專利名稱：一種基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置。
背景技術(shù)：
供電電壓跌落被定義為幅值降至正常供電電壓10%_90%，持續(xù)時(shí)間為0. 5到30周波，但不超過1秒的暫態(tài)電壓質(zhì)量問題。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各種敏感性用電設(shè)備的使用越來越廣泛，對供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量的要求越來越高，幾個(gè)周期的電壓跌落可能將會(huì)對這些設(shè)備的正常運(yùn)行造成很大的影響，甚至造成無法挽回的損失。因此，電壓跌落問題越來越受到國內(nèi)外廣大科研工作者和用戶的普遍關(guān)注。在發(fā)生供電電壓跌落時(shí)，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)的供電電源僅依靠整流橋輸出端并聯(lián)的直流電容存儲(chǔ)的能量來維持輸出直流電壓，但該直流電容所能提供的能量很小，使得臺(tái)式計(jì)算機(jī)的抗電壓跌落能力較差。研究表明，一旦交流系統(tǒng)電壓有效值跌落至120V (正常時(shí)為220V)，持續(xù)時(shí)間僅5個(gè)周波，計(jì)算機(jī)供電電源各路直流輸出電壓均將降至0，使得臺(tái)式計(jì)算機(jī)停止運(yùn)行，用戶無法及時(shí)保存當(dāng)前工作內(nèi)容，損失重大甚至無法挽回。目前也有采用不間斷電源(UPS)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)等技術(shù)手段來提高計(jì)算機(jī)的抗電壓跌落能力，取得了較好的效果，但這些技術(shù)手段普通存在的問題是1)價(jià)格昂貴。這些技術(shù)普通采用蓄電池等作為能量存儲(chǔ)設(shè)備，而大容量高性能的蓄電池等設(shè)備的價(jià)格昂貴。2)不環(huán)保。這些技術(shù)手段的儲(chǔ)能設(shè)備中大量采用的鉛、鎘等重金屬材料，一方面對使用人員的健康造成威脅，也給環(huán)境造成了重大污染。3)使用壽命短。這些技術(shù)所采用的儲(chǔ)能設(shè)備充放電次數(shù)極為有限，使用壽命短，需要經(jīng)常維護(hù)更換。4)體積大，占地面積大。 這些技術(shù)手段所采用的電力電子補(bǔ)償裝置及儲(chǔ)能裝置的體積較大，同時(shí)還需配備諸如散熱冷卻輔助設(shè)備，造成占地面積較大。因此，對于個(gè)人應(yīng)用的臺(tái)式計(jì)算機(jī)而言，這些技術(shù)手段性價(jià)比較差而不適用。超級電容器(Super Capacitor)是近年來出現(xiàn)的一種新型的儲(chǔ)能器件，其具有如下優(yōu)點(diǎn)1)功率密度大。超級電容器的功率密度可以達(dá)到鉛酸蓄電池的20倍，適合大功率輸入和輸出。2)充放電時(shí)間短。其充放電時(shí)間常數(shù)很小，充放電的速度可以很快，能夠在幾分鐘甚至幾十秒之內(nèi)完成快速充放電。3)能量損耗小。超級電容器的在充放電過程中能量損耗很小，充放電效率很高。它的充放電效率不低于90%。而蓄電池的效率則只有70%-85%。 4)使用壽命長。由于超級電容器的充放電過程只發(fā)生物理變化，它的充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到五十萬次以上，壽命幾乎可以被認(rèn)為是無限的。5)不污染環(huán)境。超級電容器的電極材料不含鉛、鎘等重金屬材料，不會(huì)對使用人員的健康造成威脅，也不會(huì)污染環(huán)境。而且超級電容器工作中沒有運(yùn)動(dòng)部件，在使用過程中不會(huì)帶來噪聲污染，幾乎不需要維護(hù)工作，非常安全可靠。6)使用靈活。超級電容器可以任意串并聯(lián)使用。若想增加電容量，可以任意并聯(lián)使用；若想提高電壓等級，可以串聯(lián)使用，只需采用相應(yīng)均壓措施。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，超級電容器的價(jià)格也不斷降低，應(yīng)用的范圍也越來越廣，主要包括1)汽車領(lǐng)域。它可作為電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力源，也可與蓄電池、燃料電池等設(shè)備混合使用，作為混合動(dòng)力汽車的輔助電源。2)軍事領(lǐng)域。超級電容器可以和高能量密度的電池組成“致密性超高功率脈沖電源”。在溫度很低的惡劣環(huán)境下，蓄電池等電源不能正常工作，超級電容器可作為低溫啟動(dòng)電源，給軍用車輛提供動(dòng)力。3)工業(yè)領(lǐng)域。超級電容器可以作為后備電源用在UPS等應(yīng)急保障系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的可靠性，并且可以節(jié)約成本， 減小占用空間。4)電力系統(tǒng)領(lǐng)域。超級電容器可作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。分布式發(fā)電設(shè)備的輸出功率不可預(yù)測，很不穩(wěn)定，超級電容器可以發(fā)揮它的極高的儲(chǔ)能效率、極大的功率密度、極長的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能。超級電容器還可以用于電網(wǎng)的“移峰填谷”。 5)電能質(zhì)量領(lǐng)域。當(dāng)電網(wǎng)或配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落等電能質(zhì)量問題時(shí)，超級電容器可以通過逆變器及時(shí)輸出補(bǔ)償功率，以保證敏感用電設(shè)備的正常工作。因此，采用超級電容器作為儲(chǔ)能裝置，并配備相應(yīng)的充放電電路，設(shè)計(jì)新型的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，則能充分利用超級電容器的優(yōu)點(diǎn)，一方面能提高臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源的抗電壓跌落能力，避免電壓跌落對臺(tái)式計(jì)算機(jī)正常使用造成的影響。另一方面能完全消除對環(huán)境的污染。