一种具有高输出电流的储能电路论文和设计-伍浩华

全文摘要

本实用新型公开了一种具有高输出电流的储能电路，其包括依次串联的电池、充放电保护模块、升降压模块、法拉超级电容，和连接升降压模块的输入模块，以及连接升降压模块和输入模块的控制器，本实用新型可提供瞬间达100A以上的放电电流给车辆启动机供电；与现有技术相比具有以下优点：一是安全和可靠性增加了很多，电容的存储能量维持时间短，消耗快，不会造成像电池那样的持续能量输出导致起火爆炸等；二是对电池的要求下降，同时也延长了电池的使用寿命，并且可以使用普通的电池；具有瞬间输出电流大，电池冗余小，成本低的优点；可以广泛的使用在需要短时间内输出大电流的设备中。

主设计要求

1.一种具有高输出电流的储能电路，其特征在于：包括依次串联的电池、充放电保护模块、升降压模块、法拉超级电容，和连接升降压模块的输入模块，以及连接升降压模块和输入模块的控制器，其中所述电池，用于存储直流电能；所述充放电保护模块，用于检测电池电压，根据电池电压接通或断开电池与升降压模块的连接；所述升降压模块，用于对输入模块输入的直流电进行幅值变换后通过充放电保护模块存入电池，或将电池中的直流电进行幅值变换后输给法拉超级电容；所述法拉超级电容，用于向外部输出大流量电流；所述输入模块，用于输入外部电能；所述控制器，用于控制升降压模块和输入模块工作。

设计方案

1.一种具有高输出电流的储能电路，其特征在于：包括依次串联的电池、充放电保护模块、升降压模块、法拉超级电容，和连接升降压模块的输入模块，以及连接升降压模块和输入模块的控制器，其中

所述电池，用于存储直流电能；

所述充放电保护模块，用于检测电池电压，根据电池电压接通或断开电池与升降压模块的连接；

所述升降压模块，用于对输入模块输入的直流电进行幅值变换后通过充放电保护模块存入电池，或将电池中的直流电进行幅值变换后输给法拉超级电容；

所述法拉超级电容，用于向外部输出大流量电流；

所述输入模块，用于输入外部电能；

所述控制器，用于控制升降压模块和输入模块工作。

2.如权利要求1所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：还包括连接所述升降压模块的输出模块，该输出模块在所述控制器的控制下将升降压模块连通外部的负载，控制器控制升降压模块向负载供电。

3.如权利要求2所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述升降压模块具有第一接口和第二接口，所述第一接口连接所述充放电保护模块，所述第二接口并接所述法拉超级电容、输入模块和输出模块。

4.如权利要求3所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述升降压模块包括受所述控制器控制的第五十一MOS管（Q51）和第五十二MOS管（Q52），其中第五十二MOS管的源极连接所述第一接口和二极管（D1）的阴极，第五十一MOS管的源极接地，第五十一MOS管和第五十二MOS管的漏极共同连接第一电感（L1）的一端，第一电感的另一端连接所述第二接口，第五十二MOS管的漏极连接二极管（D1）的阳极。

5.如权利要求1所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述电池包括串联的第一电池（BT1）、第二电池（BT2）和第三电池（BT3），所述电池的正极通过正极导线连接所述升降压模块，电池的负极通过负极导线接地；所述充放电保护模块包括检测第一电池电压的第一检测模块、检测第二电池电压的第二检测模块和检测第三电池电压的第三检测模块，以及串接在所述负极导线中的第十六MOS管（Q16）和第十五MOS管（Q15），第一、第二和第三检测模块检测到第一、第二和第三电池中有任一电池的电压高于高压阈值时驱动第十五MOS管截止，第一、第二和第三检测模块检测到第一、第二和第三电池中有任一电池的电压低于低压阈值时驱动第十六MOS管截止。

6.如权利要求1所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述输入模块包括USB插口、连接USB插口的输入电源线、串接在输入电源线中的第一MOS管（Q1）和第十九MOS管（Q19）、以及连接输入电源线的输入电压检测模块，所述输入电压检测模块将输入电压反馈给所述控制器，控制器根据输入电压控制第一MOS管和第十九MOS管的通断。

7.如权利要求2所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述输出模块包括USB插口、连接USB插口的输出电源线、串接在输出电源线中的第八MOS管（Q8）、以及连接USB插口的负载检测模块，所述负载检测模块检测插接在USB插口上的负载类型，并将负载类型传输给所述控制器，控制器根据负载类型控制升降压模块向负载供电。

