CN102035265A

CN102035265A - 电容器储能电池无线充电系统

Info

Publication number: CN102035265A
Application number: CN2010105749386A
Authority: CN
Inventors: 徐燕; 萧小月
Original assignee: WUXI SUOYINFEI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Qingdao Kefu nanotechnology Co.,Ltd.
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: CN102035265B

Abstract

本发明提供一种电容器储能电池的无线充电系统，其包括充电电源端和被充电电池端；所述充电电源端包括可与电源电性连接产生电磁信号的发送端线圈；所述被充电电池端包括接收端线圈以及与接收端线圈电性连接的电容器储能电池，所述电池包括介电材料层以及位于介电材料层之间的平行交叉排列的正负电极层，充电时所述接收端线圈感应发送端线圈产生的电磁信号产生电流对所述电容器储能电池进行充电。本发明的电容器储能电池的无线充电技术可以实现快速无线充电，同时最大限度地消除金属电极外露，确保电路系统在密封状态下运行，避免漏电的隐患，亦可消除触电的危险以及消除电池过充所带来的安全隐患。

Description

电容器储能电池无线充电系统

【技术领域】

本发明涉及电池领域，特别是关于一种电容器储能电池的无线充电技术。

【背景技术】

为推动低碳能源的发展，电能因为清洁环保，逐渐在各行业取代其他能源成为未来发展的主要方向。例如现有的机动车逐渐由传统的燃油机车向电动机车转换。现在已经出现有各种各样的纯电动汽车。纯电动汽车完全使用电能驱动电机工作，因此为电动汽车提供电能的储能电池成为电动汽车中非常关键的部分。

目前市场上的储能电池主要有铅酸电池，铅晶电池，镍氢电池，锂离子电池包括磷酸铁锂电池等化学电池。这类化学电池通过电能-化学能-电能的转换过程，来实现能量的储存和释放。而化学电池在能量密度，功率密度，充放电时间，和安全环保等方面都已经趋于极限。因此严重制约了新能源电动汽车产业的发展。为了克服上述化学电池功率密度低和充电速率慢的难题，电化学双电层超级电容器(EDLC)在近十年获得了迅速的发展。其电池充电可在很短的时间内完成(以秒至分钟计)。因此，它在短途公交车如2005年在烟台试运行的城市公交车和2006年在上海试运行的11路城市公交车就成功将其运用为动力电源。而在世博园运行的电动公交车很多都是采用双电层超级电容器作为动力电池组。然而，双电层超级电容器的单体模块电压低(＜3.5伏)，从而导致比能量小(≤30瓦*时/公斤)，因此大大地限制了其应用前景。

另外，如何避免电动汽车在阴雨天和洪水泛滥地区的安全行驶而不发生漏电现象，也是电动汽车电能供应系统中至关重要的技术课题之一。

因此，有必要提出一种新的技术方案以解决现有技术的前述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种电容器储能电池的无线充电系统。

为达成前述目的，本发明一种电容器储能电池无线充电系统，其包括充电电源端和被充电电池端；所述充电电源端包括可与电源电性连接产生电磁信号的发送端线圈；所述被充电电池端包括接收端线圈以及与接收端线圈电性连接的电容器储能电池，所述电池包括介电材料层以及位于介电材料层之间的平行交叉排列的正负电极层，充电时所述接收端线圈感应发送端线圈产生的电磁信号产生电流对所述电容器储能电池进行充电。

进一步地，所述接收端线圈通过电源控制器与电容器储能电池的正负电极电性连接。

进一步地，所述电源控制器包括输入电压转换器、输出电压转换器、稳压器、传感器、继电器、报警提示单元以及显示器。

进一步地，所述传感器能够检测电容器储能电池的充电情况，当充电达到预定值时，可以通过报警提示单元提示充电完成，并由继电器自动切断充电线路。

进一步地，所述电容器储能电池的充放电特性可以通过所述显示器显示。

进一步地，所述接收端线圈、电源控制器以及电容器储能电池形成一个密封的动力电源箱。

进一步地，所述密封的动力电源箱由绝缘和抗震、抗压、防水，能在-50℃至150℃的温度范围内工作的有机材料或无机材料密封。

进一步地，所述发送端线圈和接收端线圈之间通过电磁感应或磁共振技术进行充电。

进一步地，所述电容器储能电池的介电材料为一层一层的介电薄膜叠加而成，所述介电薄膜为钛酸钡纳米材料、钛酸锶纳米材料或钛酸锶钡纳米材料等各种钛酸盐纳米材料制成，或者为各种掺杂稀土之后形成的稀土参杂钛酸钡纳米材料、稀土参杂钛酸锶纳米材料或稀土参杂钛酸锶钡纳米材料制成。