如何基于超級電容器實(shí)現(xiàn)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，則是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種臺(tái)式計(jì)算機(jī)的供電電源裝置，解決目前臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源抗電壓跌落能力差的問題，避免傳統(tǒng)電壓跌落治理措施中需要常規(guī)蓄電池而對環(huán)境造成的污染。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，包括輸入為交流220V低壓供電的常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的 +5V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+5V負(fù)載，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+12V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+12V負(fù)載、常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的-12V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的-12V負(fù)載，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+3. 3V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+3. 3V負(fù)載；設(shè)置+5V超級電容器及其充放電模塊、+12V超級電容器及其充放電模塊、-12V超級電容器及其充放電模塊和+3. 3V超級電容器及其充放電模塊；+5V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+5V輸出端，+12V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+12V輸出端，-12V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的-12V輸出端，+3. 3V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+3. 3V輸出端；
所述+5V超級電容器及其充放電模塊、+12V超級電容器及其充放電模塊、-12V超級電容器及其充放電模塊和+3. 3V超級電容器及其充放電模塊分別包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的相應(yīng)輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的相應(yīng)輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接。而且，所述充放電電路采用雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置充分利用了超級電容器充放電快、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，能在交流系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)迅速提供足夠的電能，以維持臺(tái)式計(jì)算機(jī)直流輸出電壓的穩(wěn)定，極大提高了臺(tái)式計(jì)算機(jī)的抗電壓跌落能力；充分利用了超級電容器無污染、充放電次數(shù)不受限的優(yōu)點(diǎn)，完全避免了常規(guī)儲(chǔ)能技術(shù)給環(huán)境造成的污染， 綠色環(huán)保；同時(shí)在各直流輸出電壓端分別并聯(lián)了結(jié)構(gòu)和控制原理相同的超級電容器及其充放電控制模塊，既能方便地實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有常規(guī)計(jì)算機(jī)供電電源的改造，也能方便地構(gòu)成集成一體化的新型臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源，結(jié)構(gòu)簡單而易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有極強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的市場推廣前景。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖3是本發(fā)明實(shí)施例的測量控制模塊的充電控制方法原理框圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的測量控制模塊的放電控制方法原理框圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的超級電容器充電過程中端電壓波形圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的電壓跌落時(shí)+12V直流電壓波形圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案。如圖1所示，實(shí)施例所提供的基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，包括輸入為交流220V低壓供電的常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+12V、-12V、+5V和+3.3V輸出端分別與相應(yīng)的計(jì)算機(jī)負(fù)載電連接。具體來說，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+5V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+5V負(fù)載3，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+12V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+12V負(fù)載5、常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1 的-12V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的-12V負(fù)載7，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+3. 