一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置

技术领域

本发明涉及超级电容和电源技术领域，更具体地，涉及一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置。

背景技术

现有电网终端设备(如站所终端、馈线终端、监测终端)的备用电源主要为锂离子电池或者铅酸电池，在服役中存在漏液、胀气和容量衰减快等现象，导致紧急情况下使用时失电或放电容量低，难以驱动电网终端设备进行分合闸、通讯上传和数据存储等动作，影响电网的安全稳定运行。同时，锂电池或者铅酸电池在上述失效模式下具有较高的安全隐患，所以，现有备用电源装置每隔2-3年需要不定期更换，这也会带来极高的维护成本；同时，锂离子电池或者铅酸电池污染大，不环保，备用电源装置因要与配置的充电电源相适应，锂离子电池、铅酸电池或者超级电容备用电源装置无法实现相互之间直接兼容替换；另外，锂离子电池、铅酸电池的电池功率密度低、安全低、可靠性低、工作温度范围窄，降低了现有电网终端设备的工作稳定性和安全性。

因此，研发一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置，是行业发展的迫切需要，并具有非常广阔的应用前景。

现有技术中公开了一种用于配网自动化的蓄电储能电路及装置，所述蓄电储能电路包括充电调控单元、限流电阻、超级电容组件及稳压单元；充电调控单元包括电压输入端、使能输入端及电压输出端，电压输入端用于接收输入电压，使能输入端用于接收使能调控信号，电压输出端经限流电阻与稳压单元的阴极端连接，用于在使能调控信号的控制下将接收到的输入电压传输给稳压单元；稳压单元的阳极端与超级电容组件的正极端连接，超级电容组件的负极端接地，用于通过稳压单元在输入电压的作用下对应的击穿电流对超级电容组件进行充电；尽管现有技术中的蓄电储能电路的成本消耗低，且能够利用反向击穿电流对超级电容进行充电，但其仍存在体积大、充电电流不确定、充电时间不能精确计算和操作不易的问题；另外，该现有技术无法做到对超级电容进行浮充管理。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的超级电容模组充电技术存在体积大、充电电流不确定、充电时间不能精确计算、无法进行浮充管理，以及寿命和稳定性较低的缺陷，提供一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置，能够为电网终端设备提供一种经济的、超长寿命的、高可靠性、稳定性的、完全免维护的超级电容备用电源装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置，包括：超级电容模组、充电管理模块、电源保护管理模块和均压管理模块；

所述超级电容模组包括若干组并联的超级电容电芯组，每组超级电容电芯组均包括若干个串联的超级电容单体电芯；

所述充电管理模块包括浮充管理单元、恒流二极管阵列和切换控制单元；

所述浮充管理单元的输入端与充电电源电连接，浮充管理单元的输出端与切换控制单元的输入端电连接，切换控制单元的输出端与超级电容模组的正极电连接，超级电容模组的负极接地；

所述恒流二极管阵列包括若干个并联的恒流二极管，所述恒流二极管阵列的正极与切换控制单元电连接，负极与超级电容模组的正极电连接；

所述电源保护管理模块的输入端与超级电容模组的正极电连接，电源保护管理模块的两个输出端分别作为所述超级电容备用电源装置的两个电极；

所述超级电容模组的正极还分别与浮充管理单元和切换控制单元电连接，用于分别对超级电容模组两端的电压进行采样；

所述均压管理模块包括与超级电容单体电芯数量相同的若干个均压管理电路，每个所述均压管理电路并联在对应的超级电容单体电芯两端。

优选地，所述超级电容模组中的超级电容单体电芯材料为活性炭和铝离子电解液。

优选地，所述浮充管理单元包括：NE555定时器芯片、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R16、电阻R23、电容C1、电容C2、NPN三极管Q3、PMOS管Q1、二极管D1和发光二极管LED1；

所述NE555定时器芯片的1号引脚接地；2号引脚分别与电阻R8和电阻R16的一端连接，电阻R8的另一端与超级电容模组1的正极连接，电阻R16的另一端接地；3号引脚分别与电阻R5、电阻R9和电阻R23的一端连接，电阻R5的另一端连接外部5V电源，电阻R9的另一端接地，电阻R23的另一端与NPN三极管Q3的基极连接；4号引脚与电阻R4连接，电阻R4的另一端连接外部5V电源；5号引脚与电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地；6号引脚分别与电阻R7和电阻R11的一端连接，电阻R7的另一端与超级电容模组的正极连接，电阻R11的另一端接地；7号引脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与8号引脚连接；8号引脚还分别与外部5V电源和电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；

