CN103227481A - 超级电容器的保护管理 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护超级电容器（1）的方法包括：监控电容器（1）的充电电平，监控电容器（1）的温度，当温度在预定水平以上时使电容器（1）放电，或者当电容器（1）已保持被充电至预定电平之上的时间长于预定时间段时，对电容器（1）放电而降至所述预定电平，以及将来自电容器（1）的放电功率引到用于冷却超级电容器（1）的冷却设备（2）。此外，超级电容器系统（3）包括至少一个超级电容器（1）、控制单元（4）、以及用于监控电容器（1）的温度和充电电平的装置（5）。系统（3）还包括连接到超级电容器（1）的用于冷却超级电容器（1）的冷却设备（2）。

Description

超级电容器的保护管理
技术领域
本发明涉及监控电容器的充电电平和电容器的温度的方法以及超级电容器系统，且其中该信息由控制单元处理。
背景技术
也称为超电容器或双层电容器的超级电容器因为其具有非常高的电容而不同于常规电容器。与电化学反应相反，电容器借助于静电荷来存储能量。将电压差施加在正极板和负极板上来对电容器进行充电。这类似于当在地毯上行走时电荷的逐渐积聚。触摸对象时通过手指释放能量。
在1957年，工程师开始采用双电层电容器进行实验，这导致早期类型的超级电容器的发展。那时并没有已知的商业应用。在1966年，当从事于实验性燃料电池设计时，工程师再次偶然发现双层电容器的效应。在1978年，该技术作为用于计算机存储备份的“超级电容器”被销售。直到1990年在材料和制造方法中的进步才导致提高的性能和较低的成本。
现代超级电容器本身不是电池，而是通过使用特殊电极和电解质越过边界进入到电池技术中。已尝试了几种类型的电极。
所有电容器都具有电压限制。较高电平的电压是可行的，但使用寿命则通常减小。为了实现更高的电压，几个超级电容器串联连接。然而，这存在缺点。例如，串联连接减小了总电容，且多于三个电容器的串需要电压平衡以防止任何电池进入过电压状态。这类似于在锂离子电池中的保护电路。
超级电容器的特定能量很低，且范围从1到30Wh/kg。虽然相比于常规电容器是高的，但30Wh/kg是消费品锂离子电池的能量的五分之一。放电曲线是另一缺点。超级电容器的电压在线性标度上从全电压降低到零电压，然而电化学电池在可用的功率带中提供了稳定的电压。这减小了可用功率谱，且所存储的大部分能量被留下。
超级电容器并非作为单独的能量存储设备来操作，而是作为对桥短功率中断（bridgeshort power interruption）的低维修存储备份来良好工作。超级电容器也严重侵入了电动动力系统。一经请求则立即响应的超高速充电和高电流输送的优点使超级电容器作为对混合车辆以及燃料电池应用的峰值负载增强器的理想候选器件。
超级电容器的充电时间为大约10秒钟。充电特性类似于电化学电池，且充电电流在很大程度上受充电器限制。初始充电可进行得非常快，且最高充电（topping charge）将花费额外的时间。当对空超级电容器进行充电时，必须作出规定来限制初始电流涌入。超级电容器不能变得过度充电，且不需要完全充电检测；当电容器充满时，电流仅停止了流动。
超级电容器可实际上被充电和放电无限次数。与具有限定了循环寿命的电化学电池不同，通过对超级电容器循环具有很少的损耗。老化也不影响设备，因为它可以作为电池。在正常条件下，超级电容器在10年中从原始的100%容量衰退到80%。施加比规定电压高的电压将缩短寿命。此外，较长时间保持完全充电以及温度太高也将降低寿命。
CN101076240A公开了电池或超级电容器。它具有覆盖所述电池和超级电容器的散热片的特征，其中电池或超级电容器的两端未被覆盖。多个电池或超级电容器相组合以形成电池组舱或超级电容器舱。散热片可用于冷却电池或电容器。
