一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法技术

技术编号:13777904 阅读:176 留言:0更新日期:2016-10-01 04:03
本发明专利技术公开了一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法,包括步骤:一、选取电阻RS的阻值;二、将电阻RS的一端与Buck变换器电路的负极输出端连接,将电阻RS的另一端接地;三、选择组成充电模式控制电路的合适参数的元件;四、连接各元件,组成充电模式控制电路;五、选择组成充电驱动电路的合适参数的元件;六、连接各元件,组成充电驱动电路;七、连接Buck变换器电路、电压源、超级电容和充电驱动电路,组成超级电容多模式快速充电电路。本发明专利技术方法步骤简单,设计合理,实现方便,实用性强,便于推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超级电容充电电路
,具体涉及一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法
技术介绍
随着社会经济的发展,人们对于绿色能源和生态环境越来越关注,超级电容器作为一种新型的储能器件,因其无可替代的优越性,越来越受到人们的重视。超级电容具有存储能量大、充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高、超低温特性好和绿色环保等诸多优点。与蓄电池相比,它具有更低的串联等效电阻、更长的使用寿命、更宽的温度工作范围、更宽的电压变化范围、免维护和可密封等优势。目前,关于超级电容的充电方式主要由以下几种,恒流充电、恒压充电、恒流转恒压充电、脉冲电流充电以及恒功率充电等。采取恒流充电,此方法比较简单,但它的缺点在于,如果充电电流较小,充电时间会很长,若充电电流较大,充电后期可能对超级电容造成一定的损坏,大电流充电在实现缩短充电时间的同时,超级电容器的储能量也受到了较大的限制。恒压充电能够在很大程度上稳定电容器的双电层平衡电势,有利于双电层的稳定形成。恒压充电刚开始时充电效率随着充电时间的增加而增加,但当充电效率达到一定时,充电效率随着充电时间的增加将会将低。恒功率充电能够有效的提高充电效率,缩短充电时间,但是其控制电路实现比较复杂。充电方式对超级电容的充电效率,储能容量,充电时间等都有很大的影响。恒流充电效率高但是到了充电的后期电容两端电压过大且会影响超级电容的储能容量;恒压充电效率过低,充电时间慢;恒功率充电控制电路复杂。所以可以采取组合充电的方式,来克服不同充电方式对超级电容性能的影响。但是,现在技术中还缺乏电路结构简单、设计合理、工作可靠性高,能够解决超级电容在单一充电模式时带来的弊端、能够有效的保护超级电容的充放电性能的超级电容充电电路。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法,其方法步骤简单,设计合理,实现方便,实用性强,便于推广使用。为解决上述技术问题,本专利技术采用的技术方案是:一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法,所述超级电容多模式快速充电电路包括与电压源的输出端连接的Buck变换器电路、用于对Buck变换器电路的输出电流进行采样的电流采样电路、充电模式控制电路和充电驱动电路,所述超级电容与Buck变换器电路的输出端连接,所述电流采样电路与Buck变换器电路连接,所述充电模式控制电路与电流采样电路的输出端、超级电容和充电驱动电路的参考电压输出端均连接,所述充电驱动电路与充电模式控制电路的输出端和电流采样电路的输出端均连接,所述Buck变换器电路与充电驱动电路的PWM信号输出端连接;所述充电模式控制电路包括运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4;所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5与电流采样电路的输出端连接,且通过电阻R6与稳压二极管D2的阳极连接,所述稳压二极管D2的阴极与超级电容的正极连接,所述运算放大器U2的反相输入端通过电阻R10与充电驱动电路的参考电压输出端连接,且通过电阻R11接地,所述运算放大器U2的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C5,所述运算放大器U2的输出端与开关二极管D3的阳极连接;所述运算放大器U3的同相输入端通过电阻R4与超级电容的正极连接,且通过电阻R3接地,所述运