所述NPN三极管Q3的发射极与发光二极管LED1的正极连接，发光二极管LED1的负极接地；NPN三极管Q3的集电极与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与电阻R1的一端和PMOS管Q1的栅极连接，电阻R1的另一端分别与PMOS管Q1的源极和二极管D1的负极连接，二极管D1的正极作为所述浮充管理单元的输入端与充电电源电连接；PMOS管Q1的漏极作为所述浮充管理单元的输出端与切换控制单元的输入端电连接。

优选地，所述切换控制单元包括：电压比较器、电阻R2、电阻R10、电阻R12、电阻R21、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R34、电容C5、电容C8、NPN三极管Q9、PNP三极管Q10、PMOS管Q2、发光二极管LED2和发光二极管LED3；

所述电压比较器的正输入端分别连接电阻R25和电阻R28的一端，电阻R25的另一端与所述超级电容模组1的正极电连接，电阻R28的另一端接地；电压比较器的负输入端分别连接电阻R24和电阻R27的一端，电阻R24的另一端连接外部5V电源，电阻R27的另一端接地；电压比较器的供电端分别连接外部5V电源和电容C5的一端，电容C5的另一端连接电压比较器的接地端；电压比较器的接地端接地；电压比较器的输出端分别连接电容C8、电阻R10、电阻R26和电阻R34的一端，电容C8和电阻R10的另一端接地，电阻R26的另一端与PNP三极管Q10的基极连接，电阻R34的另一端与NPN三极管Q9的基极连接；

所述PNP三极管Q10的集电极接地，PNP三极管Q10的发射极与发光二极管LED3的负极连接，发光二极管LED3的正极与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端连接外部5V电源；

所述NPN三极管Q9的发射极与发光二极管LED2的正极连接，发光二极管LED2的负极接地；NPN三极管Q9的集电极与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与PMOS管Q2和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别连接PMOS管Q1的漏极和PMOS管Q2的源极，PMOS管Q2的漏极与所述超级电容模组的正极电连接。

优选地，所述恒流二极管阵列的正极与PMOS管Q2的源极连接，恒流二极管阵列的负极与超级电容模组的正极连接。

优选地，所述电源保护管理模块包括：电阻R14、电阻R15、电阻R19、电阻R22、电容C3、PNP三极管Q4、PMOS管Q5、二极管D2、二极管D3和发光二极管LED4；

所述超级电容模组的正极分别与电阻R19的一端、电阻R14的一端、PNP三极管Q4的发射极和PMOS管Q5的源极连接；

所述PNP三极管Q4的基极分别与电阻R19的另一端、电容C3的一端和二极管D3的正极连接，电容C3的另一端接地；PNP三极管Q4的集电极分别与电阻R14的另一端、电阻R22的一端和PMOS管Q5的栅极连接，电阻R22的另一端接地；

所述二极管D3的负极与发光二极管LED4的正极连接，发光二极管LED4的负极与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端连接外部5V电源；

所述PMOS管Q5的漏极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极作为所述超级电容备用电源装置的正电极，电阻R22的另一端作为所述超级电容备用电源装置的负电极。

优选地，所述均压管理模块中的所有均压管理电路结构相同，每个均压管理电路均包括：LHCIA6010芯片、电容C4、电阻R13、电阻R17、电阻R18、电阻R20、电阻R32和NMOS管Q6；

所述LHCIA6010芯片的1号引脚分别与对应的超级电容单体电芯的正极、电阻R13、电阻R17和电阻R18的一端，超级电容单体电芯的负极接地；2号引脚接地；3号引脚与电阻R20的一端连接；4号引脚悬空；5号引脚分别与电阻R32的一端和NMOS管Q6的栅极连接；

所述电阻R13、电阻R17和电阻R18的另一端分别与NMOS管Q6的漏极连接；电阻R20的另一端分别与电容C4的一端和超级电容单体电芯的正极连接，电容C4的另一端接地；电阻R32的另一端和NMOS管Q6的源极均接地。

优选地，每个所述均压管理电路还包括电阻R33和发光二极管LED5，所述LHCIA6010芯片的4号引脚与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端与发光二极管LED5的正极连接，发光二极管LED5的负极接地。