CN101357592A公开了属于车辆型功率和电气控制技术的领域的用于电机车轮驱动车辆的驱动车辆型能量以及电动车辆和驱动控制系统。车辆型功率存储部件布置在包括串联和并联连接的超级电容器电池的防爆箱中，其中防爆箱处于串联连接。它还包括压力检测和监控系统、温度检测和监控系统、能量平衡管理系统、空气调节器散热通道、以及防爆接线插头。电控箱被包括，且车辆型能量与DC电机斩波控制组件、液压系统控制电动组件、空气泵频率转换单元、空气调节频率转换单元、驾驶室除霜电动系统以及DC-DC功率相连接。优点为：显著的节能效应、明显的环境保护和放电减小、高效的再生制动能量反馈和存储、燃料独立性、快速的充电速度、极大减小的设备故障率、低维修成本以及长使用寿命。
WO2007/018778A1公开了存储控制器，其具有用于存储能量以在主要功率损耗期间供应功率的电容器组、感测电容器组温度的温度传感器、以及当在第一电压值处操作时检测到电容器组的温度已上升到预定阈值以上并确定电容器组的设计寿命是否小于保证寿命的CPU。如果设计寿命小于保证寿命，则CPU将电容器组的操作电压减小到第二电压，以便增加电容器组寿命。在一个实施例中，如果电容器组的累积的标准化运行时间大于累积的日历运行时间，则CPU减小电压。在另一实施例中，如果电容器组的百分比电容下降大于日历百分比电容下降，则CPU减小电压。
超级电容器就每瓦的成本来说是昂贵的。然而，超级电容器和化学电池并不存在竞争；确切地说，它们是服务于独特应用的不同产品。
发明内容
本发明的目的是提供用于提高超级电容器的寿命的方法和系统。
该目的采用如在所附权利要求中阐述的方法和系统来实现。
根据本发明，提供了用于保护超级电容器的方法。该方法包括：监控电容器的充电电平；监控电容器的温度；当温度在预定水平以上时对电容器放电；或者当电容器已保持被充电至预定电平之上的时间长于预定的时间段时，对电容器放电而降至所述预定电平；以及将来自电容器的放电功率引到用于冷却超级电容器的冷却设备。
因此，为了增加电容器的寿命，“最高的”充电功率用于将电容器冷却下来。可替换地，如果电容器的温度被认为太高，则将存储在电容器中的功率用来将电容器冷却下来，而无论电容器是否被完全充电。
执行上述方法的超级电容器系统包括至少一个超级电容器、控制单元、以及用于监控电容器的温度和充电电平的装置。此外，它包括连接到超级电容器的用于冷却超级电容器的冷却设备。冷却设备可以是几个备选设备中的任一个。
根据本发明的一个方面，来自电容器的放电功率被馈送到风扇。优选地，在超级电容器系统中包括风扇。更优选地，风扇是使用来自电容器的功率能够良好工作的DC风扇。DC风扇优于AC风扇的另一优点是较长的寿命，因为DC风扇需要较少的功率，并因此不像AC风扇那样变热。风扇的温度越高，寿命就越短。此外，DC风扇可能是现今针对该应用而言最小成本的现有冷却设备。
根据本发明的另一方面，温度传感器是接触式温度传感器。这种类型的传感器通常非常准确。接触式温度传感器测量其自己的温度。通过假设或知道传感器和传感器所接触的对象处于热平衡中，即，在它们之间没有热流动来推断传感器所接触的对象的温度。
根据本发明的可替换方面，温度传感器是非接触式温度传感器。非接触式温度传感器包括许多不同的类型，但它们所有均共享一组独特的特征：它们常常涉及材料的被称为光谱发射率或光谱发射度的光学特性。
它们都运行于或基于同一物理学定律——辐射的热发射的普朗克定律。因此，不需要如在接触式传感器的情况中所必需的在传感器与测量的对象之间的热平衡来获得温度测量。具有所使用的以下各种名称：例如，IR温度计、辐射温度计、IR高温计、红外温度计、现场温度计（spotthermometer）、现场辐射计(spot thermometer)、行扫描仪、辐射高温计、单波段高温计、双波段高温计、比高温计、双色温度计、双色高温计、辐射计、光谱辐射计、IR热电偶、总辐射高温计、光纤高温计、热丝掩盖式光测高温计、定量热成像仪、dfp、光学pyro以及多波长高温计。
