容C1、1个电控开关K1组成，C1的正极连接于控制正极端子Kh，C1的正极还连接于D1的负极，C1的正极还连接于D3的负极，C1的负极连接于输出控制模块IC7的K14的一端，C1的负极还连接于K1的1D端子，C1的负极还连接于D3的正极，C1的负极还连接于IC2 1的C3的正极；D1的正极连接于充电端子Vin；K1的1S端子连接于充电端子Vin。当C1的端电压达到5V时，IC55中的单片机IC7将K1开关合上，此时C1将不参与充电，IC1 2的作用是保证Kh处于控制回路的最高参考电位。
图2中的IC3 3包括1个通用二极管D2、1个稳压二极管D4、1个2.7V 100F超级电容C7、1个电控开关K11。C7的正极连接于放电地端子Gout，C7的正极还连接于K11的11S端子，C7的正极还连接于D4的负极，C7的负极连接于控制负极端子KL，C7的负极还连接于D4的正极，C7的负极还连接于D2的正极；D2的负极连接于充电地端子Gin，D2的负极还连接于K11的11D端子。当C7的端电压达到2V时，IC5 5中的单片机IC7将K11开关合上，此时C7将不参与充电，C7的作用是保证Kl处于控制回路的最低参考电位，当IC5 5模块由本装置的Vout和Kl端子供电时，C7将参与供电过程，但C7不参与对外部负载的供电过程。
图2中的IC4 4包括2个电控开关K12与K13、1个最大充电功率检测电容C2，C2的容量为5000uF，额定电压为12V，C2的负极连接于控制负极端子Kl，C2的正极分别连接于K12与K13的一端，K12的另一端连接于充电端子Vin，K13的另一端连接于C7的正极，当K13断开及K12闭合时，外部充电电源仅对C2充电，此时IC7通过AD4采样点检测C2的端电压，并计算输入功率，当K12断开及K13闭合时，C2并接到C7的两端，C2对C7放电，IC5 5控制K12与K13不能同时闭合。
图2中的输出控制模块IC6 7包括3个电控开关K14、K15、K16，K14与K15组成了一个双向开关，在IC7的控制下，同时闭合或同时打开，K14的14S端与IC1 2中的C1的负极连接，K14的14S端还与IC2 1中的C3的正极连接，K14的14D端与K15的15D连接，K15的15S端与放电端子Vout连接，K16的16S端与Vout端子连接，K16的16D端与放电地端子Gout连接。当K14、K15、K16同时断开时，装置工作于充电状态，或在输出端与同类装置并联运行时的故障退出状态；当K14、K15闭合同时K16断开时，装置工作于正常供电状态；当K16闭合时，装置在输出端与同类装置串联运行时处于旁路故障状态，K14、K15与K16不能同时闭合；
图2中，在充电端子Vin和控制负极端子Kl之间串联有2个1MΩ的AD采样分压电阻(R7、R8)，在R7和R8间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5 5中IC7的1个AD采样端口AD4上，外部充电电源的电压可由AD4及当时网络连接关系计算得出。
图2中，在控制正极端子Kh和控制负极端子Kl之间串联有2个1MΩ的AD采样分压电阻(R5、R6)，在R5和R6间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC7的1个AD采样端口AD3上。
图2中，在IC1 2中C1的负极和控制负极端子Kl之间串联有2个1MΩ的AD采样分压电阻(R3、R4)，在R3和R4间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC7的1个AD采样端口AD2上，Vout与Gout间的电压可由(AD2-AD1)及当时的网络连接状态计算得出。
图2中，在放电地端子Gout和控制负极端子Kl之间串联有2个1MΩ的AD采样分压电阻(R1、R2)，在R1和R2间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC7的1个AD采样端口AD1上。
图2中IC5 5包括单片机IC7、按键开关K0、2.5V标准电压源Vs、串口通信端子(Rxd、Txd)、指示灯LED1、1个外部电池正极接入端子V+、1个外部电池负极接入端子V-，IC7的电源输入端(Vcc)与放电端子Vout相连，Vcc还与K0的一端相连，K0的另一端与V+相连，K0由手工操作；IC7的接地输入端(Gnd)与控制负极端子Kl相连，Gnd还与外部电池负极接入端子V-相连，Gnd还与标准电压源Vs的接地端相连，标准电压源Vs的电压输出端与IC7的1个AD采样端口AD5相连；LED1的正极连接Vcc，LED1的负极连接IC7的1个IO端口IO17，LED1用于装置的运行状态指示或告警；IC7的其它IO端口与相应的电控开关(K1～K16)相连，其它AD端口与相应的AD采样点(AD1～AD4)连接，IC7的串口与通信端子(Rxd、Txd)相连，用于与外界通信，IC7的中断输入端口INT1用于接收外部中断请求信号。