3V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+3. 3V負(fù)載9。實(shí)施例還設(shè)置了 +5V超級電容器及其充放電模塊2、 +12V超級電容器及其充放電模塊4、-12V超級電容器及其充放電模塊6和+3. 3V超級電容器及其充放電模塊8。由低壓交流供電系統(tǒng)0提供交流220V低壓輸入到常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1。低壓交流供電系統(tǒng)0的交流電能通過常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1轉(zhuǎn)換為直流電能，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1可輸出+5V、+12V、-12V和+3. 3V電壓，并分別向臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+5V負(fù)載3、+12V負(fù)載5、-12V負(fù)載7和+3. 3V負(fù)載9供電。+5V超級電容器及其充放電控制模塊2，+12V超級電容器及其充放電控制模塊4，-12V超級電容器及其充放電控制模塊6和+3. 3V超級電容器及其充放電控制模塊8分別并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+5V、+12V、-12V和+3. 3V輸出端。具體來說，+5V超級電容器及其充放電模塊 2并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+5V輸出端，+12V超級電容器及其充放電模塊 4并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+12V輸出端，-12V超級電容器及其充放電模塊 6并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的-12V輸出端，+3. 3V超級電容器及其充放電模塊8并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+3. 3V輸出端。當(dāng)?shù)蛪航涣鞴╇娤到y(tǒng)0的電壓正常時(shí)，各超級電容及其充放電模塊2、4、6、8通過相應(yīng)直流輸出端充電，存儲(chǔ)電能；當(dāng)?shù)蛪航涣鞴╇娤到y(tǒng)0的電壓發(fā)生跌落時(shí)，各超級電容及其充放電模塊2、4、6、8釋放電能，維持相應(yīng)直流輸出端的電壓穩(wěn)定。所述+5V超級電容器及其充放電模塊2、+12V超級電容器及其充放電模塊4、_12V 超級電容器及其充放電模塊6和+3. 3V超級電容器及其充放電模塊8的結(jié)構(gòu)類似，均包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的相應(yīng)輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的相應(yīng)輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接。具體來說，+5V超級電容器及其充放電模塊2包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+5V輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+5V輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接；+12V超級電容器及其充放電模塊4包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的 +12V輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+12V輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接；-12V超級電容器及其充放電模塊6包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的-12V輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的-12V輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接；+3. 3V超級電容器及其充放電模塊8包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+3. 3V輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+3. 3V輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接。本發(fā)明實(shí)施例的工作原理是當(dāng)交流系統(tǒng)供電電壓正常時(shí)，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的各直流電壓輸出端直流電壓可保持在要求范圍內(nèi)，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)負(fù)載3、5、7、 9通過常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的各直流電壓輸出端供電。各超級電容器及其充放電模塊2、4、6、8中的測量控制電路控制相應(yīng)的充放電電路，由各直流電壓端向超級電容器充電，進(jìn)行電能存儲(chǔ)，當(dāng)各超級電容器的電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后將停止充電。