基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，包括電流互感器、整流濾波電路、DC/DC模塊、鋰電池以及電源管理單元，電流互感器從高壓電纜感應(yīng)取能，經(jīng)整流濾波電路，再經(jīng)過DC/DC模塊輸出穩(wěn)定的電壓，還包括超級電容，所述的電源管理單元包括超級電容充電控制電路和鋰電池充電控制電路，DC/DC模塊通過超級電容充電控制電路給超級電容充電，超級電容為負(fù)載供電，同時(shí)DC/DC模塊通過鋰電池充電控制電路給鋰電池充電，鋰電池為負(fù)載供電。采用超級電容作為儲(chǔ)能裝置，解決現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)所用電源裝置的循環(huán)使用次數(shù)少、維護(hù)量大，體積大且需要停電改造現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)柜等問題。
【專利說明】基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電源技術(shù)，尤其涉及一種基于高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]高壓測量系統(tǒng)的供電問題是目前工程應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)，研究穩(wěn)定、可靠、低功耗的供電電源具有重要的工程使用價(jià)值。
[0003]目前常用的供電方式有太陽能、蓄電池、激光功能、母線感應(yīng)取能等。由于太陽能電池板體積龐大，不利于安裝，而且易受氣候的影響，在南方多雨多霧的氣候條件下不適用于在線設(shè)備；電壓互感器對絕緣性要求高，易受溫度、雜散電容和電磁干擾等多種因素的影響。雖然可以通過改變電容C的大小來調(diào)整功率的輸出，但大電容的選用可能產(chǎn)生諧波，造成分壓不穩(wěn)，影響后續(xù)電路；激光功能易受地理?xiàng)l件限制，設(shè)備復(fù)雜導(dǎo)致成本過高且功率和效率都很低；最有發(fā)展前景的供電方式是從輸電線路抽取電能，在導(dǎo)線上套裝取能線圈感應(yīng)出交流電壓，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定可靠的直流，實(shí)現(xiàn)隔離式供電。
[0004]目前電力系統(tǒng)高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)很多采用GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式，GSM/GPRS模塊在數(shù)據(jù)收發(fā)瞬間大功率，電流會(huì)高達(dá)幾百毫安，而待機(jī)情況下工作電流僅為10~20 mA。采用感應(yīng)取能在小電流情況下電源輸出功率很小，不足以為數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸時(shí)提供足夠的大功率電能。取能線圈配合鋰離子電池浮充方式，存在鋰離子電池充電管理復(fù)雜，充電溫度受限制等缺點(diǎn)。本電源電路設(shè)計(jì)中加入了超級電容器，解決了瞬間大功率供電這個(gè)難點(diǎn)，電路簡單易于維護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，采用超級電容作為儲(chǔ)能裝置，特制電流互感器(TA)和鋰電池鋰電池能儀器、設(shè)備的特性，做好儀器、設(shè)備的維修保養(yǎng)工作。實(shí)驗(yàn)完備兩路取能，解決現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)所用電源裝置的循環(huán)使用次數(shù)少、維護(hù)量大，體積大且需要停電改造現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)柜等問題。
[0006]技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案如下:
