CN110870160A - 用于电能储存装置的平衡电路 - Google Patents

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Abstract

提供用于超级电容器模块的平衡电路。在一些实施方案中，所述平衡电路可包括具有输入的调节器。该调节器可配置成将在输入处接收的与超级电容器相关的输入电压和基准电压进行比较并经由输出节点提供输出。所述平衡电路可进一步包括连接到调节器的开关电路。该开关电路可配置成至少部分地基于调节器的输出使超级电容器放电。该开关电路可包括至少一个半导体开关元件，其在该开关元件的操作期间以硬切换方式操作。

Description

用于电能储存装置的平衡电路
优先权主张
本申请要求2017年7月21日提交的名称为“用于电能储存装置的平衡电路”的序列号为62/535,515的美国临时专利申请的优先权权益，该美国临时专利申请并入本文中作为参考。
背景技术
电能储存电池被广泛地用于向电子、机电、电化学和其它有用器件提供电力。例如，双层超级电容器可采用包含浸渍有液体电解质的碳粒子(例如活性碳)的可极化电极对。由于所述粒子的表面积高效且在所述电极之间的间隔小，可实现大的电容值。可将单个双层电容器组合在一起以形成具有升高的输出电压或增大的能量容量的模块。
发明内容
本公开的一个实例性方面涉及用于电能储存电池例如双层超级电容器的平衡电路。该平衡电路可包括具有输入的调节器。该调节器可配置成将在所述输入处接收的与电能储存电池相关的输入电压和基准电压进行比较并经由输出节点提供输出。平衡电路可进一步包括连接到调节器的开关电路。开关电路可配置成至少部分地基于调节器的输出使电能储存电池放电。开关电路可包括至少一个半导体开关元件，其在开关元件的操作期间以硬切换方式操作。
下面更详细地阐述本公开的其它特征和方面。
附图说明
在说明书的余下部分中参考附图更具体地阐述本公开(包括其最佳模式)对于本领域普通技术人员而言充分且能够实施的公开内容，在所述附图中：
图1描绘根据本公开的实例性实施方式的用于超级电容器的一种实例性平衡电路的框图；
图2描绘根据本公开的实例性实施方式的用于超级电容器的一种实例性平衡电路的电路图；和
图3描绘根据本公开的实例性实施方式的一种实例性方法的流程图。
在本说明书和图中重复使用的符号旨在表示本公开的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员会理解，本讨论为仅对示例性实施方式的描述，而不希望限制本公开的较宽方面，该较宽方面在示例性解释中得以体现。
本公开的实例性方面涉及与电能储存装置或电池例如超级电容器一起使用的平衡电路。平衡电路可用于例如防止过电压条件对超级电容器造成损害。在一些实施方案中，平衡电路可有助于调控包含多个超级电容器的超级电容器模块中的各超级电容器上的电压，使得各超级电容器上的电压被调控到基本上相同的电压。
在一些实施方式中，用于超级电容器的平衡电路可包括调节器。调节器可配置成接收与超级电容器上的电压相关的输入电压并将该输入电压与基准电压(例如超级电容器的平衡电压)进行比较。调节器可为能操作成将输入电压和基准电压进行比较并提供输出的任意装置。在一些实施方式中，所述调节器可包括在单个封装体(例如集成电路)中设置的一个或多个开关元件和/或比较器。
输入电压可为指示超级电容器上的电压的任意信号或电压。在一些实施方式中，可使用分压器电路提供输入电压。输入电压可在调节器的感测输入处(例如经由分压器电路)接收。
调节器可配置成至少部分地基于相对于基准电压的输入电压，经由调节器的输出节点提供输出。例如，调节器可配置成当输入电压大于基准电压时经由输出节点提供第一输出(例如第一逻辑输出)。调节器可配置成当与超级电容器相关的所述电压不大于基准电压时经由输出节点提供第二输出(例如第二逻辑输出)。
调节器的输出可用于驱动开关电路。开关电路可包括一个或多个半导体开关元件例如场效应晶体管(例如MOSFET)。开关元件可以全饱和模式(fully saturated mode)操作，使得开关元件以硬切换方式开启和关闭。例如，当半导体开关元件以如下状态操作时，硬切换可发生：纵使电源电压变化，通过该开关元件的电流也基本上不升或不降。例如，对于场效应晶体管而言，当场效应晶体管在饱和区域中操作使得纵使场效应晶体管的漏源电压(漏极源极电压)增加漏电流也不增加时，硬切换可发生。这可容许开关元件适应与超级电容器的放电相关的较高电流。