进一步地，所述电容器储能电池的电极为若干层电极薄膜片叠加形成，所述电极薄膜片的材料为高比表面电极材料与高纯介电材料的复合材料，其中所述高比表面电极材料可以是多孔活性炭、石墨烯或者其他电极材料，所述高纯介电材料可以是纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体或者高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体。

本发明的电容器储能电池能量密度大，功率大，高效节能，相比于化学储能电池，该类电容器储能电池无能量转换及损耗，充放电效率≥95％。因此，其相对节能可达30％以上，使用寿命长，充放电次数＞10万次，而锂电池约为1000次，铅氧电池为500次，低碳环保，无二次环境污染，无安全隐患。而且本发明的电容器储能电池采取无线充电技术，可以实现快速充电，同时最大限度地消除金属电极外露，确保电路系统在密封状态下运行，避免漏电的隐患。同时，亦可消除触电的危险，特别是避免锂电池过充所带来的安全隐患。

【附图说明】

图1为本发明电容器储能电池的结构示意图。

图2为本发明电容器储能电池的部分分解示意图。

图3为本发明电容器储能电池的介电材料局部放大示意图。

图4为本发明电容器储能电池的电极材料局部放大示意图。

图5为本发明电容器储能电池的无线充电系统结构框图。

图6为本发明电容器储能电池的被充电电池端的结构框图。

【具体实施方式】

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参阅图1及图2所示，其显示本发明电容式电池的结构示意图，如图所示，本发明电容式电池包括介电材料1、电极2以及封装导体3

如图1及图2所示，在本发明的一个实施例中所述介电材料1的整体其包括上表面11、下面表12、左侧面13、右侧面14、前端面15以及后端面(未示出)。在其他实施方式中所述介电材料1也可以为圆柱体或其他多边形柱体，例如五边形柱体或六边形柱体等。

如图1及图2所示，本发明的一个实施例中所述电极2的整体为矩形平板状，其包括形状基本相同的第一电极21和第二电极22。在本实施例中每一第一电极21和每一第二电极22均包括若干块相同的电极板21、22，这些相同的电极板构成的第一电极21和第二电极22在图中的上下方向上相互平行，并且间隔交叉排列，即两块第一电极21之间设置一块第二电极22，两块第二电极22之间设置一块第一电极21。电极板的层数取决于电池的容量，若电池的容量大，则电极板的层数多，电池的容量小，则层数少，最少可以是仅有一块第一电极21和一块第二电极22。

所述第一电极21和第二电极22位于前述介电材料1内，每两块电极板21、22之间充满前述介电材料1，这样每两块电极板21、22则相当于电容的两块电极板，中间的介电材料1为电容的两块电极板之间的介质。

其中第一电极21和第二电极22的宽度小于介电材料1的宽度，如图所示，其中位于图2中左侧的第一电极21的末端均相互平齐并与介电材料1的左侧面13平齐，而位于图2中右侧的第二电极22的末端也相互平齐并与介电材料1的右侧面14平齐，由于第一电极21和第二电极22的宽度小于介电材料1的宽度，整个介电材料1并未被电极材料完全隔离开，仍为连续的一整块。

在其他实施方式中，所述第一电极和第二电极的宽度也可以大于介电材料的宽度，则整个介电材料被每两块第一电极和第二电极隔离开来，形成两块电极板中间夹一层介电材料的形式。

为与前述介电材料的其他实施例中的形状相适应，所述第一电极21和第二电极22也可以为圆片形板状，或者其他多边形板状，例如五边形板状或六边形板状等。

请继续参阅图1和图2所示，所述封装导体3包括第一封装导体31和第二封装导体32，如图所示，每一封装导体31、32均为半开口框形，第一封装导体31包括上下两端的水平板状的卡扣部311、312以及连接卡扣部311、312并与每一卡扣部311、312垂直的连接部313。第二封装导体32包括上下两端的水平板状的卡扣部321、322以及连接卡扣部321、322并与每一卡扣部321、322垂直的连接部323。如图2所示，组装时第一封装导体31和第二封装导体32自两侧卡扣于介电材料1的两侧，其中第一封装导体31和第二封装导体32的上端卡扣部311和321卡扣于介电材料1的上表面11，第一封装导体31和第二封装导体32的下端卡扣部312和322卡扣于介电材料1的下表面12。