基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，包括電流互感器、整流濾波電路、DC/DC模塊、鋰電池以及電源管理單元，通過電流互感器從高壓電纜感應(yīng)取能，經(jīng)過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)化直 流電，再經(jīng)過DC/DC模塊輸出穩(wěn)定的電壓，還包括超級電容，所述的電源管理單元包括超級電容充電控制電路和鋰電池充電控制電路，DC/DC模塊通過超級電容充電控制電路給超級電容充電，超級電容為負(fù)載供電，同時(shí)DC/DC模塊通過鋰電池充電控制電路給鋰電池充電，鋰電池為負(fù)載供電。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述電流互感器包括鐵芯和繞在鐵芯上的線圈，所述線圈為單端或雙端開氣隙的線圈。[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，還包括沖擊保護(hù)電路，所述的線圈輸出端接至沖擊保護(hù)電路，所述沖擊保護(hù)電路則接至整流濾波電路的輸入端。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，還包括過壓保護(hù)電路，過壓保護(hù)電路的輸入端接至整流濾波電路的輸出端，過壓保護(hù)電路的一路輸出端則接至鋰電池的充電端，另一路輸出端則接至DC/DC模塊輸入端。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述的超級電容包括第一、第二超級電容器，所述DC/DC模塊為所述第一超級電容器充電，第一超級電容器為第二超級電容器充電，第二超級電容器為負(fù)載供電。
[0011]有益效果
(1)與蓄電池相比，本方法能在線取電并為超級電容充電，不需要更換電池；
(2)與太陽能電池相比，本方法的能量密度大，能量轉(zhuǎn)換率高，在各種氣候下都能可靠供電；
(3)與母線取能加蓄電池組合方法相比，本方法超級電容已可部分替代電池的功能，并在充放電次數(shù)和使用壽命上優(yōu)于電池。此外，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置時(shí)，超級電容的瞬時(shí)大功率放電特性可很好地滿足發(fā)送數(shù)據(jù)瞬間的大功率需求，而不會(huì)引起大幅壓降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是取能電源的原理框圖；
圖2 (a)是常規(guī)線圈的結(jié)構(gòu)圖；
圖2 (b)是改進(jìn)線圈的結(jié)構(gòu)圖；
圖3鐵芯改進(jìn)前后磁化曲線對比圖；
圖4是過壓保護(hù)電路電路原理圖；
圖5是超級電容充電控制電路圖；
圖6是電源管理單元電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1所示，本發(fā)明公開一種基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，包括電流互感器、沖擊保護(hù)電路、整流濾波電路、過壓保護(hù)電路、DC/DC模塊、兩個(gè)超級電容器、鋰電池以及電源管理單元。特制TA套在高壓電纜上，利用電磁感應(yīng)原理通過電流互感器從高壓電纜感應(yīng)取能，經(jīng)過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)化直流電，經(jīng)過過壓保護(hù)電路一方面將多余的能量供給鋰電池，另一方面經(jīng)過高效率的DC/DC模塊，輸出穩(wěn)定的電壓，為高壓測量系統(tǒng)供能。所述的電源管理單元包括超級電容充電控制電路和鋰電池充電控制電路，當(dāng)電壓過大時(shí)，啟動(dòng)過壓保護(hù)電路，一部分能量通過DC/DC模塊給負(fù)載供電(DC/DC模塊通過超級電容充電控制電路給超級電容充電，超級電容為負(fù)載供電)，同時(shí)將多余的能量通過鋰電池充電控制電路給鋰電池充電，鋰電池為負(fù)載供電。本電路通過超級電容充電控制單元和鋰電池充電控制單元，有效解決了電源續(xù)航能力和輸出電壓穩(wěn)定性問題。
[0014](I)電流互感器
如圖2 (a)所示，為現(xiàn)有技術(shù)的電流互感器。電流互感器I包括鐵芯和成匝繞在鐵芯上的線圈。[0015]由于鐵芯磁飽和時(shí)，二次側(cè)電壓十分不穩(wěn)定，深度飽和時(shí)感應(yīng)電壓波形發(fā)生畸變，成為尖頂脈沖波。由于后端電子元件耐壓值不高，峰值增大時(shí)達(dá)幾百伏，可能造成芯片燒毀等嚴(yán)重后果。長期工作在深度飽和狀態(tài)使鐵損居高不下，線圈溫升過高，有可能引起高頻振動(dòng)甚至燒壞線圈。因此應(yīng)盡量防止鐵芯工作在飽和狀態(tài)，避免長期工作在深度飽和狀態(tài)。
[0016]如圖2 (b)所示為本發(fā)明電流互感器，所述的線圈為單端或雙端開氣隙的線圈，通過引入氣隙SI和δ 2的辦法，增加磁路的磁阻，減小相對磁導(dǎo)率μ r，推遲鐵芯達(dá)到飽和時(shí)H值。
[0017]如圖3所示，鐵芯改進(jìn)后的磁化曲線對比圖。所以選用使用低磁導(dǎo)率、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的娃鋼片作為磁芯材料，結(jié)構(gòu)為開合式。
[0018](2)沖擊保護(hù)電路
