CN101569073A - 超快的超级电容器组/装置充电器 - Google Patents

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CN101569073A CNA2007800479866A CN200780047986A CN101569073A CN 101569073 A CN101569073 A CN 101569073A CN A2007800479866 A CNA2007800479866 A CN A2007800479866A CN 200780047986 A CN200780047986 A CN 200780047986A CN 101569073 A CN101569073 A CN 101569073A
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Abstract

一种用于超级电容器的充电器，其允许可以几种不同的配置连接的许多超级电容器从非常低的电压非常快速地充电到它们的额定电压，而没有单元损坏。所述充电器还允许检测出故障的单元。

Description

超快的超级电容器组/装置充电器
发明领域
本发明一般涉及超级电容器，且更特别地涉及用于超级电容器的充电器。
发明背景
也称为双层电容器，DLC，超电容器(supercapacitor)或赝电容器(psuedocapacitor)的超级电容器(ultracapacitor)是存储电能的装置。超级电容器越来越多地作为单独的能量储存装置或结合电池来被用于给消费性产品、机动车能量储存系统，军事应用等供电。
在它们的电荷耗尽后，超级电容器被再充电。超级电容器必须经历相当大的电压摆幅以用作能量储存装置，且必须被小心地充电以防损坏。因为超级电容器易受到充电超过它们的额定电压的影响，因此过度充电可导致寿命显著降低或故障。
再充电超级电容器的另一个问题在于电容值偏差。超级电容器的电容值将与其额定值不同，通常相差不多于±20％。因此，串联连接的一串超级电容器将很可能包括具有不同电容值的单元(cell)。当串联连接的串被充电时，各单元的电压将变得彼此不同，这是因为具有较小电容值的单元将比具有较大电容值的单元更快速地充电。这可从使理想电容器的电流、电压与电容值相关联的方程1(以下)明显看出。
i c ( t ) = C dV c dt - - - ( 1 )
被充电的超级电容器还经历漏电或自放电。这是能量被在内部消耗，因而降低超级电容器的电压的情况。所有的超级电容器不都以相同的速率自放电。由于电容值公差和不同的漏电，因此，串联连接的超级电容器通常具有彼此不同的电压。
当前的超级电容器充电技术使用平衡电路，以试图在超级电容器单元被电源充电时使超级电容器阵列中的每个单元具有相同的电压。换句话说，当前的方法“平衡”各单元。这以或可以以五种方式实现。
第一种，在两个串联连接的单元两端设置有源电路。该电路比较两个单元的电压并随后消耗具有最高电压的单元中的能量。随后使用另一个平衡电路来平衡那两个单元中的一个单元与串联串中的下一个单元。电路可以这种方式连接以平衡许多串联连接的单元。这种类型的平衡有下列局限性：(1)因为要花时间来平衡所有的单元，所以充电不能快速地完成...单元的快速充电将不允许有足够的时间来保证完全的平衡且串联的串中的某些单元可能被过度充电；以及(2)平衡电路消耗能量并使每个单元的电压降低到最低的电压单元，这浪费能量。
第二种，在每个单元的两端设置有源旁路电路，该有源旁路电路在单元接近其最高额定值时，通过电阻器消耗来自该单元的能量。然而，如果单元以比电路可以分流的速率更高的电流速率(current rate)充电，则单元可能变得过度充电。
第三种，在串联的串中的每个单元两端设置击穿电压接近超级电容器单元的额定电压的齐纳二极管。当单元开始接近其额定电压时，齐纳管开始传导电流。这和(上面的)第二种方法的有源旁路电路具有相同的问题。齐纳管只能在其能够分流的电流与单元正被充电的电流一样多时保护单元。在接近单元额定电压时，这也浪费能量，因为齐纳管没有不同的击穿电压。