本实施例装置在初始工作时可由其它并联运行的同类装置的供电输出启动，也可由本装置的Vout与Vl启动，当Vout端子没有电压时，可通过外部控制将K0合上，接通外部电池供电回路来启动IC5 5的单片机IC7，外部电源的正极连接IC5 5的V+端子，外部电源的负极连接IC5 5的V-端子。IC7启动后首先断开K1、K11、K12、K14、K15、K16，断开K2、K5、K8，断开K4、K7、K10，合上K3、K6、K9、K13，既将C1、C3～C7串联充电，此时最大充电功率检测电容C2与C7并联，由于C1的容量远小于其它超级电容的容量，因此C1的端电压将更快地升高，当C1的端电压(AD3-AD2)满足控制要求且有足够的裕度时(例如5V)，IC7将K1合上，C1退出充电过程，当装置运行期间C1的端电压不满足控制要求时(例如低于2V)，IC7将K1断开，C1串联到充电回路中进行充电，以保证控制正极端子Kh的电压在装置内部的电路中处于绝对高位。接下来，当AD2的电压接近外部充电电压(>95％)时，IC7将K12合上K13断开，C2单独充电，IC7以10ms的间隔时间连续检测AD4电压，并计算和存储C2的平均电压值及平均充电功率，直到AD4电压值达到外部充电电压的90％，此时IC6 7将K12断开K13合上，C2与C7并联进行降压，以备下一次检测，IC7通过对比找到最大输入功率及其工作电压，随后IC7将根据AD1和AD2的电压值控制K2～K10的分合，既改变C3～C10的串联或并联的连接状态，使AD2的电压值接近最大输入功率所对应电压值的80％，在充电过程中IC7周期检测AD1的电压值，当C7的端电压满足控制要求且有足够的裕度时(例如2V)，IC7将K11合上，C7退出充电过程；在装置运行过程中，当C7的端电压不满足控制要求时(例如低于1V)，IC7将K11断开，将C7串联到充电回路中进行充电，以保证控制负极端子Kl的电压一直处于装置内部电路的最低电位，当IC5 5由本装置的输出端子(Vout与Kl)供电时，C7参与IC5 5的供电，但不参与对外部负载的供电。
本实施例装置在正常工作时有两种工作状态：仅充电状态、供电状态，正常工作时K16一直处于断开状态，当超级电容C3～C6未充满电时(小于80％的额定容量)，或IC7接收到充电指令，IC7将K14和K15断开，装置工作于仅充电状态；当超级电容C3～Cn+2充满电时(大于等于80％的额定容量)，或IC7接收到供电指令，IC6 7将K11、K14、K15合上，IC7根据供电需求控制K2～K10的分合，既改变超级电容C3～C6的串联或并联连接关系，使装置输出电压满足要求，在供电状态下，装置可以同时充电，但在供电状态下的充电过程中装置没有最大输入功率自动跟踪的功能。
装置在充电或供电状态下工作一段时间后，IC7周期地或根据实测数据将C3～C6投入并联状态进行超级电容均压处理。
本实用新型装置的放电输出端(Vout、Gout)可以分别与同类装置的放电输出端进行并联或串联使用，当本装置IC7检测出故障时(如：超级电容损坏)，在并联输出状态下，IC7将K13和K14断开将本装置从并联供电回路中隔离出来；在串联输出状态下，IC7将K16合上，同时将K13和K14断开，将本装置在串联供电回路中旁路。
附图3给出了多套本实施例装置配合使用的一种具体方式，两套本实施例装置通过充电端子Vin和充电地端子Gin并联到1块9V太阳能电池板上，例如：最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置1和最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置2在充电端并联到9V太阳能电池板1上，其中装置1和装置2的串口均与充放电协调控制器相连，采用主从问答的方式通信，充放电协调控制器是通信的主控方，通信连接的具体方式为蓝牙串口无线连接，装置1、2接受充放电协调控制器的控制(输出电压值的设定、充放电状态的控制等)，装置1、2向充放电协调控制器发送运行状态信息(剩余容量SOC、故障信息等)，装置1通过中断方式与装置2进行协调工作。多套最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置根据供电需求通过放电端子Vout和放电地端子Gout进行并联或串联输出。
本实用新型装置可接受的充电电压范围宽3V～12V，在2套以上本实施例装置的相互配合下能够满足稳压、恒流、预定电压曲线等多种供电需求，输出电压范围宽2.5V～9V，装置的充放电效率高、控制灵活、使用简便、应用范围广、工作安全可靠。