為了防止雷電沖擊電流和瞬時(shí)故障大電流時(shí)燒毀電源電路，在整流橋前使用了瞬變抑制二極管(TVS)(即沖擊保護(hù)電路)，TVS限制了感應(yīng)線圈輸出的沖擊電壓。即所述的電流互感器輸出端接至沖擊保護(hù)電路的輸入端，所述沖擊保護(hù)電路的輸出端則接至整流濾波電路的輸入端。
[0019](3)整流濾波電路
整流采用橋式整流，濾波采用的常用的η型LC濾波。
[0020](4)過壓保護(hù)電路
過壓保護(hù)電路的輸入端接至整流濾波電路的輸出端，過壓保護(hù)電路一路輸出端接至鋰電池的充電端，另一路輸出端則接至DC/DC模塊輸入端。如圖4所示，左邊是接整流濾波電路的輸出端，右邊一路則接DC/DC模塊的輸入端，右邊另一路則接充電芯片的輸入端。當(dāng)R3兩端的電壓小于繼電器的動(dòng)作電壓時(shí)，繼電器選通“ I ”端，濾波后全部電壓加到DC/DC模塊兩端，全部功率提供給負(fù)載；當(dāng)R3的電壓大于繼電器動(dòng)作電壓時(shí)，繼電器選通“2”端，Rl被切除，R2和R3電壓接入DC/DC模塊的輸入端，供給負(fù)載；R1電壓接入鋰電池充電芯片輸入端，為電池充電提供能量。
[0021](5)穩(wěn)壓電路
選用一種高效、高轉(zhuǎn)換率、降壓型穩(wěn)壓模塊，具有高轉(zhuǎn)換率和寬輸入范圍，高轉(zhuǎn)換率有利于進(jìn)一步降低啟動(dòng)電流，寬的輸入范圍使電源可以工作的一次電流范圍更大。
[0022]( 6 )超級電容充電控制電路
如圖5所示，由于高壓取電不同于其他形式電源，其輸出功率受負(fù)載大小的影響很大，母線電流一定的情況下，負(fù)載只要超出一定范圍，輸出功率就會(huì)不足，因?yàn)榉€(wěn)壓芯片都有一定的電壓輸入下限，電壓低于下限時(shí)，芯片無法正常啟動(dòng)，無輸出或輸出不穩(wěn)定。為盡量減小母線電流死區(qū)，在使用雙電容的情況下，對Cl充電作為緩沖，然后以斷續(xù)的形式供給C2，再輸出給等效負(fù)載RL，則負(fù)載電壓可在合理范圍內(nèi)波動(dòng)，從而減小電流死區(qū)，在輸出功率稍不足時(shí)可使電器正常工作。當(dāng)RL兩端電壓高于Dl動(dòng)作電壓下限時(shí)，Dl輸出高電平，VTl斷開，DC/DC模塊為Cl充電；當(dāng)RL兩端電壓低于Dl電壓下限時(shí)，Dl輸出低電平，VTl導(dǎo)通，DC/DC為Cl充電的同時(shí)，Cl為C2充電。
[0023](7)電源管理單元
如圖6所不,DC/DC模塊的輸出端給第一超級電容器充電,第二比較器D2的輸出端則接至第四開關(guān)電路的控制端，第四開關(guān)電路串聯(lián)DC/DC模塊輸出保護(hù)電阻Rp，所述相串聯(lián)第四開關(guān)電路和保護(hù)電阻Rp兩端并聯(lián)至DC/DC模塊的兩輸出端，DC/DC模塊的正輸出端接至第一開關(guān)電路的輸入端，第一開關(guān)電路的控制端接至第一比較器Dl輸出端，第一比較器Dl的負(fù)輸入端接至負(fù)載正極，第一開關(guān)電路的輸出端接至第二開關(guān)電路的輸入端，第二開關(guān)電路的輸出端接至第三開關(guān)電路的輸出端，鋰電池放電輸出端則接至第三開關(guān)電路的輸入端，第二開關(guān)電路的輸出端經(jīng)二極管接至負(fù)載的正極。第二開關(guān)電路和第三開關(guān)電路的基極相互連接，鋰電池充電控制電路的使能端接至第三比較器D3的輸出端，第三比較器D3的負(fù)輸入端接至負(fù)載的正極。超級電容包括第一、第二超級電容器，所述DC/DC模塊為所述第一超級電容器充電，第一超級電容器為第二超級電容器充電，第二超級電容器為負(fù)載供電。
[0024]在電源管理單元中，左邊接過壓保護(hù)電路的輸出。第一、第二比較器分別為單電源遲滯比較器，其中第一比較器D1、第二比較器D2和第三比較器D3反相使用，第三比較器D3為一般比較器；第一開關(guān)電路VT1、第二開關(guān)電路VT2、第三開關(guān)電路VT3和第四開關(guān)電路VT4分別為為MOSFET管，作為選擇開關(guān)使用；二極管VDl用來防止第二超級電容器C2中的電流回流進(jìn)第一超級電容器Cl和鋰電池(第一條通過C2 — VDl — VT3 —穩(wěn)壓芯片一充電控制芯片。第二條通過VDl — VT2 —VTl — Cl)，造成電路無法正常工作；由于每節(jié)鋰電池電壓在4.2 V左右，所以本設(shè)計(jì)使用2節(jié)鋰電池進(jìn)行供電，后端選用穩(wěn)壓器得到+ 5V輸出；DC/DC模塊輸出保護(hù)電阻Rp為DC/DC模塊的輸出保護(hù)電阻。鋰電池充放電控制功能由第三比較器D3實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中，如圖1所示DC/DC輸出模塊在為負(fù)載供電的同時(shí)也給鋰電池充電。