当调节器的输出为第一输出(例如输入电压大于基准电压)时，开关电路中的一个或多个开关元件可(例如以硬切换方式)开启，使得电流从超级电容器流过开关电路中开关元件的至少一个以使超级电容器放电，导致超级电容器上的电压降低。当调节器的输出为第二输出(例如输入电压小于基准电压)时，开关电路中的一个或多个开关元件可(例如以硬切换方式)关闭，使得超级电容器充电，导致与超级电容器相关的电压增加。以这种方式，平衡电路可按照切换模式法(switching mode regime)操作，在所述切换模式法中超级电容器被充电直到与超级电容器相关的电压超过阈值，以及被放电直到与超级电容器相关的电压降到该阈值以下。
参照超级电容器讨论本公开的实例性方面。在本文中提供与实例性超级电容器有关的细节。利用本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员会理解，根据本公开的实例性方面的平衡电路可与其它的能量储存装置(例如电容器、电池组和其它电能储存装置)结合使用，而不偏离本公开的范围。与数值结合使用术语“约”旨在表示在所述量的20％以内。
本公开的一个实例性实施方式涉及用于能量储存装置的平衡电路。平衡电路可包括具有输入的调节器。调节器可配置成将在所述输入处接收的与电能储存装置相关的输入电压与基准电压进行比较并经由输出节点提供输出。平衡电路可进一步包括连接到调节器的开关电路。开关电路可配置成至少部分地基于调节器的输出使电能储存装置放电。开关电路可包括至少一个半导体开关元件，其在该开关元件的操作期间以硬切换方式操作。
在一些实施方式中，所述平衡电路能以切换模式法操作成至少部分地基于所述基准电压使所述电能储存装置充电和放电。在切换法过程中，电能储存装置在放电状态和非放电状态之间可来回地切换以将电能储存装置的电压维持在某一范围内或在平衡电压处。
例如，在切换模式法中，开关电路的至少一个开关元件可配置成当调节器的输出指示与电能储存装置相关的电压超过基准电压时切换到导通状态以使电能储存装置放电。在切换模式法中，至少一个开关元件可配置成当调节器的输出指示与电能储存装置相关的电压超过基准电压时切换到非导通状态以使电能储存装置充电。
在一些实施方式中，至少一个半导体开关元件包括第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。第一场效应晶体管的漏极可连接到第二场效应晶体管的栅极。第二场效应晶体管的源极或漏极的至少一个可连接到电能储存装置。
在一些实施方式中，调节器可包括配置成将输入电压和基准电压进行比较的至少一个比较器。调节器可包括连接到比较器的一个或多个开关元件。开关元件可通过比较器的输出进行控制而提供调节器的输出。
在一些实施方式中，平衡电路包括连接到开关电路的DC对DC变换器。在一些实施方式中，平衡电路包括通知电路，其配置成提供指示与电能储存装置相关的电压超过阈值电压的输出信号。通知电路可包括比较器电路，其配置成将与电能储存装置相关的电压和基准电压进行比较。
本公开的另一个实例性方面涉及控制超级电容器的电压的方法。该方法可包括在调节器的第一输入处接收指示与超级电容器相关的电压的信号。该方法可包括经由调节器的输出节点提供用于驱动连接到超级电容器的开关电路的输出信号。该方法可包括在开关电路处接收至少一个输出信号。该方法可包括至少部分地基于输出信号，以硬切换方式操作开关电路中的一个或多个开关元件以使超级电容器充电或放电。
在一些实施方式中，经由调节器的输出节点提供用于驱动连接到超级电容器的开关电路的输出信号可包括：当与超级电容器相关的电压大于基准电压时通过调节器提供第一输出、和当与超级电容器相关的电压不大于基准电压时通过调节器提供第二输出。
在一些实施方式中，操作开关电路中的一个或多个开关元件可包括：当调节器提供第一输出时将一个或多个开关元件硬切换到导通状态以使超级电容器放电。另外，操作开关电路中的一个或多个开关元件可包括：当调节器提供第二输出时将一个或多个开关元件切换到非导通状态以使超级电容器充电。