测量温度的另一可替换方案可以是通过监控经过超级电容器的电阻。
严格地说，它是一种测量在0.65μm附近的电磁光谱的视觉部分的窄光谱区中的热辐射的辐射温度计。
为了改善冷却，根据本发明的另一方面的超级电容器可包括具有至少两个超级电容器的外壳，并且其中，外壳还优选地具有至少一个空气进口和一个空气出口。外壳提高了在电容器周围更好的空气分布并因此更有效的冷却的可能性。与电容器的形状相结合的外壳的内部结构可被设计成使得产生空气通道以提供均匀的空气流动分布。
根据本发明的又一方面，风扇布置在空气进口处。优点在于在外壳内部将具有轻微的超压，这意味着污染空气不可能“泄漏”到外壳中，如果周围空气被微粒严重地污染，当然只有被过滤的空气才能够通过风扇。
可替换的方案是具有布置在空气出口处的风扇，即所谓的排气通风或冷却。又一可替换方案是在进口和出口处均具有风扇。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本发明。
图1示出具有根据本发明的超级电容器的电容器组的基本组成。
图2示出对冷却设备布置的基本电路。
具体实施方式
图1示出电容器组或超级电容器系统3。电容器组是在附图中所示出的四个超级电容器1和风扇2。箭头示出穿过电容器组的空气流动方向。此外，还具有车辆连接6。
在图2中可看到风扇2以及风扇电机，在本实施例中风扇电机与控制单元4相组合。在本实施例中示出温度传感器5用信号通知控制单元4何时启动风扇电机4并因此启动风扇2。
前述内容是实践本发明的示例的公开内容。然而显然，对于本领域技术人员而言，合并修改和变形的方法将是明显的。因为前述公开内容旨在使本领域技术人员能够实践本发明，因此其不应被解释为限制于此，而应被解释为包括落在权利要求的范围内的这样的修改和变形。例如，在图1中示出四个超级电容器，根据本发明的超级电容器系统可具有任何数量的电容器。

Claims (9)

1.一种用于保护超级电容器（1）的方法，所述方法包括：
a)监控所述超级电容器（1）的充电电平；
b)监控所述超级电容器（1）的温度；
c)当所述温度在预定水平以上时对所述超级电容器（1）放电，或者
当所述电容器（1）已保持被充电至预定电平之上的时间长于预定的时间段时，对所述超级电容器（1）放电而降至所述预定电平；以及
d)将来自所述超级电容器（1）的放电功率引到用于冷却所述超级电容器（1）的冷却设备（2）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，来自所述电容器（1）的所述放电功率被馈送到风扇（2）。
3.一种超级电容器系统（3），包括至少一个超级电容器（1）、控制单元（4）、以及用于监控所述电容器（1）的温度和充电电平的装置（5），
其特征在于，
所述系统（3）还包括连接到所述超级电容器（1）的用于冷却所述超级电容器（1）的冷却设备（2）。
4.根据权利要求3所述的超级电容器系统（3），其中，所述冷却设备包括风扇（2）。
5.根据权利要求3和4中的任一项所述的超级电容器系统（3），其中，所述温度传感器（5）是接触式温度传感器。
6.根据权利要求3和4中的任一项所述的超级电容器系统（3），其中，所述温度传感器（5）是非接触式温度传感器。
7.根据权利要求3到6中的任一项所述的超级电容器系统（3），其中，所述系统（3）包括具有至少两个超级电容器（1）的外壳，所述外壳还具有至少一个空气进口和一个空气出口。
8.根据权利要求7所述的超级电容器系统（3），其中，风扇（2）被布置在所述空气进口处。
9.根据权利要求7或8所述的超级电容器系统，其中，风扇被布置在所述空气出口处。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130731