第四种，在每个单元两端设置具有小的电阻公差的无源电阻器。这促使电流流动，该电流显著高于单元漏电电流。较高电压的单元消耗更多的能量，因为通过电阻器汲取更多的电流。欧姆定律I＝V/R表明了这是正确的原因。此方法从超级电容器消耗相当大量的能量并非常缓慢地平衡单元。这种缓慢的平衡不允许单元从低电压快速充电到它们的最高电压且没有可能过度充电单元中的一个或更多。
第五种，以上各种方法的组合。
现有技术充满了使用这样的方法的例子。例如，美国专利第6,664,766号示出了超级电容器平衡系统和方法(平衡)；美国专利第6,265,851号示出了用于电动交通工具的超级电容器供电装置(旁路)；美国专利第6,836,098号示出了在两级使用超级电容器的电池充电方法；美国专利第7,042,187号示出了控制电路；以及美国专利第6,847,192号示出了用于电负载的供电装置。
附图简述
图1A是可由本发明充电的第一超级电容器结构的示意图。
图1B是可由本发明充电的第二超级电容器结构的示意图。
图1C是可由本发明充电的第三超级电容器结构的示意图。
图1D是可由本发明的一个或更多实施方式充电的第四超级电容器结构的示意图。
图2是用于本发明的一个实施方式的系统框图。
图3是示出本发明的一个实施方式的MCU充电程序的流程图。
图4是使用并联电阻器的本发明的一个可能的实施方式的图示。
图5是使用串联电阻器的本发明的一个可能的实施方式的图示。
优选实施方式说明
尽管本发明容许多种更改和可选的结构，但附图中显示了本发明的某些示例性的实施方式并在下面将对其进行详细的描述。然而，应理解，并不旨在将本发明限制到所公开的具体形式，而是相反地，本发明将包含落入如权利要求所界定的本发明的精神和范围内的所有的更改、可选的结构以及等价形式。
在下面的描述中以及在附图中，同样的元件用同样的参考数字标识。除非另作说明，使用“或”指示没有限制的非排他的另一选择。除非另作说明，使用“包括”指“包括，但不限于”。
本发明为超快超级电容器(ultra-fast ultracapacitor)组(pack)/装置充电器(下文的“充电器”)。充电器允许可以几种不同配置连接的许多超级电容器从低至零伏的电压非常快速地充电到它们的额定电压而没有单元损坏。超级电容器单元通常由于有效串联电阻(ESR)的显著增加而出故障，这种单元损坏可以不同的方式出现，包括：(1)当单元中的一个或更多被充电超过制造者所规定的单元的额定电压时，以及(2)因为对单元的物理损坏(由于落下，冲击等引起的损坏)。单元损坏可以定义为超级电容器单元的特性处于制造者所确定的范围之外的情况。本发明的实施方式还允许检测出故障的单元。此技术允许超级电容器用于许多的应用，例如可再充电的消费性产品，机动车能量储存系统，军事应用等。
本发明存在许多不同的实施方式。术语“充电器”在此使用以一般地表示本发明，而一个具有确定元件的“充电器”这样的提法并不旨在限制为所有的“充电器”的实施方式都具有所述的元件，除非另有说明。
本发明的充电器的一个实施方式允许一个或更多超级电容器从完全耗尽的状态非常快速地(＜15秒/千焦耳)充电到全充电状态，而不过度充电单元中任何一个，并且对于对电容值大1/2Wh/l的任何类型的电容器充电都特别有用。此充电器实施方式可充电串联的、并联的或串联和并联组合的超级电容器。图1A-1D显示了可由充电器的此实施方式充电的一些可能的超级电容器配置。另外，“超级电容器单元的串”旨在指“单独的超级电容器单元及/或多个相互连接的超级电容器单元”。
尽管优选充电器在物理上与超级电容器分离(除了必要的电连接外)，但必要时充电器可直接集成到超级电容器装置中。
在一个实施方式中，充电器由电力电子DC-DC转换器组成，该转换器将机动车的12伏电源转换到较低的电压并调整电流以对超级电容器单元充电。其他电源和电压可被用于给充电器供电。