由于第一电极21的末端与介电材料1的左侧面13平齐，第一封装导体31的连接部313的内表面与介电材料1的左侧面13平齐，因此第一封装导体31的连接部313的内表面会与第一电极21的末端相接触，这样通过第一封装导体31可以将第一电极21的末端相互连接在一起，可以作为电池的正极或者负极。第二封装导体32的连接部323的内表面与介电材料1的右侧面14平齐，因此第二封装导体32的连接部323的内表面会与第二电极22的末端相接触，这样通过第二封装导体32可以将第二电极22的末端相互连接在一起，可以作为电池的负极或者正极。其中图2中为显示电极材料与介质材料的侧面相平齐，将两侧的封装导体与介质材料间隔一定距离，在组装时封装导体的连接部的内表面与介质材料的侧面以及电极材料的末端是相接触的。

对于介电材料1和电极材料2为圆形或多边形的实施例，所述封装导体3的外形可以相应变化以适应介电材料和电极材料的形状，但封装导体3仍是包括上下的卡扣部和中间的连接部，而连接部的内表面与第一电极和第二电极的末端相连作为电池的正负极。

请参阅图3所示，其显示本发明的电容器储能电池的介电材料的局部放大图。如图3所示，本发明的电容器储能电池的介电材料1为一层一层的介电薄膜叠加而成，在本发明的一个实施例中，所述介电薄膜1为钛酸钡纳米材料、钛酸锶纳米材料或钛酸锶钡纳米材料等各种钛酸盐纳米材料制成，或者在本发明的一个实施例中所述介电薄膜1为各种掺杂稀土之后形成的稀土参杂钛酸钡纳米材料、稀土参杂钛酸锶纳米材料或稀土参杂钛酸锶钡纳米材料制成。

请参阅图4所示，其显示本发明的电容器储能电池的电极材料的局部放大图。如图4所示，本发明电容器储能电池的电极为若干层电极薄膜片211叠加形成的。所述电极薄膜片211的材料为高比表面电极材料与高纯介电材料的复合材料。其中在本发明的一个实施例中所述高比表面电极材料可以是多孔活性炭、石墨烯或者其他电极材料。而高纯介电材料可以是纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体或者高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体等等。

请参阅图5所示，其显示本发明电容器储能电池的无线充电系统5的结构框图。如图5所示，本发明电容器储能电池的无线充电系统5，其包括充电电源端51和被充电电池端52。

其中充电电源端51包括发送端线圈511和电源512，该发送端线圈511可以与电源512电性连接，产生电磁信号。被充电电池端52包括一个接收端线圈521和与接收端线圈521电性连接的前述电容器储能电池522。接收端线圈521感应发送端线圈511产生的电磁信号从而产生电流给电容器储能电池522充电。

请参阅图6所示，在本发明的一个实施例中，所述接收端线圈522通过电源控制器53与电容器储能电池522电性连接(在本实施例中只是概略地讲述本发明的基本结构单元，而各单元的具体连接可以通过电阻、导线、其他各种电路等进行直接或间接的连接，只要能形成电流的通路即可，因此简称为电性连接)。其中该电源控制器53可以包括输入电压转换器531、输出电压转换器532、稳压器533、传感器534、报警提示单元535、继电器536以及显示器537等等。其中输入电压转换器531用于将接收端线圈521产生的交流电转换成直流电给电容器储能电池522充电。输出电压转换器532可以将电容器储能电池522的电压转换成需要的输出电压。稳压器533用于稳定电容器储能电池522的输出电压。传感器534用于检测电容器储能电池522的充电状态，当传感器534检测到电容器储能电池522充电达到95％时，可以通过报警提示单元535发出提示信息，警示停止充电，并由继电器536自动切断充电线路。电容器储能电池的充电状态也可以通过显示器537直观的显示出来。

在本发明的一个具体实施例中，例如在电动汽车中，为防止电动汽车在阴雨天和洪水泛滥地区的安全行驶而不发生漏电现象，前述包括接收端线圈、电容器储能电池以及电源控制器等的被充电电池端可以做成一个密封的动力电源箱。此动力电源箱可以由绝缘性能好和机械性能佳的封装材料进行密封。这些密封材料要求抗震、抗压、防水，能在-50℃至150℃的温度范围内工作，可以是有机材料也可以是无机材料。这样充电的时候是利用电磁感应进行充电，可以最大限度地消除金属电极外露，确保电路系统在密封状态下运行，避免漏电的隐患。