优选地，所述NMOS管Q6的具体型号为NCE2302型MOS管。

优选地，所述恒流二极管阵列包括12个并联的恒流二极管，每个恒流二极管的输出电流范围均为10mA-50mA。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置，包括：超级电容模组、充电管理模块、电源保护管理模块和均压管理模块；所述超级电容模组包括若干组并联的超级电容电芯组，每组超级电容电芯组均包括若干个串联的超级电容单体电芯；所述充电管理模块包括浮充管理单元、恒流二极管阵列和切换控制单元；所述浮充管理单元的输入端与充电电源电连接，浮充管理单元输出端与切换控制单元的输入端电连接，切换控制单元的输出端与超级电容模组的正极电连接，超级电容模组的负极接地；所述恒流二极管阵列包括若干个并联的恒流二极管，所述恒流二极管阵列的正极与切换控制单元电连接，负极与超级电容模组的正极电连接；所述电源保护管理模块的输入端与超级电容模组的正极电连接，电源保护管理模块的两个输出端分别作为所述超级电容备用电源装置的两个电极；所述超级电容模组的正极还分别与浮充管理单元和切换控制单元电连接，用于分别对超级电容模组两端的电压进行采样；所述均压管理模块包括与超级电容单体电芯数量相同的若干个均压管理电路，每个所述均压管理电路并联在对应的超级电容单体电芯两端；

本发明通过为超级电容备用电源针对性地设计充电管理模块、电源保护管理模块和均压管理模块，能够为现有的电网终端设备(如站所终端、馈线终端、监测终端)提供一种超长寿命(10年以上)的、不需要定期更换的、经济的、高可靠性、高稳定性的、完全免维护的、显著提高电网安全稳定运行的、绿色环保的和可直接替换原有锂离子电池或者铅酸电池备用电源装置的超级电容备用电源装置；另外，本发明中选用的超级电容模组具备功率密度高、安全可靠性强、工作温度范围宽的优点，也能够显著提高现有电网终端设备的工作稳定性和安全性。

附图说明

图1为实施例1所提供的一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置结构图。

图2为实施例2所提供的充电管理模块2电路图。

图3为实施例2所提供的浮充管理单元21电路图。

图4为实施例2所提供的恒流二极管阵列22和切换控制单元23电路图。

图5为实施例2所提供的电源保护管理模块3电路图。

图6为实施例2所提供的均压管理模块4中的均压管理电路图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置，包括：超级电容模组1、充电管理模块2、电源保护管理模块3和均压管理模块4；

所述超级电容模组1包括若干组并联的超级电容电芯组，每组超级电容电芯组均包括若干个串联的超级电容单体电芯；

所述充电管理模块2包括浮充管理单元21、恒流二极管阵列22和切换控制单元23；

所述浮充管理单元21的输入端与充电电源电连接，浮充管理单元21的输出端与切换控制单元23的输入端电连接，切换控制单元23的输出端与超级电容模组1的正极电连接，超级电容模组1的负极接地；

所述恒流二极管阵列22包括若干个并联的恒流二极管，所述恒流二极管阵列22的正极与切换控制单元23电连接，负极与超级电容模组1的正极电连接；

所述电源保护管理模块3的输入端与超级电容模组1的正极电连接，电源保护管理模块3的两个输出端分别作为所述超级电容备用电源装置的两个电极；

所述超级电容模组1的正极还分别与浮充管理单元21和切换控制单元23电连接，用于分别对超级电容模组1两端的电压进行采样；

所述均压管理模块4包括与超级电容单体电芯数量相同的若干个均压管理电路，每个所述均压管理电路并联在对应的超级电容单体电芯两端。

在具体实施过程中，超级电容模组1是实现能量存储和释放能量供能的核心部分，在本实施例中，超级电容模组1由若干超级电容单体电芯串联形成若干组超级电容电芯组后，再并联构成；

本实施例中的超级电容模组1具备轻薄小巧、循环使用寿命长、高可靠性、高稳定性、完全免维护、工作温度范围宽、高安全性、绿色环保和功率密度高等优点；

充电管理模块2能够实现按设计的充电电流进行安全可控的充电，本实施例还设置了浮充管理单元21、恒流二极管阵列22和切换控制单元23，分别用来实现自动浮充管理、0V低电压充电和电流切换三种功能；