8.如权利要求7所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述输出电源线在连接所述升降压模块的端部还连接第一滤波电容组，所述第一滤波电容组包括并联的第七电容（C7）、第八电容（C8）、第九电容（C9）和第十电容（C10）。

9.如权利要求5所述的具有高输出电流的储能电路，其特征在于：所述正极导线连接所述升降压模块的端部还连接第二滤波电容组，所述第二滤波电容组包括并联的第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3），以及电解电容（EC1）。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及储能电路，尤其涉及一种具有高输出电流的储能电路。

背景技术

汽车在点火时，车内的储能电路需要瞬间输出强大的电流，为达到此目的，启动电池都必须要使用高放电倍率的动力电芯，高放电倍率的动力电芯成本高昂；同时汽车在其他时间内，工作电流又较小。所以采用高放电倍率的动力电芯具有冗余较大、成本较高的缺陷。

因此，如何设计一种短时间内输出电流大，而电池冗余小，成本低的储能电路是业界亟待解决的技术问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提出一种具有高输出电流的储能电路。

本实用新型采用的技术方案是设计一种具有高输出电流的储能电路，其包括依次串联的电池、充放电保护模块、升降压模块、法拉超级电容，和连接升降压模块的输入模块，以及连接升降压模块和输入模块的控制器，其中所述电池，用于存储直流电能；所述充放电保护模块，用于检测电池电压，根据电池电压接通或断开电池与升降压模块的连接；所述升降压模块，用于对输入模块输入的直流电进行幅值变换后通过充放电保护模块存入电池，或将电池中的直流电进行幅值变换后输给法拉超级电容；所述法拉超级电容，用于向外部输出大流量电流；所述输入模块，用于输入外部电能；所述控制器，用于控制升降压模块和输入模块工作。

储能电路还包括连接所述升降压模块的输出模块，该输出模块在所述控制器的控制下将升降压模块连通外部的负载，控制器控制升降压模块向负载供电。

所述升降压模块具有第一接口和第二接口，所述第一接口连接所述充放电保护模块，所述第二接口并接所述法拉超级电容、输入模块和输出模块。

所述升降压模块包括受所述控制器控制的第五十一MOS管和第五十二MOS管，其中第五十二MOS管的源极连接所述第一接口和二极管的阴极，第五十一MOS管的源极接地，第五十一MOS管和第五十二MOS管的漏极共同连接第一电感L1的一端，第一电感的另一端连接所述第二接口，第五十二MOS管的漏极连接二极管的阳极。

所述电池包括串联的第一电池、第二电池和第三电池，所述电池的正极通过正极导线连接所述升降压模块，电池的负极通过负极导线接地；所述充放电保护模块包括检测第一电池电压的第一检测模块、检测第二电池电压的第二检测模块和检测第三电池电压的第三检测模块，以及串接在所述负极导线中的第十六MOS管和第十五MOS管，第一、第二和第三检测模块检测到第一、第二和第三电池中有任一电池的电压高于高压阈值时驱动第十五MOS管截止，第一、第二和第三检测模块检测到第一、第二和第三电池中有任一电池的电压低于低压阈值时驱动第十六MOS管截止。

所述输入模块包括USB插口、连接USB插口的输入电源线、串接在输入电源线中的第一MOS管和第十九MOS管、以及连接输入电源线的输入电压检测模块，所述输入电压检测模块将输入电压反馈给所述控制器，控制器根据输入电压控制第一MOS管和第十九MOS管的通断。

所述输出模块包括USB插口、连接USB插口的输出电源线、串接在输出电源线中的第八MOS管、以及连接USB插口的负载检测模块，所述负载检测模块检测插接在USB插口上的负载类型，并将负载类型传输给所述控制器，控制器根据负载类型控制升降压模块向负载供电。

所述输出电源线在连接所述升降压模块的端部还连接第一滤波电容组，所述第一滤波电容组包括并联的第七电容、第八电容、第九电容和第十电容。

所述正极导线连接所述升降压模块的端部还连接第二滤波电容组，所述第二滤波电容组包括并联的第一电容、第二电容、第三电容，以及电解电容。

本实用新型可提供瞬间达 100A 以上的放电电流给车辆启动机供电；与现有技术相比具有以下优点：一是安全和可靠性增加了很多，电容的存储能量维持时间短，消耗快，不会造成像电池那样的持续能量输出导致起火爆炸等；二是对电池的要求下降，同时也延长了电池的使用寿命，并且可以使用普通的电池；具有瞬间输出电流大，电池冗余小，成本低的优点；可以广泛的使用在需要短时间内输出大电流的设备中；本实用新型在充电回路和放电回路中公用一套升降压模块，大大节省了电路成本，有利于设备小型化、高功率密度化。