Claims (10)
1.一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置包括首级超级电容单向充电电路模块IC1、中间可控串联并联相互转换超级电容组合体IC2、末级超级电容单向充电电路模块IC3、功率检测电容模块IC4、电控开关K、单片机模块IC5、输出控制模块IC6、充电端子Vin、充电地端子Gin、放电端子Vout、放电地端子Gout、控制正极端子Kh、控制负极端子Kl；
所述的IC1、IC2、IC3依次串联连接，IC1用于保证Kh处于最高参考电位，IC3用于保证Kl处于最低参考电位，IC1与IC3不参与对外供电，储能和供电工作仅由IC2完成；当需要进行最大输入功率检测时，IC5通过控制IC4，将IC4中的功率检测电容C2单独连接在Vin和Kl之间；当不需要进行最大输入功率检测时，则IC5将C2与IC3中的末级超级电容Cn+2同极性并联，IC5根据测得的最大输入功率所对应的充电电压，通过控制IC2中的电控开关K2～Kn+1使IC2中的多个超级电容C3～Cn+1进行串联到并联，或并联到串联的连接转换，保证输入功率维持在最大值附近；
所述的IC1包括1个充电二极管D1、1个稳压二极管D3、1个首级超级电容C1、1个电控开关K1；C1的正极与控制正极端子Kh、D1的负极、D3的负极连接，C1的负极与IC2中C3的正极、D3的正极、IC6中Kn+5的一端、K1的一端连接，K1的另一端与D1的正极、充电端子Vin连接；所述的Kh用于提供控制回路的最高参考电位，C1只能参与充电而不能参与向外部负载供电，D1的作用是防止C1向充电端放电，D3的作用是保护C1不发生过压充电；当IC5通过AD3采样点和AD2采样点的差值判断最高参考电位Kh足以满足控制要求时，将K1闭合，C1在充电端被旁路，退出充电过程；
所述的IC2包括多个超级电容C3～Cn+1和多个电控开关K2～Kn+1，超级电容的序号按电位高低依次排序；C3的正极与IC1的超级电容C1的负极、IC6的电控开关Kn+5的一端连接，Cn+1的负极与放电地端子Gout、IC3中超级电容Cn+2的正极、IC4的电控开关Kn+4的一端连接；在IC2内部，两个相邻超级电容的正极与正极、负极与负极、上一个超级电容的负极与下一个超级电容的正极之间分别通过1个电控开关连接，K2～Kn+1电控开关在IC5控制下对C3～Cn+1超级电容进行串联到并联，或并联到串联的自动组合连接；
所述的IC3包括1个放电地二极管D2、1个稳压二极管D4、1个末级超级电容Cn+2、1个电控开关Kn+2；所述的Cn+2的正极与Gout、D4的负极、IC4的电控开关Kn+4的一端、Kn+2的一端连接，Kn+2的另一端与D2的负极连接，D2的负极还与充电地端子Gin连接，D2的正极与D4的正极、Cn+2的负极连接，Cn+2的负极还与控制负极端子Kl连接；所述的Kl用于提供控制回路的最低参考电位，Cn+2只能参与充电和所述IC5的供电，而不能参与向外部负载供电，D2用于保证Cn+2不向充电端放电，D4用于Cn+2的过压保护，当所述IC5通过AD1采样点判断最低参考电位Kl足以满足控制要求和所述IC5的供电要求时，将Kn+2闭合，Cn+2在充电端被旁路，退出充电过程；
所述的IC4包括2个电控开关Kn+3与Kn+4、1个最大充电功率检测电容C2；C2的负极与控制负极端子Kl连接，C2的正极分别与Kn+3、Kn+4的一端连接，Kn+3的另一端与充电端子Vin连接，Kn+4的另一端与Cn+2的正极连接；当Kn+4断开及Kn+3闭合时，外部充电电源仅对C2充电，此时所述IC5通过AD4采样点检测C2的端电压，并计算输入功率，当Kn+3断开及Kn+4闭合时，C2并接到Cn+2的两端，C2对Cn+2放电，C2的容量要小于Cn+2容量的三分之一，Kn+3与Kn+4不能同时闭合；
所述的IC5包括单片机IC7、外部启动开关K0、稳压电源模块IC8、标准电压源Vs、串口通信端子、指示灯LED1、稳压二极管D5；所述的IC8的电源输入端IN+与放电端子Vout、K0的一端连接，K0的另一端与外部启动电池的正极连接；所述的IC8的电源输出端OUT+与单片机电源Vcc相连；所述的IC8的接地端G与控制负极端子Kl相连；所述的Vout还与D5的负极连接，D5的正极与IC7的接地端脚Gnd连接，D5对IC7起到过压保护的作用，Gnd还与Kl连接；所述的指示灯LED1的负极与IC7的IO端口IOn+7连接，LED1的正极与Vcc连接；IC7的其它IO端口与相应的电控开关相连，IC7的AD5端口与标准电压源Vs相连，其它AD端口与相应的AD采样点连接，IC7的串口与串口通信端子相连，用于与外界通信，IC7与外界联系的还有中断端口INT1，中断端口可设置多个；