本公开的另一个实例性方面涉及用于超级电容器的平衡电路。平衡电路可包括具有输入的调节器。调节器可配置成将在所述输入处接收的与超级电容器相关的输入电压与基准电压进行比较并经由输出节点提供输出。平衡电路可包括开关电路。开关电路可包括具有源极、漏极和栅极的第一场效应晶体管。开关电路可包括具有源极、漏极和栅极的第二场效应晶体管。调节器的输出节点可连接到第一场效应晶体管的栅极。第一场效应晶体管的漏极可连接到第二场效应晶体管的栅极。第一场效应晶体管的源极可连接到超级电容器。
在一些实施方式中，DC对DC变换器(例如升压变换器)可连接到第一场效应晶体管的源极。例如，DC对DC变换器可连接在超级电容器和第一场效应晶体管的源极之间。在一些实施方式中，平衡电路可进一步包括比较器，其配置成提供指示与超级电容器相关的电压大于基准电压的通知信号。
出于本公开的实例性实施方式的说明和讨论的意图而提供图。图1描绘根据本公开的实例性实施方式的与超级电容器110一起使用的实例性平衡电路100的框图。平衡电路100包括调节器120。调节器120可经由输入电路例如分压器115接收指示电容器上的电压Vc的信号112(例如输入电压)。调节器120可将信号112和基准电压进行比较。在一些实施方式中，所述基准电压可基于超级电容器110所要维持的期望电压而确定。
调节器120可基于指示电压Vc的信号112和基准电压而提供输出116。例如，当指示超级电容器110上的电压Vc的信号112大于基准电压时调节器120可提供第一逻辑输出(例如逻辑高)。当指示超级电容器110上的电压Vc的信号112不大于基准电压时调节器120可提供第二逻辑输出(例如逻辑低)。
可将输出116提供到开关电路130。开关电路130可包括一个或多个半导体开关元件(例如场效应晶体管)。当一个或多个开关元件处于导通状态时，超级电容器110可放电，使超级电容器110上的电压降低。超级电容器110可放电，直到指示超级电容器110上的电压Vc的信号112降低到低至足以使得信号112不再大于基准电压。此刻，可控制开关元件处于非导通状态以使超级电容器110充电。通过这种方式，利用切换模式法，平衡电路100可用于调节超级电容器110的电压并减少过电压条件。在切换模式法中，控制开关电路以使超级电容器110在放电状态和非放电状态之间来回地切换而将超级电容器110的电压维持在某一范围内或在平衡电压处。
在一些实施方式中，开关电路130的半导体开关元件可以全饱和模式操作以实现开关元件的硬切换。在按照切换模式法使超级电容器110放电而可产生高电流期间，这可容许开关元件适应来自超级电容器110的高电流。
在例如为了半导体开关元件的硬切换而以全饱和模式操作时，DC对DC变换器132可用于使施加到开关电路中的开关元件的DC电压升压以提供改善的半导体开关元件性能。DC对DC变换器可连接在超级电容器110和开关电路130之间。
平衡电路100可包括通知电路150。通知电路150可包括比较器。比较器可将与超级电容器110相关的电压和阈值进行比较。如果与超级电容器110相关的电压超过阈值，则通知电路150可提供指示与超级电容器110相关的电压超过阈值的信号。这可用于提供通知(例如经由发光二极管的视觉指示器或其它适宜的通知手段。
图2描绘根据本公开的实例性实施方式的平衡电路100的一种实例性实施方案的电路图。如所示的，平衡电路100包括分压器电路115、调节器120以及包括FET开关元件230和240的开关电路。平衡电路100可使用本领域中通常知晓的任意方法提供和配置。在一些实施方式中，平衡电路100提供在电路板(未显示)例如印刷电路板上。
分压器电路115可包括串联连接的一对电阻器R4和R5。位于电阻器R4和R5之间的节点215可连接到调节器120的输入。节点215处的电压可为与超级电容器110上的电压相关且指示其的输入电压。节点215处的电压可基于电阻器R4和R5的电阻值与超级电容器110上的电压关联。
在一些实施方式中，调节器120可为Linear Technology提供的LT1431调节器。调节器120可提供可编程的基准电压。调节器120可至少部分地由电源电压在节点214处供电。调节器包括输入212和输出节点216。在一些实施方式中，调节器120包括比较器，其配置成对在输入212处接收的与超级电容器110相关的电压进行比较和基于与超级电容器相关的电压和基准电压(例如可编程的基准电压)的比较提供输出。调节器120可包括一个或多个开关元件(例如晶体管)，其配置成基于所述比较经由输出节点216提供输出。例如，当与超级电容器相关的电压大于基准电压时，调节器120可经由输出节点216提供第一输出(例如逻辑高)。当与超级电容器相关的电压小于基准电压时，调节器120可经由输出节点216提供第二输出(例如逻辑低)。可向开关电路提供所述输出以驱动半导体开关元件230和240。