附图说明

下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明，其中：

图1是较佳实施例的原理框图；

图2是较佳实施例升降压模块的电路图；

图3是较佳实施例电池及充放电保护模块的电路图；

图4是较佳实施例输入和输出模块以及法拉超级电容的电路图；

图5是较佳实施例控制模块的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型公开了一种具有高输出电流的储能电路，参看图1示出的原理框图，储能电路包括依次串联的电池、充放电保护模块、升降压模块、法拉超级电容，和连接升降压模块的输入模块，以及连接升降压模块和输入模块的控制器。其中所述电池，用于存储直流电能；所述充放电保护模块，用于检测电池电压，根据电池电压接通或断开电池与升降压模块的连接；所述升降压模块，用于对输入模块输入的直流电进行幅值变换后通过充放电保护模块存入电池，或将电池中的直流电进行幅值变换后输给法拉超级电容；所述法拉超级电容，用于向外部输出大流量电流；所述输入模块，用于输入外部电能；所述控制器，用于控制升降压模块和输入模块工作。

以本储能电路在汽车上使用时为例加以说明，首先外部电源连接输入模块输入电能，升降压模块进行幅值变换后通过充放电保护模块将直流电能存入电池；在使用时，电池中的直流电能输送给升降压模块，升降压模块进行幅值变换后向法拉超级电容充电，法拉超级电容连接汽车点火的启动机。法拉超级电容的特点是充电速度快，大电流放电能力超强。法拉超级电容充满电后，瞬间可提供100A以上的泄放电流给车辆启动机供电。

需要指出，输入模块可以连接外部的直流电源，也可以连接外部的交流电源，连接交流电源时输入模块中需要增加整流功能。

在较佳实施例中，储能电路还包括连接所述升降压模块的输出模块，该输出模块在所述控制器的控制下将升降压模块连通外部的负载，控制器控制升降压模块向负载供电。藉此电路，人们可以在车辆中给手机、平板电脑等电子设备充电。

在较佳实施例中，所述升降压模块具有第一接口和第二接口，所述第一接口连接所述充放电保护模块，所述第二接口并接所述法拉超级电容、输入模块和输出模块。藉此，在充电回路和放电回路中可以公用一套升降压模块，大大节省了电路成本，有利于设备小型化、高功率密度化。

参看图2示出的较佳实施例升降压模块的电路图，所述升降压模块包括受所述控制器控制的第五十一MOS管Q51和第五十二MOS管Q52，其中第五十二MOS管的源极连接所述第一接口和二极管D1的阴极，第五十一MOS管的源极接地，第五十一MOS管和第五十二MOS管的漏极共同连接第一电感L1的一端，第一电感的另一端连接所述第二接口，第五十二MOS管的漏极连接二极管D1的阳极。在较佳实施例中，第五十一MOS管Q51和第五十二MOS管Q52采用双功率 MOS 管（Q5），Q5和第一电感L1以及后级的电容元件组成升降压的核心部分，其驱动频率和输出参数受控制器（U6 MCU）控制，控制器输出一组同步驱动信号至Q51和Q52的两个控制 G 级， OUT-H 为高电平驱动口，OUT-L为低电平驱动口，或同时为高\/低电平。当OUT-H 输出脉冲信号低电平时，Q52导通，此时电池通过第一电感L1向后级电容（图4中的第七至第十电容（C7、C8、C9、C10），以及法拉超级电容SC1）充电,同时 OUT-L 输出低电平，Q51截止；当 OUT-H 输出脉冲信号高电平时，Q52截止，此时电池与第一电感 L1 和第七至第十电容、法拉超级电容SC1断开充电, 同时 OUT-L 输出高电平，Q51导通，第一电感L1的左端接地，此时电感磁能转换为电能输出给电容充电；通过控制器调节 OUT-H 和 OUT-L 的脉冲占空比，控制 L1 及电容的充电和放电时间常数，可调控输出电压在 5-12V，在本储能电路中固定输出 3 种电压模式，即 5V\/9V\/12V。