當(dāng)負(fù)載RL的端電壓高于4.8V時(shí)，LT1512的使能端S / S輸入高電平開始正常工作，為鋰電池進(jìn)行充電和第一超級電容器Cl充電；當(dāng)負(fù)載RL的端電壓低于4.8 V時(shí)，S / S端輸入低電平，電池充電停止，此時(shí)DC/DC輸出模塊為第一超級電容器Cl充電的同時(shí),第一超級電容器Cl也為第二超級電容器C2充電，然后第二超級電容器C2對負(fù)載進(jìn)行供電。電源選擇及DC/DC模塊輸出保護(hù)功能由第二開關(guān)電路VT2、第三開關(guān)電路VT3、第四開關(guān)電路VT4和第二比較器D2實(shí)現(xiàn)。第二開關(guān)電路VT2、第三開關(guān)電路VT3采用背靠背連接實(shí)現(xiàn)選擇DC/DC模塊輸出或鋰電池對負(fù)載供電。在保證負(fù)載RL正常工作時(shí)，使第二比較器D2的動(dòng)作下限低于4.8V，同時(shí)使第三比較器D3先于第二比較器D2動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)DC/DC模塊出現(xiàn)功率不足時(shí)先暫停鋰電池充電，如果負(fù)載電壓繼續(xù)下降到第二比較器D2動(dòng)作下限值，即表明只帶負(fù)載RL時(shí)DC/DC模塊輸出功率仍然不足，可判定DC/DC模塊無法維持負(fù)載RL正常工作，第二比較器D2動(dòng)作輸出低電平，(將由充電控制芯片通過穩(wěn)壓芯片為負(fù)載RL供電)第三開關(guān)電路VT3導(dǎo)通，第二開關(guān)電路VT2關(guān)閉，負(fù)載RL由鋰電池進(jìn)行供電。在DC/DC模塊輸出功率充足的情況下，第二比較器D2輸出高電平，第二開關(guān)電路VT2導(dǎo)通，第三開關(guān)電路VT3關(guān)閉，此時(shí)DC/DC模塊為負(fù)載RL供電。第四開關(guān)電路VT4動(dòng)作由第二比較器D2控制，由于二次側(cè)不能開路，否則會(huì)出現(xiàn)大電壓對DC/DC模塊本身和電路造成損壞，所以設(shè)計(jì)中加入了保護(hù)電阻Rp。當(dāng)負(fù)載RL選擇鋰電池供電時(shí)，第二比較器D2輸出低電平，第四開關(guān)電路VT4導(dǎo)通，將保護(hù)電阻Rp并聯(lián)接入第一超級電容器Cl兩端作為負(fù)載RL的等效負(fù)載，其電阻值可根據(jù)實(shí)際正常使用負(fù)載大小情況進(jìn)行配置。
【權(quán)利要求】
1.基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，包括電流互感器、整流濾波電路、DC/DC模塊、鋰電池以及電源管理單元，通過電流互感器從高壓電纜感應(yīng)取能，經(jīng)過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)化直流電，再經(jīng)過DC/DC模塊輸出穩(wěn)定的電壓，其特征在于:還包括超級電容，所述的電源管理單元包括超級電容充電控制電路和鋰電池充電控制電路，DC/DC模塊通過超級電容充電控制電路給超級電容充電，超級電容為負(fù)載供電，同時(shí)DC/DC模塊通過鋰電池充電控制電路給鋰電池充電,鋰電池為負(fù)載供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，其特征在于:所述電流互感器包括鐵芯和繞在鐵芯上的線圈，所述線圈為單端或雙端開氣隙的線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，其特征在于:還包括沖擊保護(hù)電路，所述的線圈輸出端接至沖擊保護(hù)電路，所述沖擊保護(hù)電路則接至整流濾波電路的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，其特征在于:還包括過壓保護(hù)電路，過壓保護(hù)電路的輸入端接至整流濾波電路的輸出端，過壓保護(hù)電路的一路輸出端則接至鋰電池的充電端，另一路輸出端則接至DC/DC模塊輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于超級電容的高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源裝置，其特征在于:所述的超級電容包括第一、第二超級電容器，所述DC/DC模塊為所述第一超級電容器充電，第一超級電容器為第二超級電容器充電，第二超級電容器為負(fù)載供電。
【文檔編號】H02J7/34GK103683455SQ201310589725
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】錢承山, 李俊, 丁金卉, 王志偉, 孫鵬 申請人:南京信息工程大學(xué)