电源保护管理模块3用于实现输入防反接保护、输出过流/短路保护和输入过压/充电过压保护的功能；

均压管理模块4用于实现对每个超级电容单体电芯的过压保护和电压均衡保护的功能，模组里串联连接的每个单体电芯都配备有均压管理电路；

本发明通过为超级电容备用电源针对性地设计充电管理模块、电源保护管理模块和均压管理模块，能够为现有的电网终端设备(如站所终端、馈线终端、监测终端)提供一种超长寿命(10年以上)的、不需要定期更换的、经济的、高可靠性、高稳定性的、完全免维护的、显著提高电网安全稳定运行的、绿色环保的和可直接替换原有锂离子电池或者铅酸电池备用电源装置的超级电容备用电源装置；另外，本发明中选用的超级电容模组具备功率密度高、安全可靠性强、工作温度范围宽的优点，也能够显著提高现有电网终端设备的工作稳定性和安全性。

实施例2

本实施例提供一种用于电网终端设备的超级电容备用电源装置，包括：超级电容模组1、充电管理模块2、电源保护管理模块3和均压管理模块4；

所述超级电容模组1包括若干组并联的超级电容电芯组，每组超级电容电芯组均包括若干个串联的超级电容单体电芯；

如图2所示，所述充电管理模块2包括浮充管理单元21、恒流二极管阵列22和切换控制单元23；

所述浮充管理单元21的输入端与充电电源电连接，浮充管理单元21的输出端与切换控制单元23的输入端电连接，切换控制单元23的输出端与超级电容模组1的正极电连接，超级电容模组1的负极接地；

所述恒流二极管阵列22包括若干个并联的恒流二极管，所述恒流二极管阵列22的正极与切换控制单元23电连接，负极与超级电容模组1的正极电连接；

所述电源保护管理模块3的输入端与超级电容模组1的正极电连接，电源保护管理模块3的两个输出端分别作为所述超级电容备用电源装置的两个电极；

所述超级电容模组1的正极还分别与浮充管理单元21和切换控制单元23电连接，用于分别对超级电容模组1两端的电压进行采样；

所述均压管理模块4包括与超级电容单体电芯数量相同的若干个均压管理电路，每个所述均压管理电路并联在对应的超级电容单体电芯两端；

所述超级电容模组1中的超级电容单体电芯材料为活性炭和铝离子电解液；

如图3所示，所述浮充管理单元21包括：NE555定时器芯片、电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R16、电阻R23、电容C1、电容C2、NPN三极管Q3、PMOS管Q1、二极管D1和发光二极管LED1；

所述NE555定时器芯片的1号引脚接地；2号引脚分别与电阻R8和电阻R16的一端连接，电阻R8的另一端与超级电容模组1的正极连接，电阻R16的另一端接地；3号引脚分别与电阻R5、电阻R9和电阻R23的一端连接，电阻R5的另一端连接外部5V电源，电阻R9的另一端接地，电阻R23的另一端与NPN三极管Q3的基极连接；4号引脚与电阻R4连接，电阻R4的另一端连接外部5V电源；5号引脚与电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地；6号引脚分别与电阻R7和电阻R11的一端连接，电阻R7的另一端与超级电容模组1的正极连接，电阻R11的另一端接地；7号引脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与8号引脚连接；8号引脚还分别与外部5V电源和电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；

所述NPN三极管Q3的发射极与发光二极管LED1的正极连接，发光二极管LED1的负极接地；NPN三极管Q3的集电极与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与电阻R1的一端和PMOS管Q1的栅极连接，电阻R1的另一端分别与PMOS管Q1的源极和二极管D1的负极连接，二极管D1的正极作为所述浮充管理单元21的输入端与充电电源电连接；PMOS管Q1的漏极作为所述浮充管理单元21的输出端与切换控制单元23的输入端电连接；

如图4所示，所述切换控制单元23包括：电压比较器、电阻R2、电阻R10、电阻R12、电阻R21、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R34、电容C5、电容C8、NPN三极管Q9、PNP三极管Q10、PMOS管Q2、发光二极管LED2和发光二极管LED3；

所述电压比较器的正输入端分别连接电阻R25和电阻R28的一端，电阻R25的另一端与所述超级电容模组1的正极电连接，电阻R28的另一端接地；电压比较器的负输入端分别连接电阻R24和电阻R27的一端，电阻R24的另一端连接外部5V电源，电阻R27的另一端接地；电压比较器的供电端分别连接外部5V电源和电容C5的一端，电容C5的另一端连接电压比较器的接地端；电压比较器的接地端接地；电压比较器的输出端分别连接电容C8、电阻R10、电阻R26和电阻R34的一端，电容C8和电阻R10的另一端接地，电阻R26的另一端与PNP三极管Q10的基极连接，电阻R34的另一端与NPN三极管Q9的基极连接；