所述的输出控制模块IC6包括2个电控开关Kn+5、Kn+6；Kn+5的一端与IC1中的C1负极、IC3中的C3正极连接，Kn+5的另一端与放电端子Vout连接，Kn+6的一端与Vout连接，Kn+6的另一端与放电地端子连接；当Kn+5和Kn+6同时断开时，装置工作于充电状态，或与同类装置在输出端并联运行时的故障退出状态；当Kn+5闭合，同时Kn+6断开时，装置工作于正常供电状态；当Kn+6闭合时，装置工作于与同类装置在输出端串联运行时的旁路故障状态，Kn+5与Kn+6不能同时闭合。
2.根据权利要求1所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的IC4中C2的额定电压高于外部充电电源的最高工作电压，当外部充电电源仅对C2进行充电时，IC5根据一段时间Δt内C2电压的变化情况，电压变化由U1到U2，依据公式W＝[0.5*C2*(U22-U12)]/Δt，计算出外部充电电源在这段时间内的平均输出功率，IC5通过对比连续多次的功率测量值，找到最大功率所对应的充电电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置还包括AD采样分压电阻R1～R8；在Vin和Kl之间串联有2个AD采样分压电阻R7、R8，在R7和R8间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD4上；在Kh和Kl之间串联有2个AD采样分压电阻R5、R6，在R5和R6间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD3上；在IC1中C1的负极和Kl之间串联有2个所述AD采样分压电阻R3、R4，在R3和R4间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD2上；在放电地端子Gout和Kl之间串联有2个所述AD采样分压电阻R1、R2，在R1和R2间的连接线上引出1个AD采样点连接到IC5的1个AD采样端口AD1上。
4.根据权利要求1或2所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置还包括充电保护稳压二极管D6，D6的正极与充电端子Vin连接，D6的负极与充电地端子Gin连接，D6的作用是装置的过压保护。
5.根据权利要求3所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置还包括充电保护稳压二极管D6，D6的正极与充电端子Vin连接，D6的负极与充电地端子Gin连接，D6的作用是装置的过压保护。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的IC1中的充电二极管D1可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的IC3中的放电地二极管D2可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的IC5中的外部启动开关K0包括继电器、按键开关、MOSFET开关管中至少一种，K0可以由手工操作也可以由外部控制。
7.根据权利要求3所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的IC1中的充电二极管D1可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的IC3中的放电地二极管D2可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的IC5中的外部启动开关K0包括继电器、按键开关、MOSFET开关管中至少一种，K0可以由手工操作也可以由外部控制。
8.根据权利要求4所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的IC1中的充电二极管D1可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的IC3中的放电地二极管D2可由MOSFET开关管中的二极管代替；所述的IC5中的外部启动开关K0包括继电器、按键开关、MOSFET开关管中至少一种，K0可以由手工操作也可以由外部控制。
9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的电控开关可以是场效应管、继电器中至少一种。
10.根据权利要求6所述的一种最大输入功率自动跟踪超级电容储能转供装置，其特征在于，所述的电控开关可以是场效应管、继电器中至少一种。
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