[0001] 本发明涉及电气技术领域，具体涉及一种包含电池和超级电容的电源系统。

[0002] 在当前的电气技术领域，应用最为广泛的是铅酸电池和锂离子电池。铅酸电池虽对充放电条件不敏感，且具有大电流输出特性，但能量密度低、使用寿命短，一般1至3年必须更换。更为严重的是，铅酸电池含有极高含量的重金属铅，可造成严重生态灾难。而锂离子电池有能量密度高和无记忆效应等优点，但锂离子电池对充放电条件非常敏感，不适合于非稳态充放电条件。特别是在大电流充放电时，发热量较大，且极易在电芯内部造成不可逆的锂偏析，对电池性能造成不可逆负面影响的同时也缩短了电池使用寿命。严重时，偏析的锂枝晶会刺破电池内部的隔膜，造成电池内部短路引起燃烧和爆炸。另外，大容量纯电容系统具有一定的带电量后虽具备大电流放电的性能，但其能量密度低，不具备持续稳定电能输出性能，也就是不可作为电池使用。

[0003] 在现有技术中，还有将电池和超级电容结合起来的方案，如专利CN206884939U将电池和超级电容直接并联，使电池作为超级电容的充电装置，但未解决电池和超级电容工作时的兼容问题。如在超级电容组大电流放电时，电池的分流作用，使得电池与超级电容组成的电池系统内部出现自充电，明显降低电池系统大电流输出的效果。同时，分流至电池的大电流作为电池的充电电流，会显著降低电池使用寿命，甚至引起燃烧爆炸。又如专利CN205489678U中，电池与大功率二极管串联后再与超级电容并联。但作为汽车电源电池无法充电补能，且二极管的单向导通性虽避免了电池系统自充电的问题，但是大功率二极管的分压作用会降低有效输出电压，不仅降低超级电容的输出性能，产生的热量对电源系统也是重要危险源。

[0004] 因此，亟待提供一种技术方案，兼容电池和超级电容的充放电特性，使得电源既能持续输出稳定电流，又能进行大电流输出，并且使电源充放电均在安全稳定的条件下进行，延长电源的使用寿命。

[0032] 下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明的保护范围。

[0033] 在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。

[0034] 为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施例。

[0035] 实施例一

[0036] 本发明的第一实施例提供的电源系统1如图1所示，具体包括：整流系统11，与外部电源2连接，外部电源2输入到电源系统1中的电流首先经过整流系统11，实现由交流/不合适的直流电到所需的直流电的变换；电池充电系统12，与整流系统11连接，为电池组13充电；电池组13由若干个电池131电连接组成，电池组13分别与电池充电系统12的输出端和电池放电系统14的输入端连接，即电池组13的充放电系统为分开的两个独立系统；电池放电系统14，与电池组13连接，电池放电系统14中的电流由电池组13流入，向超级电容组15流出，电池放电系统14中的电流流向是不可逆的；超级电容组15，由若干个超级电容151电连接组成，超级电容组15与电池放电系统14的输出端连接；并且电池放电系统14的输出端和超级电容组15均与外部负载3连接，电池放电系统14连接的电池组13和超级电容组15均可为外部负载3供电。

[0037] 通过上述结构，本发明的第一实施例提供的电源系统1将充放电系统分开，在整流系统11和电池充电系统12的共同作用下，电池组13采用的是直流充电的方式进行充电。电池组13通过电池放电系统14对超级电容组15进行充电，使得超级电容组15随时处于对外工作的系统最佳状态，能够随时进行大电流输出，并且因为电池放电系统14只能进行单向放电，超级电容组15在进行大电流输出时不会对电池组13进行系统内自充电，也可避免大电流充电对电池组13造成损伤。电源系统1的输出端和超级电容组15均与外部负载3连接，使得电源系统1既能持续输出稳定电流，又能进行脉冲大电流输出。

[0038] 参考图2，在本实施例中，电池组13由m*n(m≥1，n≥1)个电池131串并联组成。电池131的串联能够增大输出的电压，电池131的并联能够增大电池组13的容量和输出的电流。
通过m*n个电池131的串并联能够方便地控制电池组13的电压值、容量和输出能力等。在本实施例中串并联的电池131的规格容量均是一致的，由此能够进一步地保证每个电池131在电池组13中工作状态均衡稳定。另外，在实际应用中，电池131的电气连接方式和各个电池
131的规格容量是多样的，并不限于图中结构，可以根据外部电源2和外部负载3的电气规格进行设计。

[0039] 参考图3，在本实施例中，超级电容组15由p*q(p≥1，q≥1)个超级电容151串并联组成。超级电容151的串联能够提高超级电容组15的耐压值，即超级电容15电极之间能够承受的电压的最大值；超级电容151的并联能够提高超级电容组15的电容量。通过p*q个超级电容151串并联能够方便地控制超级电容组15的耐压值和电容量，并进一步地控制超级电容组15的充放电电压值和电流值。与单一大电容相比，多超级电容151串并联的结构有效地分散了充放电时产生的热量。并且在本实施例中串并联的超级电容151的规格容量均是一致的，由此能够进一步地保证每个超级电容151在超级电容组15中工作状态均衡稳定。另外，在实际应用中，超级电容151的电气连接方式和各个超级电容151的规格容量是多样的，并不限于图中结构。

[0040] 进一步地，在本实施例中的超级电容151不同于传统的化学电源，其储能过程并不发生化学反应，并且是可逆的，因此超级电容151可以反复充放电数十万次。此外，超级电容151还有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，能够在短时间内进行快速大电流充放电。

