專利名稱：一種用于超級電容的充放電裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種基于超級電容的充放電裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前常用的可充式電源，主要有基于化學(xué)反應(yīng)的鉛酸蓄電池燃料電池等和基于物理反應(yīng)的超級電容電源柜。其中，化學(xué)電池主要存在充放電循環(huán)次數(shù)少、充電時間長、放電電流小、回收處理污染大等問題，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用均有一些難以解決的瓶頸問題。從2008 年開始流行的超級電容，單體已經(jīng)做到MOO法拉/2. 7伏特的容量，成為理想的充放電載體。超級電容是指容量比通常的電容器大的電容。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同， 因此也有稱作“電容電池”。超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。具有充電速度快，循環(huán)使用壽命長， 大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小等特點(diǎn)因此，超級電容已被廣泛采用為充放電載體。由于工作電壓偏低，在需要高壓輸出的場合，需要大量的超級電容串聯(lián)工作，因此需要解決各電容器之間的均壓問題。目前標(biāo)稱為22法拉/540伏特的超級電容電源柜的體積接近1立方米。而且放電時一般只放到0. 5Uc，對電容容量是一種浪費(fèi)。如何解決超級電容之間的均壓問題以及提高其放電效率，是當(dāng)前面臨的主要問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于超級電容的充放電裝置，該裝置能夠保證每個電容單體都能夠充到額定電壓，并且超級電容在Uc到0. IUc之間放電時，能保證有穩(wěn)定的輸出電壓。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例的一方面提出了一種用于超級電容的充放電裝置，所述充放電裝置包括存儲模塊和放電模塊，所述存儲模塊用于充電及存儲能量，所述存儲模塊包括充電模塊和超級電容。所述充電模塊用于對超級電容均壓充電，所述充電模塊包括DC/DC控制單元和變壓單元，所述DC/DC控制單元用于對各個超級電容構(gòu)成的電容器組進(jìn)行恒流充電控制，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc等于轉(zhuǎn)折控制電壓Ug時，停止恒流充電，對所述電容器組進(jìn)行均壓充電，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc等于所述電容器組最高充電電壓Umax時，停止充電，所述超級電容用于存儲能量；所述放電模塊用于對所述超級電容放電，所述放電模塊包括輸出控制單元，所述輸出控制單元用于對電壓進(jìn)行DC/DC變換并輸出電壓。本發(fā)明實施例的另一方面提出了一種用于超級電容的充放電方法，所述充電方法包括如下步驟
充電模塊對各個超級電容構(gòu)成的電容器組進(jìn)行恒流充電，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc等于轉(zhuǎn)折控制電壓Ug時，所述充電模塊停止恒流充電； 所述充電模塊對所述各個超級電容進(jìn)行均壓充電，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc 等于所述電容器組最高充電電壓Umax時，停止充電，所述放電方法包括如下步驟放電模塊對 所述超級電容進(jìn)行放電，通過Buck-Boost電路對電壓進(jìn)行DC/DC變換并輸出電壓。根據(jù)本發(fā)明的實施例，能夠保證每個超級電容單體都能夠充到額定電壓，而且有理想的充電速度和最高的充電效率。并且超級電容在Uc到0. IUc之間放電時，能保證穩(wěn)定輸出電壓。通過上述方案，保證本發(fā)明設(shè)計的充放電裝置有最大的充放電容量。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的用于超級電容的充放電裝置框圖；圖2為圖1中充電裝置的DC/DC控制單元的框圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的中充電模塊的電路圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的中存儲模塊的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的充放電裝置的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的充放電方法的流程框圖。