在图2的实施方式中，充电器主要由微控制器/微处理器(下文的“MCU”)、电力电子电路、模拟闭环电流电路，和允许MCU测量串联连接的一个或更多超级电容器单元中的每个单元的电压的模拟调节电路组成。
模拟闭环电流电路调整由MCU命令(command)的进入超级电容器单元的电流。通过测量来自DC-DC转换器的反馈电流且将该反馈电流与被命令的电流(Iref)比较并随后向DC-DC转换器输出脉宽调制(PWM)信号来完成闭环控制。可以使用其他电力电子转换器布局。
MCU经由模拟调节电路测量串联串中的每个超级电容器单元的电压。基于这些电压，MCU命令流向DC-DC转换器的电流。使用PWM信号命令该电流，所述PWM信号用低通滤波器滤波为近似恒定的电压信号。此电压称为Iref(显示在图2中)。
MCU通过合计所有的超级电容器单元电压来计算总的串电压。随后遵循基于总的串电压及/或单独的电压的电流(充电)分布(profile)。这为电力电子转换器保持安全的最高电流，同时超级电容器单元从低至零的电压充电到它们的最大值。MCU还测量源的电压以保证其在规定范围内。
MCU在充电期间测量每个超级电容器单元的电压并确定具有最大电压的单元。当具有最大电压的单元达到其最高值时，MCU命令DC-DC转换器停止充电。这防止任何的单元被充电超过它们的最高电压，同时还允许它们从完全耗尽的状态快速充电到完全充电状态。
充电器使用迟滞(hysteresis)型方案，以防止在完全充电状态时转换器在开和关之间来回进行(未显示在图3中)。图3是示出MCU充电程序的流程图。为简单起见，图3排除了一定数量的步骤，包括但不限于，使用者LED指示器控制以及由于源电压不在规定范围内而防止操作的过程。
MCU还执行几个其他的任务。MCU测量供给电压以保证供给电压在规定范围内并在供给电压不在规定范围内时防止操作。MCU操作两个发光二极管(LED)，这两个LED指示充电器是否在工作，是否存在错误，超级电容器是否被连接，超级电容器是否在充电，以及超级电容器是否被完全充电。另外，MCU使能或禁止DC-DC转换器。
超级电容器单元通常由于有效串联电阻(ESR)的显著增加或由于电容值的显著降低而出故障。因为MCU密切地监控单元电压，所以它能够确定任一类型的单元故障。MCU测量电压并知道每个单元的电流。因此，MCU能够确定什么时候单元中的一个出故障，因为当该单元被充电时将具有显著较高的电压。
模拟调节电路连接在串联连接的超级电容器单元和MCU的模数转换器(ADC)之间。模拟调节电路由几个运算放大器电路组成，所述运算放大器电路测量超级电容器单元的正端子和负端子之间的差值，并输出与此电压成比例的信号。输出是相对于接地的信号。模拟调节电路还使用低通滤波器以滤除较高的频率。
模拟调节电路是可扩展的，且输出能够被多路复用以伴随许多的超级电容器单元。当前的实施方式(显示在图2中)测量六个串联连接的单元。电压测量结果由微控制器多路复用。因为模拟调节电路被设计成可扩展的，所以整个充电器设计是可扩展的以适应许多的单元。
在本发明的一个实施方式中，(1)充电器测量每个单元上的电压；(2)充电器的微控制器检测超级电容器阵列的问题，计算最高的单元电压，确定总的组电压，并控制电力电子转换器；(3)微控制器允许来自电力电子转换器的电流遵循一种分布(这最小化充电时间并安全地操作转换器)；(4)以上1-3项使得充电器能够非常快速地对超级电容器阵列安全地充电；(5)因为微控制器监控每个单元上的电压以及流经它们的电流，所以它能够确定单元故障；(6)这种设计是可扩展的以适应于许多的超级电容器单元和配置；以及(7)充电器设计得尽可能的小以允许集成到使用超级电容器的产品中。
图2的实施方式使用DC-DC转换器，DC-DC转换器从MCU接收电流命令以调整进入超级电容器的电流。设计的一种可能的变化形式是使用开关电阻网络来控制从DC电压源进入超级电容器的电流。DC电压源可以是下列各项中的之一：(1)电池；(2)AC到DC转换器；及/或(3)DC到DC转换器。在(2)和(3)的情况中，这些提供调整输出电压的内部控制方案。
