一種可控充放電裝置及基于此裝置的超級(jí)電容的均壓電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超級(jí)電容組或電池組的充放電裝置，特別涉及通過控制裝置本身工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組中或電池組中各單體的超級(jí)電容或者電池的電壓均衡的可控充放電裝置及基于此裝置的超級(jí)電容的均壓電路。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]常見的超級(jí)電容大多是雙電層結(jié)構(gòu)，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，并具有充放電速度快、效率高、對(duì)環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn)。近年來，超級(jí)電容器作為瞬時(shí)、高功率密度儲(chǔ)能器件，已經(jīng)用于電力機(jī)車啟動(dòng)、備份電源、城市公交等多種場(chǎng)合，未來還會(huì)在城市軌道交通等方面發(fā)揮重要作用。
[0003]由于工藝原因，超級(jí)電容的額定電壓一般比較低，單體超級(jí)電容的額定工作電壓一般在2.8V左右，所以大多數(shù)情況下需要串聯(lián)使用；并聯(lián)可以增加容量，但其端電壓仍很低，仍被視作一個(gè)“單體”超級(jí)電容；由于應(yīng)用中常需要大電流充電、放電，又由于串聯(lián)回路每個(gè)單體容量很難保證100 %相同，也很難保證每個(gè)單體漏電也相同，這樣，在充電時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)單體電壓超過其耐壓上限。超級(jí)電容器單體長期工作在過壓狀態(tài)，會(huì)縮短使用壽命，進(jìn)而影響模組的性能，可能會(huì)導(dǎo)致電容過壓損壞，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生爆炸。因此，超級(jí)電容串聯(lián)使用需要注意的問題是串聯(lián)的超級(jí)電容之間的電壓均衡問題，也就是本發(fā)明所說的“均壓”問題。
[0004]現(xiàn)有方案中，有些方案是通過并聯(lián)大功率小阻值電阻對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行放電的方法解決均壓?jiǎn)栴}，如圖1所示，每個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)一個(gè)大功率小阻值電阻，這樣漏電流也隨之大幅增加，損耗加大，而且放電速度比較慢，均壓效果較差，去掉充電器后漏電流造成的損耗依然存在；還有一些方案是通過充電器為超級(jí)電容組充電，再在每一個(gè)超級(jí)電容上并聯(lián)一個(gè)DC/DC變換器，通過控制對(duì)應(yīng)的DC/DC變換器的工作來對(duì)單體超級(jí)電容進(jìn)行補(bǔ)充充電從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)均壓，如圖2所示，由于檢測(cè)到單體超級(jí)電容的電壓不均信號(hào)后控制DC/DC變換器從關(guān)閉狀態(tài)到DC/DC變換器重新建立恒流充電需要的開機(jī)時(shí)間大約需要1ms左右乃至更長，故這種方法響應(yīng)速度較慢，而且DC/DC變換器被控制關(guān)斷后，超級(jí)電容上的電壓還會(huì)通過DC/DC變換器的輸出等效電阻和輸出等效電容反灌到DC/DC變換器上，形成反灌電流，如圖3所示，將影響到DC/DC模塊的可靠性，而且DC/DC變換器只能對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，無法放電。
[0005]針對(duì)現(xiàn)有為超級(jí)電容充電的均壓技術(shù)中存在的漏電流大、充放電響應(yīng)速度慢、DC/DC變換器被控制關(guān)斷時(shí)超級(jí)電容電壓反灌等不足是目前需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述為超級(jí)電容充電的均壓技術(shù)中存在的漏電流大、充放電響應(yīng)速度慢、DC/DC變換器被控制關(guān)斷后超級(jí)電容電壓反灌等問題，本發(fā)明提供了一種可控充放電裝置，通過對(duì)該裝置輸入不同的控制信號(hào)去控制該裝置對(duì)單體超級(jí)電容執(zhí)行充電、放電、待機(jī)三種工作狀態(tài)來控制單體超級(jí)電容的兩端電壓，從而實(shí)現(xiàn)使被充放電的單體超級(jí)電容相對(duì)于串聯(lián)超級(jí)電容組中的其它單體超級(jí)電容的兩端電壓接近相等的均壓效果，以此來解決串聯(lián)的超級(jí)電容組里面單體超級(jí)電容之間的均壓?jiǎn)栴}。
[0007]與此相應(yīng)，本發(fā)明還提供一種基于此可控充放電裝置的超級(jí)電容的均壓電路。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種可控充放電裝置，用于超級(jí)電容的均壓控制，包括電源輸出端及與電源輸出端并聯(lián)連接的超級(jí)電容的正端和負(fù)端，該電源輸出端包括輸出正端和輸出負(fù)端，其特征在于:還包括充電放電電路、控制電路和輔助電源，所述充電放電電路，包括充電單元和放電單元，該充電單元分別連接電源輸出正端及超級(jí)電容的正端，該放電單元分別連接超級(jí)電容的正端、負(fù)端及電源輸出負(fù)端；所述輔助電源，與控制電路連接，用以為控制電路提供直流偏置電壓Vcc ;所述控制電路，包括兩個(gè)信號(hào)輸入端和受信號(hào)輸入端控制的兩個(gè)通路，該第一通路形成于輔助電源與充電單元之間，第二通路形成于輔助電源與放電單元之間，當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端為低電平信號(hào)，第二信號(hào)輸入端為高電平信號(hào)時(shí)，開通第一通路，使輔助電源的直流偏置電壓Vcc經(jīng)第一通路施加于充電單元，則充電單元導(dǎo)通，電源通過導(dǎo)通的充電單元以為超級(jí)電容進(jìn)行充電；同時(shí)，第二通路被拉低為電源輸出負(fù)端電位，放電單元關(guān)斷；當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端為高電平信號(hào)，第二信號(hào)輸入端為低電平信號(hào)時(shí)，第一通路被拉低為電源輸出負(fù)端電位，充電單元關(guān)斷；同時(shí)，第二通路開通，使輔助電源的直流偏置電壓Vcc經(jīng)第二通路施加于放電單元，則放電單元開通，以為超級(jí)電容進(jìn)行放電；當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端和第二信號(hào)輸入端均為高電平信號(hào)時(shí)，兩個(gè)通路均被拉低為電源輸出負(fù)端電位，以切斷輔助電源與充電放電電路，則該可控充放電裝置處于既不充電也不放電的待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)使電源處于輸出空載的工作狀態(tài)；當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端和第二信號(hào)輸入端均為低電平信號(hào)時(shí)，關(guān)斷兩個(gè)通路，則該可控充放電裝置處于既不充電也不放電的待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)使電源處于輸出空載的工作狀態(tài)。
[0010]優(yōu)選的，所述充電放電電路，包括主要由MOS管S5和MOS管S6構(gòu)成的充電單元，及主要由MOS管S7、二極管Dl和電阻R7構(gòu)成的放電單元，所述MOS管S5的源極連接電源輸出正端，MOS管S5的漏極和MOS管S6的漏極相連，MOS管S5的柵極和MOS管S6的柵極相連并連接到控制電路的第一通路輸出端，所述MOS管S6的源極與MOS管S7的漏極相連并且連接到超級(jí)電容的正端，MOS管S7的柵極連接到控制電路的第二通路輸出端，MOS管S7的源極連接二極管Dl的陽極，二極管Dl的陰極連接電阻R7的一端，電阻R7的另一端分別連接電源輸出負(fù)端Vo-及超級(jí)電容的負(fù)端；當(dāng)控制電路的第一通路開通時(shí)，輔助電源的直流偏置電壓Vcc經(jīng)第一通路施加于MOS管S5的柵極和MOS管S6的柵極，使MOS管S5和MOS管S6導(dǎo)通，則電源能量經(jīng)充電單元為超級(jí)電容進(jìn)行充電；當(dāng)控制電路的第二通路開通時(shí)，輔助電源的直流偏置電壓Vcc經(jīng)第二通路施加于MOS管S7的柵極，使MOS管S7導(dǎo)通，則超級(jí)電容的能量經(jīng)放電單元進(jìn)行放電；當(dāng)控制電路的兩個(gè)通路處于切斷或關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，MOS管S5、S6、S7均處于截止，則該可控充放電裝置處于既不充電也不放電的待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)使電源處于輸出空載的工作狀態(tài)。
[0011]優(yōu)選的，所述控制電路，包括MOS管SUMOS管S2、M0S管S3、MOS管S4和電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6，所述MOS管SI的漏極分別與MOS管S2的漏極、電阻Rl的一端、電阻R2的一端及輔助電源的輸出端Vcc相連，MOS管SI的柵極、MOS管S3的柵極、電阻Rl的另一端、電阻R5的一端與控制電路的第一信號(hào)輸入端相連；M0S管SI的源極和MOS管S2的源極、電阻R3的一端、電阻R4的一端相連；M0S管S2的柵極、MOS管S4的柵極、電阻R2的另一端、電阻R6的一端與控制電路的第二輸入信號(hào)端相連；M0S管S3的漏極與電阻R3的另一端、電阻R5的另一端相連，并引出作為第一通路輸出端；M0S管S4的漏極與電阻R4的另一端、電阻R6的另一端相連，并引出作為第二通路輸出端；M0S管S3的源極和MOS管S4的源極分別連接到電源輸出負(fù)端，當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端為低電平信號(hào)，第二信號(hào)輸入端為高電平信號(hào)時(shí)，MOS管S1、MOS管S3截止，MOS管S2、MOS管S4導(dǎo)通，輔助電源的直流偏置電壓Vcc通過MOS管S2、電阻R3所形成的第一通路輸出到充電單元；當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端為高電平信號(hào)時(shí)，第二信號(hào)輸入端為低電平信號(hào)時(shí)，MOS管S2、MOS管S4截止，MOS管SUMOS管S3導(dǎo)通；輔助電源的直流偏置電壓Vcc電壓通過MOS管S1、電阻R4所形成的第二通路輸出到放電單元；當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端和第二信號(hào)輸入端均為高電平信號(hào)時(shí)，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4均導(dǎo)通，使兩個(gè)通路輸出端的電位均被拉低為電源輸出負(fù)端電位；當(dāng)?shù)谝恍盘?hào)輸入端和第二信號(hào)輸入端均為低電平信號(hào)時(shí)，MOS管S1、MOS管S2、M0S管S3、MOS管S4均截止，使兩個(gè)通路均被關(guān)斷。
[0012]本發(fā)明還提供一種超級(jí)電容的均壓電路，包括電源、超級(jí)電容及連接于電源與超級(jí)電容之間的上述的可控充放電裝置，所述電源采用DC-DC變換器。
[0013]本發(fā)明另還提供一種超級(jí)電