具體實施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。為了實現(xiàn)本發(fā)明之目的，本發(fā)明公開了一種用于超級電容的充放電裝置，如圖1 所示，該充放電裝置10包括存儲模塊11和放電模塊12。存儲模塊11進(jìn)一步包括充電模塊 110和超級電容111。充電模塊110用于對超級電容111進(jìn)行均壓充電，進(jìn)一步包括DC/DC控制單元 1101和變壓單元1102。結(jié)合圖2所示，DC/DC控制單元1101包括處理器MPUl 101a、Buck斬波器1101b、恒流控制器1101C、整流及濾波器llOld、穩(wěn)壓控制器IlOle和A/D轉(zhuǎn)換器IlOlf。其中，MPUllOla作為DC/DC控制單元1101的存儲控制中心。Buck斬波器IlOlb降低來自信號源的輸入電壓。在本實施例中，Buck斬波器IlOlb 選擇成熟的集成控制器，用以調(diào)節(jié)反饋網(wǎng)絡(luò)，使每組輸出為2. 8V。整流及濾波器IlOld用于對Buck斬波器IlOlb調(diào)整后的電壓進(jìn)行整流及濾波。將整流濾波后的電壓通過穩(wěn)壓控制器IlOle進(jìn)行穩(wěn)壓處理，得到穩(wěn)定的模擬電壓信號。A/D轉(zhuǎn)換器110If將上述模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓。在上述數(shù)字電壓的驅(qū)動下，恒流控制器IlOlC對超級電容1101進(jìn)行恒流充電控制。
結(jié)合圖3和圖4所示，具體的說，DC/DC控制單元1101通過恒流控制器IlOlc對各個超級電容111構(gòu)成的電容器組進(jìn)行大電流充電，包括首先用大電流對電容器組進(jìn)行恒流充電， 當(dāng)Uc = Ug時，停止恒流充電，對電容器組中的各個超級電容111進(jìn)行均壓充電， 其中，Uc為電容器組的端電壓，Ug為轉(zhuǎn)折控制電壓；直到Uc = Umax時，整個電容器組充滿，切斷充電電源，停止充電，其中Umax為電容器組最高充電電壓，Umax > Ug。此外，DC/DC控制單元1101還包括變壓單元1102，變壓單元1102為線圈繞組變壓器。該變壓器用于對DC/DC控制單元1101的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)選的，變壓單元1102為工作在50/60HZ的磁飽和穩(wěn)壓變壓器。優(yōu)選的，變壓單元1102還可以為體積小巧的高頻開關(guān)電源變壓器。其中，當(dāng)電容器組包括N個超級電容單體時，變壓器次級輸出至少有N組輸出繞組，用于同時給N個超級電容單體串聯(lián)組成的蓄電池組充電。其中，N為正整數(shù)。在本實施例中，超級電容111單體之間為串聯(lián)連接。優(yōu)選的，在本實施例中，超級電容111選取耐壓為2. 5V，容量為2400F的超級電容。 初始時，三個超級電容C1、C2和C3的端電壓分別為Uci = 2. 5V,UC2 = 1. 7V、UC3 = 0. 9V。最大端電壓Umax = 7. 5V。將上述參數(shù)的三個超級電容串聯(lián)。將由上述超級電容構(gòu)成的電容器組通過二極管與變壓單元1102相連。其中，二極管的正向壓降為VD。n = 0. 25V。考慮到超級電容的誤差范圍在30%左右，為保證實施的安全性，Ug設(shè)定為Umax的 60%。當(dāng)Uc = Ug = 60% Umax = 4. 5V時，停止恒流充電，對各個超級電容進(jìn)行均壓充電。經(jīng)過40分鐘左右均壓充電，三個超級電容的端電壓達(dá)到Ucl = Uc2 = Uc3 = 2. 55V, 充電效果理想。由于三個超級電容為串聯(lián)關(guān)系，因此滿足超級端電壓Uc近似等于電容器組最高充電電壓Umax。此時，恒流控制器Illc切斷了充電電源，停止充電。在本實施例中，變壓單元1102中的變壓器，初級繞組為96匝，次級每組4匝。結(jié)合圖1所示，充放電裝置10還包括用于對超級電容111進(jìn)行放電的放電模塊 12，放電模塊12進(jìn)一步包括輸出控制單元121。恒流控制器IlOlc停止充電后，放電模塊12對超級電容111進(jìn)行放電，輸出控制單元121對電壓進(jìn)行DC/DC變換并輸出電壓。優(yōu)選的，輸出控制單元121為Buck-Boost電路，采用Buck-Boost電路可以得到穩(wěn)定的輸出電壓并實現(xiàn)最大的能量釋放。在本實施例中，輸出控制單元121的Buck-Boost電路對超級電容111在Uc和0. IUc之間進(jìn)行放電。優(yōu)選的，當(dāng)充放電裝置10應(yīng)用于大功率輸出設(shè)備時，例如電動汽車，上述 Buck-Boost電路可省略。優(yōu)選的，輸出控制單元121采用其他類似Buck-Boost的電路，實現(xiàn)對電壓的DC/DC 變換，亦屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。通過上述充放電裝置進(jìn)行充電，第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時間，后期采用恒壓/均壓充電，可自動實現(xiàn)各單體間的均壓問題，既保證充滿，又可解決慢放電控制問題，解決因大電流充電使碳電極的有效反應(yīng)表面和微孔利用率減小而導(dǎo)致容量降低問題， 實現(xiàn)超級電容器的最佳配置。