當(dāng)交流系統(tǒng)供電電壓發(fā)生電壓跌落時(shí)，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的各直流電壓輸出端電壓將出現(xiàn)下降，各超級電容器及其充放電模塊2、4、6、8中的測量控制電路檢測到該電壓變化后，控制充放電電路使得超級電容放電，此時(shí)各超級電容器與常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的各直流電壓輸出端一起向相應(yīng)的計(jì)算機(jī)負(fù)載3、5、7、9提供電能，以維持相應(yīng)的直流電壓穩(wěn)定，避免直流電壓下降超出要求范圍。結(jié)合附圖2簡要說明常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的工作原理。常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊主要包括一次整流電路11、開關(guān)電路12、開關(guān)電路控制電路Pll、+5V 二次整流電路16、+12V 二次整流電路15、-12V 二次整流電路14和+3. 3V 二次整流電路13。交流系統(tǒng)的交流電通過一次整流電路11中的整流橋Zll轉(zhuǎn)換為直流，并通過并聯(lián)電容器Cll 轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)很小的直流電，送至開關(guān)電路12。開關(guān)電路12中的開關(guān)電路控制電路Pll對 +5V輸出端的直流電壓進(jìn)行測量，并與標(biāo)準(zhǔn)電壓(+5V)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制開關(guān)管 Kll的開通和關(guān)斷。開關(guān)電路12中的變壓器Tll為多副邊繞組變壓器，可同時(shí)輸出+5V、 +12V、-12V和+3. 3V電壓，各副邊輸出的電壓通過+5V 二次整流電路16、+12V 二次整流電路15、-12V 二次整流電路14和+3. 3V 二次整流電路13即可得到相應(yīng)所需要的直流電壓。 常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源的設(shè)計(jì)和控制已是成熟通用的技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例采用該技術(shù)， 不涉及對其的任何改進(jìn)。
結(jié)合附圖2說明本發(fā)明實(shí)施例所采用的超級電容器及其充放電模塊的工作原理。 在常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的+5V輸出端、+12V輸出端、-12V輸出端和+3. 3V輸出端(分別以仏5、仏12、仏12和U+xz電壓所在的位置標(biāo)識)分別并聯(lián)有+5V超級電容器及其充放電控制模塊2，+12V超級電容器及其充放電控制模塊4，-12V超級電容器及其充放電控制模塊6和+3. 3V超級電容器及其充放電控制模塊8。由于上述各模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制方法完全相同，僅控制目標(biāo)(需穩(wěn)定的電壓)數(shù)值不同，因此以下以實(shí)施例的+5V超級電容器及其充放電控制模塊2為例進(jìn)行說明。+5V超級電容器及其充放電控制模塊2中包括有超級電容器22、充放電電路21和測量控制電路P21。超級電容器22使用電阻R21和理想電容器C21串聯(lián)模型，電阻R21代表其內(nèi)阻。充放電電路21采用雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)，包括了開關(guān)管K21和K22，續(xù)流二極管D211和D212，以及電感L21。測量控制電路P21可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)軟件技術(shù)控制開關(guān)管K21和K22的開關(guān)狀態(tài)，從而提供放電控制方法和放電控制方法。雙向 DC-DC變換器的工作模式已有很多文獻(xiàn)資料進(jìn)行了介紹，結(jié)合附圖2簡要說明如下
當(dāng)超級電容器22充電時(shí)，開關(guān)管K21以一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)管K22恒關(guān)斷，開關(guān)管 K21和續(xù)流二極管D212構(gòu)成降壓斬波電路(Buck電路)。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)管K21 導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)由+5V電壓“ + ”端、開關(guān)管K21、電感L21、超級電容器22和+5V電壓“-”端構(gòu)成的回路流通，此時(shí)電能從+5V電壓端流向超級電容器22，同時(shí)電感L21儲(chǔ)存部分能量； 當(dāng)開關(guān)管K21關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)由電感L21、超級電容器22和續(xù)流二極管D212構(gòu)成的回路流通，由電感L21儲(chǔ)存的電能繼續(xù)向超級電容器22充電。當(dāng)超級電容器22放電時(shí)，開關(guān)管K22以一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)管K21恒關(guān)斷，開關(guān)管K22和續(xù)流二極管D211構(gòu)成升壓斬波電路(Boost電路)。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)管K22導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)由超級電容器22、電感L21和開關(guān)管K22構(gòu)成的回路流通，超級電容器釋放電能并存儲(chǔ)于電感L21中。當(dāng)開關(guān)管K22關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)由+5V電壓“_”端，超級電容器22、電感L21、續(xù)流二極管D211和+5V電壓“ + ”端構(gòu)成的回路流通，此時(shí)電感L21中儲(chǔ)存的電能流向+5V電壓端。當(dāng)超級電容器22不進(jìn)行放電和充電時(shí)，開關(guān)管K22和開關(guān)管K21均保持關(guān)斷，超級電容器22處于備用保持狀態(tài)。結(jié)合附圖3，并以+5V超級電容器及其充放電控制模塊2為例來說明各超級電容器及其充放電模塊2、4、6、8中測量控制電路所采用的充電控制方法。