所述PNP三极管Q10的集电极接地，PNP三极管Q10的发射极与发光二极管LED3的负极连接，发光二极管LED3的正极与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端连接外部5V电源；

所述NPN三极管Q9的发射极与发光二极管LED2的正极连接，发光二极管LED2的负极接地；NPN三极管Q9的集电极与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与PMOS管Q2和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别连接PMOS管Q1的漏极和PMOS管Q2的源极，PMOS管Q2的漏极与所述超级电容模组1的正极电连接；

所述恒流二极管阵列22的正极与PMOS管Q2的源极连接，恒流二极管阵列22的负极与超级电容模组1的正极连接；

如图5所示，所述电源保护管理模块3包括：电阻R14、电阻R15、电阻R19、电阻R22、电容C3、PNP三极管Q4、PMOS管Q5、二极管D2、二极管D3和发光二极管LED4；

所述超级电容模组1的正极分别与电阻R19的一端、电阻R14的一端、PNP三极管Q4的发射极和PMOS管Q5的源极连接；

所述PNP三极管Q4的基极分别与电阻R19的另一端、电容C3的一端和二极管D3的正极连接，电容C3的另一端接地；PNP三极管Q4的集电极分别与电阻R14的另一端、电阻R22的一端和PMOS管Q5的栅极连接，电阻R22的另一端接地；

所述二极管D3的负极与发光二极管LED4的正极连接，发光二极管LED4的负极与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端连接外部5V电源；

所述PMOS管Q5的漏极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极作为所述超级电容备用电源装置的正电极，电阻R22的另一端作为所述超级电容备用电源装置的负电极；

如图6所示，所述均压管理模块4中的所有均压管理电路结构相同，每个均压管理电路均包括：LHCIA6010芯片、电容C4、电阻R13、电阻R17、电阻R18、电阻R20、电阻R32和NMOS管Q6；

所述LHCIA6010芯片的1号引脚分别与对应的超级电容单体电芯的正极、电阻R13、电阻R17和电阻R18的一端，超级电容单体电芯的负极接地；2号引脚接地；3号引脚与电阻R20的一端连接；5号引脚分别与电阻R32的一端和NMOS管Q6的栅极连接；

所述电阻R13、电阻R17和电阻R18的另一端分别与NMOS管Q6的漏极连接；电阻R20的另一端分别与电容C4的一端和超级电容单体电芯的正极连接，电容C4的另一端接地；电阻R32的另一端和NMOS管Q6的源极均接地；

每个所述均压管理电路还包括电阻R33和发光二极管LED5，所述LHCIA6010芯片的4号引脚与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端与发光二极管LED5的正极连接，发光二极管LED5的负极接地；

所述NMOS管Q6的具体型号为NCE2302型MOS管；

所述恒流二极管阵列22包括12个并联的恒流二极管，每个恒流二极管的输出电流范围均为10mA-50mA，在本实施例中，恒流二极管的型号为L-2227型恒流二极管。

在具体实施过程中，超级电容模组1是实现能量存储和释放能量供能的核心部分，在本实施例中，超级电容模组1由若干超级电容单体电芯串联形成若干组超级电容电芯组后，再并联构成；

本实施例中的超级电容模组1具备轻薄小巧、循环使用寿命长、高可靠性、高稳定性、完全免维护、工作温度范围宽、高安全性、绿色环保和功率密度高等优点，具体为：

1)轻薄小巧：超级电容单体电芯是使用了金属箔层压薄膜封装的软包型电容器，具有轻薄小巧的特点，通过若干个单体电芯的串联和并联组合成超级电容模组，使其能做到与锂离子电池或者铅酸电池备用电源外观和尺寸基本一致，便于直接替换原有备用电源装置，同时能确保替换为超级电容备用电源后容量大于或满足电网终端设备用电需求；

2)循环使用寿命长：超级电容是通过电解液内的离子在活性炭电极表面上吸附脱离，进行充放电；由于利用的是离子的吸附脱离这种物理现象老化少，所以充放电循环特性很优异，超级电容模组具备充放电循环寿命长，达到50万～100万次量级；