結(jié)合圖5所示，在本實施例中，充放電裝置10還包括機(jī)架主板20，該機(jī)架主板20 包括多個插槽。上述充電模塊110和超級電容111共同構(gòu)成存儲模塊11安放在該機(jī)架主板的插槽中。當(dāng)需要提高電能儲能時，可以通過在機(jī)架主板20的插槽中繼續(xù)安插存儲模塊 11，即對存儲模塊11進(jìn)行擴(kuò)充，以實現(xiàn)不同的工作電壓和總電容電量。根據(jù)本發(fā)明實施例提供的充放電裝置，能夠保證每個電容單體都能夠充到額定電壓，而且有理想的充電速度和最高的充電效率。根據(jù)本發(fā)明的放電電路，使超級電容在Uc 到0. IUc之間放電時，能保證有穩(wěn)定的輸出電壓，保證了本裝置有最大的充放電容量。本發(fā)明實施例的另一方面提供了一種用于超級電容的充放電方法，結(jié)合圖6所示，該方法包括以下步驟S601 充電模塊110對各個超級電容構(gòu)成的電容器組進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電容器組的端電壓Uc等于轉(zhuǎn)折控制電壓Ug時，停止恒流充電。充電模塊110對由超級電容構(gòu)成的電容器組進(jìn)行大電流恒流充電，當(dāng)Uc = Ug時， 停止恒流充電，其中，Uc為電容器組的端電壓，Ug為轉(zhuǎn)折控制電壓。在本實施例中，超級電容111選取耐壓為2. 5V，容量為MOOF的超級電容。初始時，三個超級電容Cl、C2和C3的端電壓分別為Uci = 2. 5V、Uc2 = 1. 7V、Uc3 = 0. 9V。最大端電壓Umax = 7. 5V。將上述參數(shù)的三個超級電容串聯(lián)。因此，電容器組的端電壓Uc為UC1、 Uc2 % Uc3 之和?？紤]到超級電容的誤差范圍在30%左右，為保證實施的安全性，Ug設(shè)定為Umax的 60%。當(dāng)Uc = Ug = 60% Umax = 4. 5V時，充電模塊110停止恒流充電。S602 充電模塊110對各個超級電容進(jìn)行均壓充電，當(dāng)電容器組的端電壓Uc等于電容器組最高充電電壓Umax時，停止充電。停止恒流充電后，充電模塊110對各個超級電容111進(jìn)行均壓充電，當(dāng)Uc = Umax 時，整個電容器組充滿，切斷充電電源，停止充電，其中Umax為電容器組最高充電電壓，Ufflax >Ug。在本實施例中i，經(jīng)過40分鐘左右均壓充電，三個超級電容的端電壓達(dá)到Ucl = Uc2 =Uc3 = 2. 55V，充電效果理想。由于三個超級電容為串聯(lián)關(guān)系，因此滿足超級端電壓Uc近似等于電容器組最高充電電壓Umax。此時，切斷充電電源，停止充電。并且，變壓單元1102對上除充電后獲得的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。采用工作在 50/60HZ的磁飽和穩(wěn)壓變壓器或體積小巧的高頻開關(guān)電源變壓器進(jìn)行調(diào)整。其中，當(dāng)電容器組包括N個超級電容單體時，變壓單元1102次級輸出至少有N組輸出繞組，用于同時給 N個超級電容單體串聯(lián)組成的蓄電池組充電。其中，N為正整數(shù)。在本實施例中，變壓單元1102的初級繞組為96匝，次級每組4匝。S603 放電模塊12通過Buck-Boost電路對超級電容進(jìn)行放電。充電模塊110停止充電后，放電模塊12對上述超級電容進(jìn)行放電。采用 Buck-Boost電路對電壓進(jìn)行DC/DC變換得到穩(wěn)定的輸出電壓并實現(xiàn)最大的能量釋放。在本實施例中，Buck-Boost電路對超級電容111可以在Uc和0. IUc之間進(jìn)行放 H1^ ο優(yōu)選的，當(dāng)本發(fā)明涉及的方法應(yīng)用于大功率輸出設(shè)備時，例如電動汽車，上述 Buck-Boost電路可省略。
通過上述充放電方法進(jìn)行充電，第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時間，后期采用恒壓/均壓充電，可自動實現(xiàn)各單體間的均壓問題，既保證充滿，又可解決慢放電控制問題，解決因大電流充電使碳電極的有效反應(yīng)表面和微孔利用率減小而導(dǎo)致容量降低問題， 實現(xiàn)超級電容器的最佳配置。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中， 該程序在執(zhí)行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的 形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中。