[发明专利]一种基于电池的超级电容充电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率充放电系统，特别适用于瞬时大功率应用工况。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件，超级电容器具有很好的功率特性。由于充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应和电极结构的变化，因此其循环使用寿命长。此外，超级电容器还具有高低温性能良好、能量判断简单准确、无需维护和环境友好等诸多优点，正日益发展成为一种高效、实用的电能储存器件。

随着超级电容器的兴起，对超级电容器的充电系统也在不断推陈出新。目前使用蓄电池给超级电容充电一般使用降压或升压变换器给超级电容充电。例如中国专利申请CN106410960A中公开了一种电源电路，包括电源模块、可充电电池和系统电源，还包括超级电容模组；所述超级电容模组包括降压电路、超级电容和升压电路；电源模块通过降压电路连接超级电容并给超级电容充电；超级电容的输出电能通过升压电路升压后通过系统电路对外供电。

由于超级电容一般是处在低压端，如果超级电容的充电电压要求比较高，那么需要增加大量的蓄电池来提高输入电压，这会增加系统成本及使用空间，给实际使用带来不便。

发明内容

为了解决超级电容的充电电压只能高于或低于电池电压的问题，本发明提供了一种能够实现升降压的超级电容充电系统。其集成降压变换器及升压变换器的优点，可以大大的减小充电系统的成本投入，安全可靠。

为了能够达到上述目的，本发明的系统包括：电池模块，升降压模块以及超级电容模组。其中电池模块由电池BAT1构成；升降压模块包括升压电路、母线电容C1和降压电路。

升压电路包括输入滤波电容C4，升压电感L1，升压IGBT模块Q1；降压电路包括降压IGBT模块Q2，降压电感L2，输出滤波电容C3。

其中电池BAT1两端与输入滤波电容C4两端连接，同时输入滤波电容C4一端还与升压电感L1连接，升压电感L1另一端连接升压IGBT模块Q1的交流端(如图1AC端)，升压IGBT模块Q1两端与母线电容C1连接，同时母线电容C1两端与降压IGBT模块Q2两端连接，降压IGBT模块Q2交流端(如图1AC端)与降压电感L2连接，降压电感L2另一端与输出滤波电容C3连接，同时输出滤波电容C3两端连接超级电容模组C2。

工作时，通过前级升压电路将母线电容电压抬高并保持稳定，在母线电压稳定后，开启后级降压电路，将超级电容电压升高至目标电压，超级电容充电电压可以设置为任意低于母线电压的值。前级升压电路与后级降压电路通过母线电容解耦为单独的Boost电路与buck电路，系统安全可靠，控制简单、使用方便。

附图说明

图1是基于电池的超级电容充电系统框架原理图；

图2是基于电池的超级电容充电系统前级升压电感能量存储工作原理图；

图3是基于电池的超级电容充电系统前级升压电感能量释放工作原理图；

图4是基于电池的超级电容充电系统后级降压电感能量存储工作原理图；

图5是基于电池的超级电容充电系统后级降压电感能量释放工作原理图。

具体实施方式

通过控制升压IGBT模块下管的开通和关断实现输入电压的提升，并保持稳定，通过控制降压IGBT模块上管的开通和关断实现对输出电压，电流的控制。电容C4的作用是输入滤波，能大幅度的减小电池输入纹波电流；电容C3的作用是输出滤波，能大幅度的减小充电电流纹波。

具体工作过程如下：升压电路和降压电路通过电容C1解耦，单独控制。如图2所示，IGBT模块Q1开通下管时满足等式1：

如图3，IGBT模块Q1关断下管时满足等式2：

为了保证系统稳定工作，满足ΔIboostDOWM＝ΔIboostUP,化简式1、2得到式3；

其中:

V_Bat电池电压；V_c1电容C1电压；

L₁升压电感电感量；

ΔIboostUP开通时电感L₁的上升电流；

ΔIboostDOWN关断时电感L₁的下降电流；

T_onboost开通时间；D_onboost占空比；

T_offboost关断时间；

可以通过控制D_onboost保持电容电压V_c1恒定。