3)高可靠性、高稳定性和完全免维护：选用的超级电容主要材料是活性炭和铝离子电解液，这些物质按照没有化学反应的机理反复充放电，工作过程中没有运动部件，因此超级电容模组具备高可靠性、高稳定性和完全免维护的优点；

4)工作温度范围宽：超级电容模组工作温度是-40℃～+70℃，工作温度范围宽在寒冷和高温季节容量稳定和工作稳定；

5)高安全性和绿色环保：因为超级电容材料构成洁净和机理安全，超级电容在充满电的状态下用针刺、弯曲、加热，也不会有起火、冒烟的危险，超级电容模组具备高安全性。超级电容由绿色材料制成的具备无污染，绿色环保；

6)功率密度高：超级电容单体电芯是通过让浸泡在电解液中的活性炭电极表面吸附离子、形成双电层来积蓄电荷，没有电极表面的化学反应，可以急速充放电；所以超级电容具备极大静电容量及能量密度的蓄能电池，具有内阻低，功率密度高的特点；

充电管理模块2能够实现按设计的充电电流进行安全可控的充电，同时作为充电通路，本实施例还设置了浮充管理单元21、恒流二极管阵列22和切换控制单元23，分别用来实现自动浮充管理、0V低电压充电和电流切换三种功能；

1)自动浮充管理功能：在实际工作中备用电池长期处于自放电状态，而非工作状态，为了极大提高超级电容模组的循环寿命和性能，需要减少自放电引起的充电次数和时间，因此设计浮充管理单元21；在超级电容模组电压低于设定的浮充启动充电电压才启动充电，在超级电容模组电压高于或者等于设定的浮充停止充电电压就停止充电；浮充管理单元21的设计是利用555定时器芯片NE555和电阻分压检测电压来实现，设计TRIG引脚低于设定的浮充启动充电电压时，555定时器芯片控制MOS管Q1打开进行充电；充电让TRIG引脚高于设定的启动充电电压，此时THERS引脚低于设定的浮充停止充电电压，则继续充电；当充电THERS引脚高于设定的浮充停止充电电压时，555定时器芯片控制MOS管Q1关闭，则停止充电；电池进入缓慢的自放电状态，当电池自放电到TRIG引脚低于设定的浮充启动充电电压时，555定时器芯片控制MOS管Q1再次打开进行充电，以此循环；

在工作过程中，上电初始，超级电容电压CCV＝0，TRIG电压<(1/3V5.0)，Vout＝1，打开MOS管Q1，进行充电，当超级电容电压升高使得TRIG>(1/3V5.0)，但是THERS电压<(2/3V5.0)时，Vout保持高电平输出，当超级电容电压充电至THERS>(2/3V5.0)，Vout＝0，此时把MOS管Q1关掉，停止充电；经过模组的自放电，超级电容电压降到TRIG<(1/3V5.0)，Vout＝1，重新打开MOS管Q1进行充电，重复以上流程；这样的自动管理可以极大的延长模组的使用寿命和减少充电次数；(TRIG和THERS的电压值可以通过R7、R8、R11、R16设置具体数值)；

2)0V低电压充电功能：为了通用且能替换原有锂离子电池或者铅酸电池备用电源装置，就必须适应已有的充电电源；但是原充电电源对电池有低电压不充电保护，即充电电源先测量电池电压，如果电池电压低于最小允许充电电压则不进行充电；对于超级电容备用电源装置，电压会低于最小允许充电电压甚至是0V，所以需要设计0V低电压充电单元实现对超级电容充电；本实施例中创新性的使用恒流二极管阵列22实现使用原锂离子电池或者铅酸电池的充电电源为超级电容模组0V低电压时进行充电；恒流二极管阵列22提供恒定数值的直流电流输出，可以根据实际需求调整输出电流，单个恒流二极管电流范围为10mA-50mA，采用恒定电流输出方式；在本实施例中，统一使用单体25mA的恒流二极管，通过阵列组合方式根据实际应用场合设计主体的额定输出电流，计算恒流二极管的使用数量和阵列方式，本装置中设计的额定输出电流为300mA，需要12个恒流二极管并联；

3)电流切换功能：本装置中的切换控制单元23采用数字电压比较器，通过判断超级电容模组电压来切换充电电流；当超级电容模组电压达到设定的电压值，比较器打开MOS管Q2，进行大电流恒流充电；当超级电容模组电压小于设定的电压值，比较器关闭MOS管Q2，利用恒流二极管阵列22进行低电压小电流充电，从而实现既适配锂电池或铅酸电池的充电电源，亦可以适配其他恒压恒流充电电源；