由于电磁感应的充电距离只能在小于0.5米的距离实现有效充电，若要实现远距离的无线充电，也可以采用磁共振技术进行充电，电量在以同样频率发生共振的线圈之间进行高效率的无线传输。采用磁共振的充电方式，可以在1-5米的距离实现有效充电。

以电动汽车为例，可以将本发明的无线充电系统的充电电源端设置在充电站，其中发送端线圈与电源连接，发送端线圈产生电磁信号。前述密封的动力电源箱安装于汽车内，动力电源箱内的接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。

本发明的电容器储能电池没有化学能和电能之间的相互转变，因此使得无线充电技术得到充分发挥，充电效率可以大于50％，以50度电计算充电时间＜5分钟。由于电极使用的是电极材料和介电材料的混合材料，其具有高电容量(≥5mF/cm²)和高击穿电压。其击穿电压相当于所用介电材料(例如高纯钛酸钡)的击穿电压，击穿电压≥350兆伏/米。而且本发明的电容器储能电池比能量＞250瓦时/公斤，甚至可以达到＞400瓦时/公斤，功率密度＞1000瓦时/公斤。

总之，本发明的电容器储能电池能量密度大，能够快速充电，功率大，高效节能，相比于化学储能电池，该类电容器储能电池无能量转换及损耗，充放电效率≥95％。因此，其相对节能可达30％以上，使用寿命长，充放电次数＞10万次，而锂电池约为1000次，铅氧电池为500次，低碳环保，无二次环境污染，无安全隐患。而且本发明的电容器储能电池采取无线充电技术，可以最大限度地消除金属电极外露，确保电路系统在密封状态下运行，避免漏电的隐患。同时，亦可消除触电的危险，特别是避免锂电池过充所带来的安全隐患。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种电容器储能电池无线充电系统，其包括充电电源端和被充电电池端；所述充电电源端包括可与电源电性连接产生电磁信号的发送端线圈；所述被充电电池端包括接收端线圈以及与接收端线圈电性连接的电容器储能电池，所述电容器储能电池包括介电材料层以及位于介电材料层之间的平行交叉排列的正负电极层，充电时所述接收端线圈感应发送端线圈产生的电磁信号产生电流对所述电容器储能电池进行充电。

2.如权利要求1所述的电容器储能电池充电系统，其特征在于：所述接收端线圈通过电源控制器与电容器储能电池的正负电极电性连接。

3.如权利要求2所述的电容器储能电池系统，其特征在于：所述电源控制器包括输入电压转换器、输出电压转换器、稳压器、传感器、继电器、报警提示单元以及显示器。

4.如权利要求3所述的电容器储能电池，其特征在于：所述传感器能够检测电容器储能电池的充电情况，当充电达到预定值时，可以通过报警提示单元提示充电完成，并由继电器自动切断充电线路。

5.如权利要求3所述的电容器储能电池，其特征在于：所述电容器储能电池的充放电特性可以通过所述显示器显示。

6.如权利要求3所述的电容器储能电池充电系统，其特征在于：所述接收端线圈、电源控制器以及电容器储能电池形成一个密封的动力电源箱。

7.如权利要求6所述的电容器储能电池充电系统，其特征在于：所述密封的动力电源箱由绝缘和抗震、抗压、防水，能在-50℃至150℃的温度范围内工作的有机材料或无机材料密封。

8.如权利要求1所述的电容器储能电池充电系统，其特征在于：所述发送端线圈和接收端线圈之间通过电磁感应或磁共振技术进行充电。

9.如权利要求1所述的电容器储能电池充电系统，其特征在于：所述电容器储能电池的介电材料层为一层一层的介电薄膜叠加而成，所述介电薄膜为钛酸钡纳米材料、钛酸锶纳米材料或钛酸锶钡纳米材料等各种钛酸盐纳米材料制成，或者为各种掺杂稀土之后形成的稀土参杂钛酸钡纳米材料、稀土参杂钛酸锶纳米材料或稀土参杂钛酸锶钡纳米材料制成。

10.如权利要求1所述的电容器储能电池充电系统，其特征在于：所述电容器储能电池的电极层为若干层电极薄膜片叠加形成，所述电极薄膜片的材料为高比表面电极材料与高纯介电材料的复合材料，其中所述高比表面电极材料可以是多孔活性炭、石墨烯或者其他电极材料，所述高纯介电材料可以是纯度≥99.995％的钛酸钡纳米粉体、稀土参杂钛酸钡纳米粉体、钛酸锶钡纳米粉体、稀土参杂钛酸锶钡纳米粉体或者高纯度的介电材料钛酸铜钙纳米粉体。