上述提到的存儲介質(zhì)可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于超級電容的充放電裝置，其特征在于，所述充放電裝置包括存儲模塊和放電模塊，所述存儲模塊用于充電及存儲能量，所述存儲模塊包括充電模塊和超級電容，所述充電模塊用于對超級電容均壓充電，所述充電模塊包括DC/DC控制單元和變壓單元，所述DC/DC控制單元用于對各個超級電容構(gòu)成的電容器組進(jìn)行恒流充電控制，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc等于轉(zhuǎn)折控制電壓Ug時，停止恒流充電，對所述電容器組進(jìn)行均壓充電，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc等于所述電容器組最高充電電壓Umax時，停止充電，所述變壓單元用于對所述DC/DC控制單元的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整， 所述超級電容用于存儲能量；所述放電模塊用于對所述超級電容放電，所述放電模塊包括輸出控制單元，所述輸出控制單元用于對電壓進(jìn)行DC/DC變換并輸出電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的充放電裝置，其特征在于，所述DC/DC控制單元包括Buck斬波器、恒流控制器、整流及濾波器、穩(wěn)壓控制器和A/D轉(zhuǎn)換器，所述Buck斬波器用于將降低輸入電壓； 所述恒流控制器用于對所述超級電容進(jìn)行恒流充電； 所述整流及濾波器用于對調(diào)整后的電壓進(jìn)行整流及濾波； 所述穩(wěn)壓控制器用于對整流及濾波后的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理； 所述A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的充放電裝置，其特征在于，所述變壓單元為工作頻率位于50至 60Hz的磁飽和穩(wěn)壓變壓器或者高頻開關(guān)電源變壓器。
4.如權(quán)利要求3所述的充放電裝置，其特征在于，所述變壓器次級輸出至少為N組輸出繞組，用于同時對N個所述超級電容組成的蓄電池組進(jìn)行充電，其中，N為正整數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的充放電裝置，其特征在于，所述N個超級電容之間為串聯(lián)連接。
6.如權(quán)利要求1所述的充放電裝置，其特征在于，所述輸出控制單元為Buck-Boost電路。
7.如權(quán)利要求1所述的充放電裝置，其特征在于，所述充放電裝置還包括機(jī)架主板，用于連接所述存儲模塊和所述放電模塊。
8.一種用于超級電容的充放電方法，其特征在于，所述充電方法包括如下步驟充電模塊對各個超級電容構(gòu)成的電容器組進(jìn)行恒流充電，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc 等于轉(zhuǎn)折控制電壓Ug時，所述充電模塊停止恒流充電；所述充電模塊對所述各個超級電容進(jìn)行均壓充電，當(dāng)所述電容器組的端電壓Uc等于所述電容器組最高充電電壓Umax時，停止充電， 所述放電方法包括如下步驟放電模塊對所述超級電容進(jìn)行放電，通過Buck-Boost電路對電壓進(jìn)行DC/DC變換并輸出電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的充電方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)折控制電壓Ug小于所述電容器組最高充電電壓Umax。
10.如權(quán)利要求8所述的充放電方法，其特征在于，通過所述Buck-Boost電路對所述超級電容在Uc和0. IUc之間進(jìn)行放電。
全文摘要
本發(fā)明實施例提出了一種用于超級電容的充放電裝置，包括存儲模塊和放電模塊。存儲模塊包括對超級電容均壓充電的充電模塊和用于存儲能量的超級電容，充電模塊包括DC/DC控制單元和變壓單元，DC/DC控制單元用于對電容器組進(jìn)行恒流充電控制，當(dāng)Uc＝Ug時，停止恒流充電，對電容器組進(jìn)行均壓充電，當(dāng)Uc＝Umax時，停止充電，變壓單元用于對DC/DC控制單元的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。放電模塊包括輸出控制單元，輸出控制單元用于對電壓進(jìn)行DC/DC變換并輸出電壓。本發(fā)明實施例還提出了一種用于超級電容的充放電方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，能夠保證每個超級電容單體都能夠充到額定電壓，而且具有理想的充電速度和最高的充電效率。
文檔編號H02J15/00GK102195363SQ20101013050
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者袁芳革 申請人:袁芳革