电阻网络由被MCU控制的一个或更多电阻器和一个或更多开关组成。电阻网络连接到电压源并(经由MCU)用于调整在超级电容器单元中流动的电流。图4显示了一种使用并联电阻器的可能的实施方式，而图5显示了一种使用串联电阻器的可能的实施方式。MCU控制这些开关，这改变DC源和超级电容器之间的电阻。流入超级电容器的电流量则为(方程2)：
I uc = Vs - Vuc R network - - - ( 2 )
其中：Vs是源电压，Vuc是超级电容器上的电压(总的串电压)，而Rnetwork是开关电阻网络的总电阻。
通过改变源(Vs)和超级电容器之间的电阻(Rnetwork)而逐步地调整电流。较多数量的开关电阻器提供较高的电阻分辨率并因此提供对电流的更好控制。随着超级电容器串的电压的升高，MCU减小电阻Rnetwork。MCU能够计算多少电流将流入单元，因为超级电容器和源的电压已被测量，且电阻Rnetwork基于不同的开关配置是已知的。
本发明的组件可被集成到一个装置中，或可分散在多于一个的装置之中。例如，充电器可以与包括超级电容器的组件相分离。同样地，超级电容器装置将需要连接到充电器以被充电，并当充电完成时从充电器断开。可选地，充电器可以直接内置到包含超级电容器的装置中。另外“连接”/“断开”旨在包括物理连接以及电连接(如开关)。
下面的段落描述了本发明的三个具体的实施方式。这些实施方式不是排他的。
第一个实施方式是一种用于对超级电容器单元的串充电的超级电容器充电方法。该方法包括以下步骤：(1)测量每个超级电容器单元的电压；(2)确定每个超级电容器单元的最高电压电平；(3)确定哪个超级电容器单元具有最大电压；(4)通过使用充电器对所述超级电容器单元的串充电，所述充电器连接到电压源；(5)监控具有最大电压的超级电容器单元的电压；以及(6)当具有最大电压的超级电容器单元达到其最高电压电平时，停止对所述串充电。
优选地该方法进一步包括：(1)首先将所述超级电容器单元的串连接到所述充电器，(2)最后从所述充电器断开所述超级电容器单元的串。进一步优选地在充电步骤期间监控每个超级电容器单元的电压，以确定超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障，以及如果出故障的话则提醒所述方法的使用者出现所述故障。这些超级电容器可以串联方式、并联方式及/或串联/并联的组合方式连接。
第二种实施方式是一种对超级电容器的串充电的方法，其包括下列步骤：(1)将超级电容器的串连接到充电器，所述充电器连接到电压源；(2)测量所述串中每个超级电容器的电压；(3)使用所述充电器对所述超级电容器的串充电；(4)监控每个超级电容器的电压；(5)确定哪个超级电容器单元具有最大电压；(6)在充电期间监控具有最大电压的超级电容器单元的电压；(7)当具有最大电压的超级电容器单元达到其最高电压时，停止所述超级电容器的串的充电；以及(8)从所述超级电容器的串断开所述充电器。进一步的步骤可选择地包括：(9)通过合计所述超级电容器单元的电压来计算总的串电压；(10)遵循基于总的串电压的电流(充电)分布；以及(11)在充电期间监控每个超级电容器单元上的电压，监控通过每个超级电容器单元的电流，并由此确定超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障。
第三种实施方式是一种用于对超级电容器的串充电的充电器。该充电器包括：(1)电压源；(2)MCU，所述MCU在充电期间经由模拟电路测量每个超级电容器单元的电压，以确定哪个超级电容器单元具有最大电压，所述MCU基于测量到的电压来命令到所述超级电容器的串的电流，所述MCU监控超级电容器单元的电压，并当具有最大电压的超级电容器单元达到其最高电压时，MCU命令电压源停止对超级电容器的串充电；以及(3)第一模拟电路，所述第一模拟电路用于允许MCU测量每个超级电容器单元的电压，所述第一模拟电路测量所述串中的每个超级电容器的正端子和负端子之间的差值并向MCU输出与该电压成比例的信号。可选择地，充电器可以包括第二模拟电路，所述第二模拟电路调整由MCU命令的进入超级电容器单元的电流。电压源可以是DC-DC转换器。