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8与充电驱动电路的参考电压输出端连接,且通过电阻R7接地,所述运算放大器U3的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C6,所述运算放大器U3的输出端与开关二极管D4的阳极连接;所述开关二极管D3的阴极与开关二极管D4的阴极连接且为充电模式控制电路的输出端;所述充电驱动电路包括芯片UC3843和三极管Q2,所述芯片UC3843的第1引脚通过非极性电容C2与充电模式控制电路的输出端连接,所述芯片UC3843的第2引脚与充电模式控制电路的输出端连接,所述芯片UC3843的第3引脚通过电阻R13与电流采样电路的输出端连接,所述芯片UC3843的第4引脚通过非极性电容C3接地,所述芯片UC3843的第5引脚接地,所述芯片UC3843的第4引脚与第8引脚之间接有电阻R12,所述芯片UC3843的第8引脚为充电驱动电路的参考电压输出端,所述三极管Q2的基极通过电阻R14与所述芯片UC3843的第6引脚连接,所述三极管Q2的发射极接地,所述三极管Q2的集电极为充电驱动电路的PWM信号输出端;所述电流采样电路由电阻RS构成,所述电阻RS的一端与Buck变换器电路的负极输出端连接,所述电阻RS的另一端接地;其特征在于,所述超级电容多模式快速充电电路的设计方法包括以下步骤:步骤一、根据5mΩ≤RS<100mΩ选取电阻RS的阻值;步骤二、将电阻RS的一端与Buck变换器电路的负极输出端连接,将电阻RS的另一端接地;步骤三、选择组成充电模式控制电路的合适参数的运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4,电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电阻R11,以及非极性电容C5和非极性电容C6;其具体过程如下:步骤301、根据运算放大器U2的响应时间选取运算放大器U2,并根据运算放大器U3的响应时间选取运算放大器U3;其中,f为Buck变换器电路的开关频率;步骤302、根据公式确定超级电容恒功率充电的启动电压V1,选取稳压值等于V1的稳压二极管D2;其中,P为超级电容恒功率充电的功率,I为超级电容恒流充电的电流;步骤303、根据100Ω≤R5<500Ω选取电阻R5的阻值;步骤304、根据公式选取电阻R6的阻值,其中,VREF1为运算放大器U2反相输入端的基准电压且VREF1=I·RS,V2为超级电容恒压充电的电压,Vz为稳压二极管D2的稳压值,VRS2为超级电容(5)从恒功率充电转换到恒压充电瞬间电阻RS上的电压且步骤305、根据1kΩ≤R7<100kΩ选取电阻R7的阻值;步骤306、根据公式选取电阻R8的阻值,其中,Vref为芯片UC3843提供的基准电压,VREF2为运算放大器U3反相输入端的基准电压且VREF2的取值范围为0.1V~3V;步骤307、根据1kΩ≤R3<100kΩ选取电阻R3的阻值;步骤308、根据公式选取电阻R4的阻值,其中,V3为运算放大器U3的同相输入端的电压且V3=VREF2;步骤309、根据1kΩ≤R11<100kΩ选取电阻R11的阻值;步骤3010、根据公式选取电阻R10的阻值;步骤3011、根据0.1μF≤C5<2μF选取非极性电容C5的容值;步骤3012、根据0.1μF≤C6<2μF选取非极性电容C6的容值;步骤3013、根据公式VD3>λ·VCC1选取开关二极管D3,其中,VD3为开关二极管D3的耐压值,λ为裕度系数且取值为1.5~2.5,VCC1为运算放大器U2的供电电压;步骤3014、根据公式VD4>λ·VCC2选取开关二极管D4,其中,VD4为开关二极管D4的耐压值,VCC2为运算放大器U3的供电电压;步骤四、连接运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4,电阻R3、电阻R4、电阻R5本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法,所述超级电容多模式快速充电电路包括与电压源(6)的输出端连接的Buck变换器电路(1)、用于对Buck变换器电路(1)的输出电流进行采样的电流采样电路(2)、充电模式控制电路(3)和充电驱动电路(4),所述超级电容(5)与Buck变换器电路(1)的输出端连接,所述电流采样电路(2)与Buck变换器电路(1)连接,所述充电模式控制电路(3)与电流采样电路(2)的输出端、超级电容(5)和充电驱动电路(4)的参考电压输出端均连接,所述充电驱动电路(4)与充电模式控制电路(3)的输出端和电流采样