超級電容器充電時(shí)，采用了電流型PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制方式。測量控制電路P21求得超級電容器22充電的參考電壓υ (Λ和測得的超級電容器22兩端的實(shí)際電壓Usc的電壓差值，將該電壓差值通過 PI (比例積分)控制環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)，計(jì)算得到超級電容器22充電電流的參考值Zrrf,并計(jì)算與測得的超級電容器22的充電電流實(shí)際值Jsc的差值，再通過PI控制環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)， 將計(jì)算所得電流差值與三角波送至PWM發(fā)生環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，得到充電過程中開關(guān)Κ21的控制脈沖S21。在充電過程中開關(guān)Κ22的控制脈沖S22保持為低電平，即使得開關(guān)Κ22恒關(guān)斷。在上述過程中，參考電壓值υ (Λ可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體實(shí)施時(shí)所選用的超級電容器的具體參數(shù)進(jìn)行選取。而PI控制環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)以及根據(jù)三角載波進(jìn)行PWM比較生成控制脈沖的方法已是成熟通用的技術(shù)。結(jié)合附圖4，并以+5V超級電容器及其充放電控制模塊2為例來說明各超級電容器及其充放電模塊2、4、6、8中測量控制電路所采用的放電控制方法。超級電容器放電時(shí)， 采用了電壓型PWM控制方式。測量控制電路P21求得參考電壓Vrere和測得的+5V電壓輸出端兩端的電壓^5的差值，將該差值通過PI控制環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)，將計(jì)算所得值與三角波送至PWM發(fā)生環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，得到控制脈沖S221。由于超級電容器要求其兩端電壓不能低于所要求的最低值，放電時(shí)還加入了閉鎖環(huán)節(jié)。即計(jì)算測得的超級電容器22兩端的電壓Vsc 與該超級電容器允許工作電壓下限值仏。w的差值，如該差值大于0，則通過過零比較環(huán)節(jié)后得到高電平，使得與門(&)打開，開關(guān)K22的控制脈沖S22即為脈沖S221 ；若該差值小于0， 則通過過零比較環(huán)節(jié)后得到低電平，使得與門關(guān)閉，則開關(guān)K22的控制脈沖S22保持為低電平，使得開關(guān)K22保持關(guān)斷。在放電過程中，開關(guān)K21的控制脈沖S21保持為低電平，即使得開關(guān)K21恒關(guān)斷。在上述過程中，參考電壓值^eftl即為+5V (其它各超級電容及其充放電模塊4、6和8中的參考值即分別選取為+12V、-12V和+3. 3V)，而最低工作電壓^。w可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)所選用的超級電容器的具體參數(shù)進(jìn)行選取。而PI控制環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)以及根據(jù)三角載波進(jìn)行PWM比較生成控制脈沖的方法已是成熟通用的技術(shù)。為便于實(shí)施參考起見，以下以實(shí)施例的+12V超級電容器及其充放電模塊4中超級電容器的選取為例來說明超級電容器的選取方法。設(shè)某常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源+12V直流輸出的額定電流為17A，則維持+12V負(fù)載正常工作1秒鐘所需最大能量為
\W = YL^tIA = IMJ 選用某公司生產(chǎn)的150F超級電容器，內(nèi)阻為1 Im Ω，直徑為30mm，高度為40mm，重量為 45g，其工作電壓范圍為2 2. 7V，則最大可釋放的能量JT為
E-OJ5 ^c^0x(2_73 -23) = 24675·/
因此，即使系統(tǒng)電壓暫降到0V，該超級電容器也可維持電壓穩(wěn)定在12V大約 246. 75/204=1. 2s。而該超級電容器的等效串聯(lián)電阻為ΙΙπιΩ，消耗的能量可忽略不計(jì)。通過上述方法選擇所需的超級電容器后，在上述充電控制方法中，超級電容器充電的參考電壓值υ (Λ即可選取為超級電容器工作電壓范圍內(nèi)的某個(gè)值，如上述+12V超級電容器及其充放電模塊中充電電壓參考值可選取為2. 7V。而在上述放電控制方法中，超級電容器放電的最低工作電壓V1ot即可選取為超級電容器工作電壓范圍內(nèi)的最低值，如上述+12V超級電容器及其充放電模塊4中放電時(shí)最低工作電壓i/lOT可選取為2V。附圖5為采用上述充電控制方法時(shí)，+12V超級電容器及其充放電控制模塊4中超級電容器兩端的電壓波形圖，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(t)，單位為秒(s)，縱坐標(biāo)為電壓(U)，單位為伏(V)。此時(shí)超級電容器充電參考電壓選取為2. 7V?？梢钥吹?，經(jīng)過約31秒后超級電容器兩端測得的實(shí)際電壓達(dá)到2. 7V并保持穩(wěn)定。附圖6為交流系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落，采用上述放電控制方法時(shí)+12V直流輸出端電壓波形，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(t)，單位為秒(s)，縱坐標(biāo)為電壓(U)，單位為伏(V)?？梢钥吹?，系統(tǒng)電壓有效值出現(xiàn)了明顯的電壓跌落過程，最低電壓跌至100V，持續(xù)時(shí)間超過Is。此時(shí)常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊1的輸出直流電壓+12V電壓已經(jīng)降為0V，而采用本發(fā)明的基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置后，+12V輸出端電壓一直保持+12V恒定(附圖6中的輸入交流電壓有效值)，說明計(jì)算機(jī)的抗電壓干擾能力大大提高。