[0041] 实施例二

[0042] 本发明的第二实施例提供的电源系统1如图4所示，本实施例与本发明的第一实施例的不同之处在于电源系统1中增设了电池均衡保护系统16和电容均衡保护系统17。

[0043] 具体地，电池均衡保护系统16与电池组13并联。其中，电池均衡保护系统16实现对电池131保护的功能，是通过监测电池组13总体和电池131单体电压使其不超过安全范围。锂离子电池对充放电条件要求较高，当对电池组13进行充放电时，考虑到各个单体的不一致性，总体电压并不能反映每个单体的电压，因此需要采取均衡措施进一步来确保安全性和稳定性。电池均衡保护系统16中的均衡电路通常分为能量耗散型均衡电路和非能量耗散型均衡电路。其中，能量耗散型均衡电路通过在电池组13中的电池131两端并联分流电阻进行放电，从而实现电压均衡。能量耗散型均衡电路结构简单，成本较低，但并联分流电阻难免会造成电量消耗。非能量耗散型均衡电路通过电容、电感等储能元件，将电池组13中电量较高的电池131上的电量转移到电量较低的电池131上，从而实现电压均衡。非能量耗散型均衡电路能够较快地实现电压均衡，且不会产生过多的电量消耗，但电路结构复杂，成本较高。同样地，电池均衡保护系统16中的均衡电路也可以通过二极管、功率管等不同元件组合来实现，在此不再一一列举。

[0044] 具体地，电容均衡保护系统17与超级电容组15并联。同样地，电容均衡保护系统17对超级电容组15的保护功能，通过监测超级电容组15的总体电压和超级电容151使其不超过安全范围来实现。而随之而来的同样是，单个超级电容151的电压不可控进而使超级电容组15充放电状态不稳定的问题。电容均衡保护系统17的均衡电路仍可采用会产生一定电量损耗的并联分流电阻电路，更为优选地，可采用场效应管、运算放大器、MOSFET管等元件，将超级电容组15中电量较高的超级电容151上的电量转移到电量较低的超级电容151上，从而实现电压均衡。通过上述电容均衡保护系统17能够使经过每个超级电容151的电压值均处于限定的安全范围之内。

[0045] 参考图5，进一步地，电容均衡保护系统17还包含电容防过充模块171和电容防溃压模块172。电容防过充模块171能够在超级电容组15的电量饱和后停止对超级电容组15充电，防止持续充电使超级电容组15过载。在超级电容组15充电时，电容防过充模块171监测超级电容组15的监测值，当监测值达到预设的充电预警值时，使其停止充电。电容防过充模块171监测的监测值可以是超级电容组15的电压值、电流值、温度、与环境的温差、充电时间等中的一种或多种组合。另外，电容防过充模块171通过减低监测值的方式实现防止超级电容组15过充的功能，如检测到超级电容组15的电压值达到预设的充电预警值时，接入分压电路以降低超级电容组15的电压值。

[0046] 电压值过高会对超级电容组15的稳定充放电造成影响，同样地，放电时电压值过低引发的电压崩溃同样会对超级电容组15的性能产生损害，甚至会破坏与超级电容组15连接的外部负载3。电容防溃压模块172放电达到极限值时，停止超级电容组15对外放电，防止持续放电发生放电电压崩溃。在超级电容组15充电时，电容防溃压模块172监测超级电容组15的监测值，当监测值达到预设的放电截止值时，使其停止放电。电容防溃压模块172监测的监测值可以是超级电容组15的电压值、电流值、放电时间等中的一种或多种组合。

[0047] 优选地，在本发明的第二实施例中，如图6所示，电源系统1中的整流系统11包含整流模块111、限压模块112和充电限流模块113。整流模块111通过包含整流二极管的整流电路将外部电源2输入的交流电/不合适的直流电转化为所需的直流电。整流变换后，电流流入限压模块112和充电限流模块113，通过限压模块112中的限压电路和充电限流模块113的限流电路实现对整流系统11的直流输出电压值和电流值的控制。限压电路限制输出电压可以通过MOSFET管、限压芯片、DC‑DC限压电路等方法实现，限流电路限制输出电流能够通过二极管、三极管、PWM控制电路等方法实现。另外，在实际应用中，还可以将限压电路和限流电路集成到一起，即合并为限压限流模块。

[0048] 优选地，在本实施例中，如图7所示，电池充电系统12还包含电池防过充模块121。电池组13中的锂离子电池过度充电会使过多的锂离子嵌入锂离子电池的负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来，对锂离子电池本身的性能和寿命产生损伤。电池防过充模块121能够在电池组13的电量饱和后停止对电池组13充电，防止电池组13过充。电池防过充模块121的工作原理与上述电容防过充模块171基本相同，在此不再赘述。

[0049] 优选地，在本实施例中，如图8所示，电池放电系统14还包含放电限流模块141和电池防溃压模块142。放电限流模块141可以防止电池组13的放电电流过大，过大的电流导致电池131内部发热，还可以防止流入超级电容组15或外部负载3的电流过大，产生的热量过大而影响电路放电稳定性，其工作原理如上述充电限流模块113。锂离子电池过度放电会导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入，对锂离子电池造成永久性损伤。电池防溃压模块142能够防止放电时电压崩溃而对电池131产生损害，其工作原理如上述电容防溃压模块172。

[0050] 在本说明书通篇中对“实施例”的提及表示结合该实施例说明的特定的特征、结构、功能或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因而，说明书中多处出现的短语“在实施例中”不一定全都指代本发明同一实施例。而且，特定的特征、结构、功能或特性可以以任意适合的方式组合到一个或多个实施例中。例如，第一实施例可以与第二实施例组合，只要两个实施例不相互排斥。

[0051] 至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。