在此实施方式的一种方案中，MCU监控每个超级电容器单元上的电压和通过每个超级电容器单元的电流，以确定超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障。在另一种方案中，MCU通过合计所述超级电容器单元的电压来计算总的串电压，以及其中基于所述总的电压，所述MCU允许来自电力电子转换器的电流遵循基于总的输出电压的充电分布。在又一种方案中，MCU监控每个超级电容器单元上的电压和通过每个超级电容器单元的电流，以确定超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障，以及其中所述MCU通过合计所述超级电容器单元的电压来计算总的串电压，以及其中基于所述总的电压，所述MCU允许来自电力电子转换器的电流遵循基于总的输出电压的充电分布。
在附图中显示并在上面描述的示例性的实施方式示出本发明但不限制本发明。应理解，并不旨在将发明限制到所公开的具体形式；而是，本发明将包含落入如权利要求所界定的本发明的精神和范围内的所有的更改、可选的结构以及等效形式。例如，尽管示例性的实施方式示出了超级电容器充电器，但是本发明的教导并不限于与超级电容器一起使用，且可与其他电源一起使用。尽管本发明不限于与超级电容器一起使用，但期望本发明的不同实施方式在这样的装置中特别有用。因此，前述描述不应解释为限制了本发明的范围，本发明的范围在下面的权利要求中界定。
尽管已经显示并描述了本发明的当前优选实施方式，但应该清楚地理解，本发明并不限制于此，而是可以被不同地体现以在下面的权利要求的范围内实践。根据前述的描述，很显然可以做出不同的改变而不偏离由下面的权利要求界定的本发明的精神和范围。
摘要的目的是使不熟悉专利或法律术语或特定用语的公众，特别是本领域的科学工作者、工程师和从业者能够通过粗略的检查来快速确定本申请的技术公开的性质和本质。摘要不旨在界定由权利要求所定界的本申请的发明，也不旨在以任何方式限制本发明的范围。
尽管如此，对于本领域技术人员来说，简单的以示出通过实现本发明而预期的最佳模式的方式，根据下面描述了本发明的优选实施方式的详细的说明，本发明的其他特点和优点将变得很明显。如将被认识到的，本发明能够在不同的明显的方面做出更改而完全不偏离本发明。因此，优选实施方式的附图和描述实质上将被看作是说明性的，且实质上不被看作是限制性的。

Claims (20)

1.一种超级电容器充电方法，所述方法用于对超级电容器单元的串充电，所述方法包括以下步骤：
测量每个超级电容器单元的电压；
通过使用充电器对所述超级电容器单元的串充电，所述充电器连接到电压源；
计算所述超级电容器单元的串的总电压；
遵循基于所述总电压的电流分布；
确定每个超级电容器单元的最高电压；
确定哪个超级电容器单元具有最大电压；
监控具有最大电压的超级电容器单元的电压；以及
当所述具有所述最大电压的超级电容器单元达到其最高电压电平时，停止对所述串的充电。
2.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：首先将所述超级电容器单元的串连接到所述充电器，以及最后从所述充电器断开所述超级电容器单元的串。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述电压源选自由下述项组成的组：至少一个电池、直流-直流转换器，和交流-直流转换器。