电路(2)的输出端均连接,所述Buck变换器电路(1)与充电驱动电路(4)的PWM信号输出端连接;所述充电模式控制电路(3)包括运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4;所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5与电流采样电路(2)的输出端连接,且通过电阻R6与稳压二极管D2的阳极连接,所述稳压二极管D2的阴极与超级电容(5)的正极连接,所述运算放大器U2的反相输入端通过电阻R10与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接,且通过电阻R11接地,所述运算放大器U2的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C5,所述运算放大器U2的输出端与开关二极管D3的阳极连接;所述运算放大器U3的同相输入端通过电阻R4与超级电容(5)的正极连接,且通过电阻R3接地,所述运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接,且通过电阻R7接地,所述运算放大器U3的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C6,所述运算放大器U3的输出端与开关二极管D4的阳极连接;所述开关二极管D3的阴极与开关二极管D4的阴极连接且为充电模式控制电路(3)的输出端;所述充电驱动电路(4)包括芯片UC3843和三极管Q2,所述芯片UC3843的第1引脚通过非极性电容C2与充电模式控制电路(3)的输出端连接,所述芯片UC3843的第2引脚与充电模式控制电路(3)的输出端连接,所述芯片UC3843的第3引脚通过电阻R13与电流采样电路(2)的输出端连接,所述芯片UC3843的第4引脚通过非极性电容C3接地,所述芯片UC3843的第5引脚接地,所述芯片UC3843的第4引脚与第8引脚之间接有电阻R12,所述芯片UC3843的第8引脚为充电驱动电路(4)的参考电压输出端,所述三极管Q2的基极通过电阻R14与所述芯片UC3843的第6引脚连接,所述三极管Q2的发射极接地,所述三极管Q2的集电极为充电驱动电路(4)的PWM信号输出端;所述电流采样电路(2)由电阻RS构成,所述电阻RS的一端与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接,所述电阻RS的另一端接地;其特征在于,所述超级电容多模式快速充电电路的设计方法包括以下步骤:步骤一、根据5mΩ≤RS<100mΩ选取电阻RS的阻值;步骤二、将电阻RS的一端与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接,将电阻RS的另一端接地;步骤三、选择组成充电模式控制电路(3)的合适参数的运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4,电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电阻R11,以及非极性电容C5和非极性电容C6;其具体过程如下:步骤301、根据运算放大器U2的响应时间选取运算放大器U2,并根据运算放大器U3的响应时间选取运算放大器U3;其中,f为Buck变换器电路(1)的开关频率;步骤302、根据公式确定超级电容(5)恒功率充电的启动电压V1,选取稳压值等于V1的稳压二极管D2;其中,P为超级电容(5)恒功率充电的功率,I为超级电容(5)恒流充电的电流;步骤303、根据100Ω≤R5<500Ω选取电阻R5的阻值;步骤304、根据公式选取电阻R6的阻值,其中,VREF1为运算放大器U2反相输入端的基准电压且VREF1=I·RS,V2为超级电容(5)恒压充电的电压,Vz为稳压二极管D2的稳压值,VRS2为超级电容(5)从恒功率充电转换到恒压充电瞬间电阻RS上的电压且步骤305、根据1kΩ≤R7<100kΩ选取电阻R7的阻值;步骤306、根据公式选取电阻R8的阻值,其中,Vref为芯片UC3843提供的基准电压,VREF2为运算放大器U3反相输入端的基准电压且VREF2的取值范围为0.1V~3V;步骤307、根据1kΩ≤R3<100kΩ选取电阻R3的阻值;步骤308、根据公式选取电阻R4的阻值,其中,V3为运算放大器U3的同相输入端的电压且V3=VREF2;步骤309、根据1kΩ≤R11<100kΩ选取电阻R11的阻值;步骤3010、根据公式选取电阻R10的阻值;步骤3011、根据0.1μF≤C5<2μF...