开关电路包括第一开关元件230和第二开关元件240。第一开关元件230为具有栅极、源极和漏极的场效应晶体管。在一些实施方式中，第一开关元件230可包括例如由Infineon提供的BSP170P场效应晶体管。第二开关元件240为具有栅极、源极和漏极的场效应晶体管。在一些实施方式中，第二开关元件240可包括由Siemens提供的BUZ347场效应晶体管。开关元件230和240可以全饱和模式操作以提供开关元件230和240的硬切换。
调节器120的输出节点216可连接到第一开关元件230的栅极。第一开关元件230的漏极可连接到第二开关元件240的栅极。第二开关元件240可与超级电容器并联连接。第二开关元件230的源极可连接到与超级电容器相关的第一节点。第二开关元件的漏极可连接到与超级电容器相关的第二节点。第二开关元件240可安装到与封装超级电容器110相关的壳体(例如超级电容器模块壳体)，其作为散热器用于使与超级电容器110的放电相关的热量消散。
当调节器120提供第一输出(例如逻辑高)时，第一开关元件230和第二开关元件240硬切换到导通状态，容许放电电流从超级电容器110流出。当调节器120提供第二输出(例如逻辑低)时，第一开关元件230和第二开关元件240切换到非导通状态，容许超级电容器充电。以这种方式，通过以切换法操作平衡电路100，所述超级电容器110在放电状态和非放电状态之间来回摇摆。
平衡电路100可包括用于使施加到第一开关元件230的源极的电压升压的DC对DC变换器132。在一些实例性实施方式中，DC对DC变换器132可为由Texas Instruments提供的TPS61222升压变换器。DC对DC变换器可包括用于接收输入电压的第一引脚(引脚1)、用于接收电压反馈的第二引脚(引脚2)、用于接地的第三引脚(引脚3)、用于向第一开关元件230的源极提供升压电压的第四引脚(引脚4)、用于连到电感器L1的第五引脚(引脚5)、和用于提供使能输入(启动输入)的第六引脚(引脚6)。
平衡电路可包括通知电路150，其包括用于确定与超级电容器相关的电压何时超过阈值电压的比较器。在一些实施方式中，通知电路可为来自Linear Technology的LT6703比较器。通知电路150可在输入处从分压器电路155(例如串联连接的R6和R7)接收指示超级电容器110上的电压的信号。当与超级电容器相关的电压超过阈值电压时，通知电路可提供输出信号156。
下表1提供与图2中显示的平衡电路的电路元件相关的实例值。下面提供的值用于实例意图。
表1
组件 值
R1 约1M欧姆
R2 约1M欧姆
R3 约1K欧姆
R4 约100k欧姆
R5 约10k欧姆
R6 约400k欧姆
R7 约62k欧姆
R8 约100k欧姆
R9 约100k欧姆
C1 约10μF
C2 约10μF
L1 约4.7μH
根据本公开的实例性实施方式的平衡电路可与包含串联或并联连接的多个超级电容器的超级电容器模块结合使用。根据本公开可使用任意数量的平衡电路。例如，所述模块包含至少一个平衡电路和在一些实施方式中至少两个平衡电路。然而，应理解，所述模块可包含更多个平衡电路。例如，所述模块可包含4个或更多个、例如6个或更多个、例如8个或更多个、和在一些实施方式中8-30个单独的平衡电路。在一些实施方式中，每个超级电容器存在至少一个平衡电路。
图3描绘根据本公开的实例性实施方式的实例性方法(300)的流程图。该方法(300)可例如使用图1和2中描绘的平衡电路实施。为了说明和讨论的意图，图3描绘以特定次序进行的步骤。本领域普通技术人员利用本文中提供的公开内容会理解，本文中公开的方法的任意者的各个步骤可以不偏离本公开范围的各种方式省略、重排、同时进行、扩展、改变和/或适用。
在(302)处，所述方法包括在调节器的第一输入处接收指示与超级电容器相关的电压的信号。例如，图2的调节器120可在输入212处接收输入电压。在一些实施方式中，指示与超级电容器相关的电压的信号为经由分压器提供的输入电压。