因此，本發(fā)明的基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置充分利用了超級電容器充放電快、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，能在交流系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)迅速提供足夠的電能，以維持臺(tái)式計(jì)算機(jī)直流輸出電壓的穩(wěn)定，極大提高了臺(tái)式計(jì)算機(jī)的抗電壓跌落能力；充分利用了超級電容器無污染、充放電次數(shù)不受限的優(yōu)點(diǎn)，完全避免了常規(guī)儲(chǔ)能技術(shù)給環(huán)境造成的污染，綠色環(huán)保；同時(shí)在各直流輸出電壓端分別并聯(lián)了結(jié)構(gòu)和控制原理相同的超級電容器及其充放電控制模塊，既能方便地實(shí)行對現(xiàn)有常規(guī)計(jì)算機(jī)供電電源的改造，也能方便地構(gòu)成集成一體化的新型臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源。結(jié)構(gòu)簡單而易于實(shí)行。本發(fā)明具有極強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的市場推廣前景。 以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型。例如當(dāng)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊可輸出+5V、+12V、-12V和+3. 3V以外數(shù)值的電壓時(shí)，基于同樣原理可以提供相應(yīng)超級電容器及其充放電模塊。因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇之內(nèi)，應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，包括輸入為交流220V低壓供電的常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+5V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+5V負(fù)載，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+12V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+12V負(fù)載、常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的-12V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的-12V負(fù)載，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+3. 3V輸出端連接臺(tái)式計(jì)算機(jī)的+3. 3V負(fù)載，其特征在于設(shè)置+5V超級電容器及其充放電模塊、+12V超級電容器及其充放電模塊、-12V超級電容器及其充放電模塊和+3. 3V超級電容器及其充放電模塊；+5V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+5V輸出端，+12V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+12V輸出端，-12V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的-12V輸出端，+3. 3V超級電容器及其充放電模塊并聯(lián)于常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的+3. 3V輸出端；所述+5V超級電容器及其充放電模塊、+12V超級電容器及其充放電模塊、-12V超級電容器及其充放電模塊和+3. 3V超級電容器及其充放電模塊分別包括超級電容器、充放電電路和測量控制電路，超級電容器、充放電電路和常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的相應(yīng)輸出端依次電連接，常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源模塊的相應(yīng)輸出端、測量控制電路和充放電電路依次電連接。
2.如權(quán)利要求1所述基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，其特征在于所述充放電電路采用雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置，用于串聯(lián)在低壓交流供電系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)負(fù)載之間。它在常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源的基礎(chǔ)上，在各直流電壓輸出端并聯(lián)超級電容器及其充放電電路模塊。當(dāng)交流供電系統(tǒng)供電電壓正常時(shí)，各充放電電路對相應(yīng)超級電容器充電，將電能進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)交流供電系統(tǒng)供電電壓發(fā)生跌落時(shí)，相應(yīng)超級電容器通過各充放電電路釋放電能，維持各直流輸出端的電壓恒定。該基于超級電容器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)供電電源裝置能極大提高臺(tái)式計(jì)算機(jī)的抗電壓跌落能力，避免電壓跌落引起臺(tái)式計(jì)算機(jī)停止工作而造成的損失；利用超級電容器作為儲(chǔ)能裝置能克服傳統(tǒng)儲(chǔ)能手段造成的環(huán)境污染問題；同時(shí)該裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號G06F1/26GK102253705SQ20111023533
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者樂健, 劉劍, 劉開培, 王佩, 譚甜源 申請人:武漢大學(xué)