参看图3示出的电池及充放电保护模块的电路图，所述电池包括串联的第一电池BT1、第二电池BT2和第三电池BT3，所述电池的正极通过正极导线连接所述升降压模块，电池的负极通过负极导线接地；所述充放电保护模块包括检测第一电池电压的第一检测模块、检测第二电池电压的第二检测模块和检测第三电池电压的第三检测模块，以及串接在所述负极导线中的第十六MOS管Q16和第十五MOS管Q15，第一、第二和第三检测模块检测到第一、第二和第三电池中有任一电池的电压高于高压阈值时驱动第十五MOS管截止，第一、第二和第三检测模块检测到第一、第二和第三电池中有任一电池的电压低于低压阈值时驱动第十六MOS管截止。参看图3，第三检测模块的核心元件是锂电池保护芯片U1（型号是DW01），U1检测 BT3,BT3的正极通过电阻 R7 接到U1供电脚，在放电过程，如BT3的电压低于低压阈值（2.5V 左右）时，U1的 DO 脚输出低电平至 Q3，Q3导通，Q17导通，使第十六MOS管截止，放电回路断开，储能电路停止放电；充电时，如BT3的电压高于高压阈值（4.3V 左右）时U1的CO脚输出低电平至 Q4，Q4导通，Q14导通，使第十五MOS管Q15截止，充电回路断开，储能电路停止充电。BT3的电压位于高压阈值和低压阈值之间时，U1的CO脚和DO脚都输出高电平，第十六MOS管Q16和第十五MOS管Q15皆导通，电池可以自由地进行充放电。对第二电池BT2和第一电池BT1的保护分别由U2 和 U3 来保护，保护原理相同，不再赘述。只要任意一个电池出现参数异常，都可以控制Q15或Q16截止，从而起到充放电保护作用。

参看图4示出的输入模块电路图，所述输入模块包括USB插口、连接USB插口的输入电源线、串接在输入电源线中的第一MOS管Q1和第十九MOS管Q19、以及连接输入电源线的输入电压检测模块，所述输入电压检测模块将输入电压反馈给所述控制器，控制器根据输入电压控制第一MOS管和第十九MOS管的通断。参看图4，输入电压检测模块包括第二三极管Q2、电阻R2和R9组成。当USB插口中插入外部电源时，输入电压检测模块检测到有电压，Q2导通，控制器U6的管脚PA4会收到一个低电压，U6的PC6脚控制Q1和Q19的导通。U6同时控制Q52按一定频率导通截止，通过 L1和后级电容（C1、C2、C3、EC1）升压给电池充电，Q51保持截止，并联Q52的二极管D1为Q52关闭时电感输出提供回路。

参看图4示出的输出模块电路图，所述输出模块包括USB插口、连接USB插口的输出电源线、串接在输出电源线中的第八MOS管Q8、以及连接USB插口的负载检测模块，所述负载检测模块检测插接在USB插口上的负载类型，并将负载类型传输给所述控制器，控制器根据负载类型控制升降压模块向负载供电。参看图4，输出电源线连接USB插口的VCC管脚，控制器管脚PC2控制Q11导通时Q8导通，输出电源线导通。负载检测模块连接USB插口的D+和D-管脚。负载检测模块主要包括识别芯片U4,在较佳实施例中其型号是FP6601Q是高通QuickCharge 3.0\/2.0（QC3.0，QC2.0）和华为海思快充（FCP）快速充电协议控制器。可自动识别充电负载类型，通过U6调整储能电路的输出电压，使之获得负载允许的安全最高充电电压，在保护负载的前提下节省充电时间。充电电压需要控制器U6控制升降压模块来实现，可以输出3种电压模式，即 5V\/9V\/12V。前文有详细记述，不再赘述。

参看图4示出的法拉超级电容的电路图，在较佳实施例中法拉超级电容有4个电容SC1、SC2、SC3、SC4串联而成，法拉超级电容容量大而耐压小，为驱动点火需要串联使用。

参看图4示出较佳实施例，所述输出电源线在连接所述升降压模块的端部还连接第一滤波电容组，所述第一滤波电容组包括并联的第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9和第十电容C10。第一滤波电容组有滤波稳定电压的作用，也有与升降压模块配合在DC-DC变换时起升降压的作用。

参看图3示出较佳实施例，所述正极导线连接所述升降压模块的端部还连接第二滤波电容组，所述第二滤波电容组包括并联的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，以及电解电容EC1。第二滤波电容组有滤波稳定电压的作用，也有与升降压模块配合在DC-DC变换时起升降压的作用。

图5示出的是较佳实施例中控制模块的电路图。LED灯LED3、LED4、LED5、LED2，可以显示电池电量25%、50%、75%、100%。图2中串联的电阻R6、MOS管Q7和电阻R20构成一个电池电量检测电路，当U6通过管脚PD0控制Q7导通时开始检测电池电量；在U6待机时，Q7截止，电池电量检测电路停止工作，以节省电能。图5中按钮K1，按下时可以唤醒待机U6，起唤醒控制。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

设计图

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