4.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤：首先将所述超级电容器单元的串连接到所述充电器，以及最后从所述充电器断开所述超级电容器单元的串，以及其中所述电压源选自由下述项组成的组：至少一个电池、直流-直流转换器，和交流-直流转换器。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述充电步骤期间，监控每个超级电容器单元的电压，以确定所述超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障，以及如果出故障的话，则停止所述充电步骤并提醒所述方法的使用者出现所述故障。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述超级电容器被串联地连接。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述超级电容器被以串联和并联的组合方式连接。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述超级电容器被并联地连接。
9.一种充电器，所述充电器用于对超级电容器的串充电，所述充电器包括：
电力电子转换器，所述电力电子转换器连接到电压源，所述电力电子转换器用于调整在所述超级电容器的串中流动的电流；
MCU，所述MCU用于命令从所述电力电子转换器流到所述超级电容器的串的电流；
第一模拟电路，所述第一模拟电路用于测量所述超级电容器的单元电压；以及
第二模拟电路，所述第二模拟电路用于执行闭环电流控制。
10.如权利要求9所述的充电器，其中所述电压源选自由下述项组成的组：至少一个电池、直流-直流转换器，和交流-直流转换器。
11.如权利要求9所述的充电器，其中所述MCU监控在每个超级电容器单元上的电压和通过每个超级电容器单元的电流，以确定所述超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障。
12.如权利要求9所述的充电器，其中所述MCU通过合计所述超级电容器单元的电压来计算总的串电压，以及其中基于所述总的电压，所述MCU允许来自所述电力电子转换器的电流遵循电流分布。
13.如权利要求12所述的充电器，其中所述电流分布基于总的输出电压和单独的单元电压。
14.如权利要求9所述的充电器，其中所述MCU监控每个超级电容器单元上的电压和通过每个超级电容器单元的电流，以确定所述超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障，以及其中所述MCU通过合计所述超级电容器单元的电压来计算总的串电压，以及其中基于所述总的电压，所述MCU允许来自所述电力电子转换器的电流遵循电流分布。
15.一种充电器，所述充电器用于对超级电容器的串充电，所述充电器包括：
电压源；
电阻网络，所述电阻网络包括可控的开关和电阻器，所述电阻网络连接到所述电压源，所述电阻网络调整在所述超级电容器中流动的电流；
模拟电路，其允许测量每个超级电容器单元的电压；以及
MCU，其中所述MCU测量每个超级电容器单元的所述电压，其中所述MCU命令从所述电阻网络流到所述超级电容器的电流，所述MCU通过接通或断开所述电阻网络中的开关来控制所述开关，所述MCU确定哪个超级电容器单元具有最大电压。
16.如权利要求15所述的充电器，其中所述电阻网络是串联网络，或并联网络，或串联网络和并联网络的组合。
17.如权利要求15所述的充电器，其中当具有所述最大电压的超级电容器单元达到其最高电压时，所述MCU断开所述电阻网络中的所述开关，由此停止对所述超级电容器串的充电。
18.如权利要求15所述的充电器，其中所述MCU监控每个超级电容器单元上的电压和通过每个超级电容器单元的电流，以确定所述超级电容器单元中的一个或更多是否已经出故障。
19.如权利要求15所述的充电器，其中所述MCU通过合计所述超级电容器单元的电压来计算总的串电压，以及其中基于所述总的电压，所述MCU允许来自所述电压源的电流遵循电流分布。
20.如权利要求15所述的充电器，其中所述电压源选自由下述项组成的组：至少一个电池、直流-直流转换器，和交流-直流转换器。
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