电源保护管理模块3用于实现输入防反接保护、输出过流/短路保护和输入过压/充电过压保护的功能，同时作为放电通路；该模块采用分立器件组合，通过模拟和数字电路设计，把电源的输入防反接保护、输出过流/短路保护和输入过压/充电过压保护等保护巧妙的融合一起，在极简设计中一并实现，极大提高了电源的安全性和适用性；

输入防反接保护和输出过流/短路保护：该模块采用分立器件组合的模拟电路设计，当出现输入反接、输出过流或输出短路时利用PNP三极管Q4导通饱和压降去控制输出回路的PMOS管Q5关断，并配合充电通路和放电通路的二极管来实现；输入反接电源保护管理单元能够保护现整个备用电源装置不损坏，并且输入反接指示灯亮；输入正确，输入反接指示灯灭，正常工作；出现输出过流/短路时，自动关断输出，短路指示灯亮，输出负载正常后，自动恢复输出，短路指示灯灭；

输出短路、输入反接和输出电流过大都基于同一个电路实现，利用压降来进行保护；输出短路时候，VB+和VB-短接，这时候R15接地，R19上有压差导致Q4饱和导通，MOS管Q5的Vgs＝0，关闭MOS管Q5从而关闭输出保护短路电流烧毁器件；输入反接和输出短路机理一样的，只是输入反接时候主电路电流更大，器件的反向耐压要求更高，这取决于器件选择；输出过流保护也是类似机理，只是过流时候根据实际负载来说会产生很大的压降，就相当于输出短路，此时只需要调整电阻R15和R19；

输入过压/充电过压保护：由浮充管理单元21实现，设定的浮充停止充电电压即为充电过压阀值，实时监测充电电池的电压情况，当充电电池模组电压升至使THERS引脚高于设定的充电过压阀值时，555定时器芯片控制MOS管Q1自动关断充电通道，切断过压输入和停止充电，防止充电过压，起到保护电池的作用；

均压管理模块4用于实现对每个超级电容单体电芯的过压保护和电压均衡保护的功能，模组里串联连接的每个单体电芯都配备有均压管理电路；

均压管理模块4主要针对单体电芯进行检测和放电管理，当单体电芯电压超过设计的额定电压时，即进行放电，降低电压，防止过压，最后串联的各个单体电芯都充满电达到电压均衡的保护管理；其中，均压智能管理芯片LHCIA6010芯片可以通过配置SEL引脚的高低电平，选择单体电芯是2.7V还是2.5V额定电压启动放电，当达到额定电压时通过R32放电电阻进行放电，实现过压保护和电压均衡保护；芯片最大泄放电流为200mA，如果泄放电流200mA，可以通过外扩MOS管Q6控制泄放电流；该均压管理电路具有简单、经济、高效和安全的特点；

LHCIA6010是高精度的基准IC，通过SEL可以确定2.65V和2.45V两种保护电压；以SEL＝1为例，一旦VCC和GND之间的电压超过2.65V，IOUT＝1输出高电平，这时候NCE2302的Vgs＝2.65V，打开MOS管Q6，电流通过三个15Ω的并联电路放电，从而保持VCC和GND之间的电压不再升高，也就是保护超级电容的单体之间电压不再升高，所有能量通过电阻泄放，相当于旁路；

另外，本装置因为体积小，适用各类充电电源，所需散热要求较高，因此本实施例中还设置了采用工业化全铝外壳和基于氮化硼的高导热比的硅胶填充，让装置在大电流的充放电时候的发热快速扩散，使得整个装置的工作温升处于合理范围内；

本发明通过为超级电容备用电源针对性地设计充电管理模块、电源保护管理模块和均压管理模块，能够为现有的电网终端设备(如站所终端、馈线终端、监测终端)提供一种超长寿命(10年以上)的、不需要定期更换的、经济的、高可靠性、高稳定性的、完全免维护的、显著提高电网安全稳定运行的、绿色环保的和可直接替换原有锂离子电池或者铅酸电池备用电源装置的超级电容备用电源装置；另外，本发明中选用的超级电容模组具备功率密度高、安全可靠性强、工作温度范围宽的优点，也能够显著提高现有电网终端设备的工作稳定性和安全性。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。