【技术特征摘要】
1.一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法,所述超级电容多模式快速充电电路包括与电压源(6)的输出端连接的Buck变换器电路(1)、用于对Buck变换器电路(1)的输出电流进行采样的电流采样电路(2)、充电模式控制电路(3)和充电驱动电路(4),所述超级电容(5)与Buck变换器电路(1)的输出端连接,所述电流采样电路(2)与Buck变换器电路(1)连接,所述充电模式控制电路(3)与电流采样电路(2)的输出端、超级电容(5)和充电驱动电路(4)的参考电压输出端均连接,所述充电驱动电路(4)与充电模式控制电路(3)的输出端和电流采样电路(2)的输出端均连接,所述Buck变换器电路(1)与充电驱动电路(4)的PWM信号输出端连接;所述充电模式控制电路(3)包括运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4;所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5与电流采样电路(2)的输出端连接,且通过电阻R6与稳压二极管D2的阳极连接,所述稳压二极管D2的阴极与超级电容(5)的正极连接,所述运算放大器U2的反相输入端通过电阻R10与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接,且通过电阻R11接地,所述运算放大器U2的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C5,所述运算放大器U2的输出端与开关二极管D3的阳极连接;所述运算放大器U3的同相输入端通过电阻R4与超级电容(5)的正极连接,且通过电阻R3接地,所述运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接,且通过电阻R7接地,所述运算放大器U3的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C6,所述运算放大器U3的输出端与开关二极管D4的阳极连接;所述开关二极管D3的阴极与开关二极管D4的阴极连接且为充电模式控制电路(3)的输出端;所述充电驱动电路(4)包括芯片UC3843和三极管Q2,所述芯片UC3843的第1引脚通过非极性电容C2与充电模式控制电路(3)的输出端连接,所述芯片UC3843的第2引脚与充电模式控制电路(3)的输出端连接,所述芯片UC3843的第3引脚通过电阻R13与电流采样电路(2)的输出端连接,所述芯片UC3843的第4引脚通过非极性电容C3接地,所述芯片UC3843的第5引脚接地,所述芯片UC3843的第4引脚与第8引脚之间接有电阻R12,所述芯片UC3843的第8引脚为充电驱动电路(4)的参考电压输出端,所述三极管Q2的基极通过电阻R14与所述芯片UC3843的第6引脚连接,所述三极管Q2的发射极接地,所述三极管Q2的集电极为充电驱动电路(4)的PWM信号输出端;所述电流采样电路(2)由电阻RS构成,所述电阻RS的一端与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接,所述电阻RS的另一端接地;其特征在于,所述超级电容多模式快速充电电路的设计方法包括以下步骤:步骤一、根据5mΩ≤RS<100mΩ选取电阻RS的阻值;步骤二、将电阻RS的一端与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接,将电阻RS的另一端接地;步骤三、选择组成充电模式控制电路(3)的合适参数的运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4,电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电阻R11,以及非极性电容C5和非极性电容C6;其具体过程如下:步骤301、根据运算放大器U2的响应时间选取运算放大器U2,并根据运算放大器U3的响应时间选取运算放大器U3;其中,f为Buck变换器电路(1)的开关频率;步骤302、根据公式确定超级电容(5)恒功率充电的启动电压V1,选取稳压值等于V1的稳压二极管D2;其中,P为超级电容(5)恒功率充电的功率,I为超级电容(5)恒流充电的电流;步骤303、根据100Ω≤R5<500Ω选取电阻R5的阻值;步骤304、根据公式选取电阻R6的阻值,其中,VREF1为运算放大器U2反相输入端的基准电压且VREF1=I·RS,V2为超级电容(5)恒压充电的电压,Vz为稳压二极管D2的稳压值,VRS2为超级电容(5)从恒功率充电转换到恒压充电瞬间电阻RS上的电压且步骤305、根据1kΩ≤R7<100kΩ选取电阻R7的阻值;步骤306、根据公式选取电阻R8的阻值,其中,Vref为芯片UC3843提供的基准电压,VREF2为运算放大器U3反相输入端的基准电压且VREF2的取值范围为0.1V~3V;步骤307、根据1kΩ≤R3<100kΩ选取电阻R3的阻值;步骤308、根据公式选取电阻R4的阻值,其中,V3为运算放大器U3的同相输入端的电压且V3=VREF2;步骤309、根据1kΩ≤R11<100kΩ选取电阻R11的阻值;步骤3010、根据公式选取电阻R10的阻值;步骤3011、根据0.1μF≤C5<2μF选取非极性电容C5的容值;步骤3012、根据0.1μF≤C6<2μF选取非极性电容C6的容值;步骤3013、根据公式VD3>λ·VCC1选取开关二极管D3,其中,VD3为开关二极管D3的耐压值,λ为裕度系数且取值为1.5~2.5,VCC1为运算放大器U2的供电电压;步骤3014、根据公式VD4>λ·VCC2选取开关二极管D4,其中,VD4为开关二极管D4的耐压值,VCC2为运算放大器U3的供电电压;步骤四、连接运算放大器U2和运算放大器U3,稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4,电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电阻R11,以及非极性电容C5和非极性电容C6,组成充电模式控制电路(3),其具体过程如下:步骤401、将所述运算放大器U2的同相输入端一方面通过电阻R5与电阻RS与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接的一端连接,另一方面通过电阻R6与稳压二极管D2的阳极连接,并将稳压二极管D2的阴极与超级电容(5)的正极连接;步骤402、将所述运算放大器U2的反相输入端一方面通过电阻R10与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接,另一方面通过电阻R11接地;并将非极性电容C5接在运算放大器U2的...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘树林张法旺韩跃云周闵阳光徐惠三聂燊
申请(专利权)人:西安科技大学
类型:发明
国别省市:陕西;61

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