在图3的(304)处，所述方法包括经由调节器的输出节点提供用于驱动连接到超级电容器的开关电路的输出信号。例如，图2的调节器120可将输出信号经由输出节点216提供到开关元件230的栅极。所述输出信号可至少部分地基于指示与超级电容器相关的电压的信号和基准电压的比较而确定。例如，当指示与超级电容器相关的电压的信号超过基准电压时可提供第一输出。当指示与超级电容器相关的电压的信号不超过阈值时可提供第二输出。
在图3的(306)处，所述方法包括在开关电路处接收所述输出信号。例如，图2的开关元件230的栅极可接收来自调节器120的输出信号。
在图3的(308)处，所述方法可包括至少部分地基于所述输出信号，以硬切换方式操作开关电路中的开关元件以使超级电容器充电或放电。例如，当图2的调节器120提供第一输出(例如逻辑高)时，第一开关元件230和第二开关元件240硬切换到导通状态，容许放电电流从超级电容器110流出。当调节器120提供第二输出(例如逻辑低)时，第一开关元件230和第二开关元件240切换到非导通状态，容许超级电容器充电。
在根据本公开的实例性方面的模块中通常可使用各种不同的单独超级电容器的任意者。然而，在一些实施方式中，超级电容器包括容纳且任选地不透气地密封在外壳内的电极组装体和电解质。电极组装体可例如包含含有电连接到第一集流体的第一碳质涂层(例如活性碳粒子)的第一电极、和含有电连接到第二集流体的第二碳质涂层(例如活性碳粒子)的第二电极。应理解，还可按需使用另外的集流体，如果超级电容器包括多个能量储存电池则尤其如此。集流体可由相同或不同的材料形成。无论如何，各集流体典型地由包括导电金属例如铝、不锈钢、镍、银、钯等及其合金的基底形成。铝和铝合金在本公开中尤为适用。基底可以箔、片、板、网等的形式。基底还可具有相对小的厚度，例如约200微米或更小、在一些实施方式中约1-约100微米、在一些实施方式中约5-约80微米、和在一些实施方式中约10-约50微米。尽管决不必须，可任选地将基底表面例如通过洗涤、蚀刻、喷砂(blasting)等粗糙化。
第一和第二碳质涂层还分别地电连接到第一和第二集流体。尽管它们可由相同或不同类型的材料形成并可包含一个或多个层，碳质涂层各自通常包括包含活性粒子的至少一个层。例如，在某些实施方式中，活性碳层可直接地置于集流体的上面并可任选地为碳质涂层的唯一层。适宜的活性碳粒子的实例可包括例如，基于椰壳的活性碳，基于石油焦的活性碳，基于沥青的活性碳，基于聚偏二氯乙烯的活性碳，基于酚醛树脂的活性碳，基于聚丙烯腈的活性碳，以及来自天然来源例如煤、木炭或其它天然有机来源的活性碳。
在某些实施方式中，如下可为期望的：选择性地控制活性碳粒子的某些方面，例如它们的粒度分布、表面积和孔尺寸分布，以帮助改善某些类型的电解质在经历一个或多个充-放电循环之后的离子迁移率。例如，所述粒子的至少50体积％(D50尺寸)可具有范围为约0.01-约30微米、在一些实施方式中约0.1-约20微米、和在一些实施方式中约0.5-约10微米的尺寸。类似地，所述粒子的至少90体积％(D90尺寸)可具有范围为约2-约40微米、在一些实施方式中约5-约30微米、和在一些实施方式中约6-约15微米的尺寸。BET表面(积)的范围还可为约900m2/g至约3,000m2/g、在一些实施方式中约1,000m2/g至约2,500m2/g、和在一些实施方式中约1,100m2/g至约1,800m2/g。
除了具有特定的尺寸和表面积之外，活性碳粒子还可包含具有特定的尺寸分布的孔。例如，尺寸小于约2纳米的孔(即“微孔”)的量可提供(占)总孔体积的约50体积％或更小、在一些实施方式中约30体积％或更小、和在一些实施方式中0.1体积％至15体积％的孔体积。类似地，尺寸在约2纳米和约50纳米之间的孔(即“介孔”)的量可为约20体积％至约80体积％、在一些实施方式中约25体积％至约75体积％、和在一些实施方式中约35体积％至约65体积％。最后，尺寸大于约50纳米的孔(即“大孔”)的量可为约1体积％至约50体积％、在一些实施方式中约5体积％至约40体积％、和在一些实施方式中约10体积％至约35体积％。所述碳粒子的总孔体积可在约0.2cm3/g至约1.5cm3/g、和在一些实施方式中约0.4cm3/g至约1.0cm3/g的范围内，并且中值孔宽度可为约8纳米或更小、在一些实施方式中约1至约5纳米、和在一些实施方式中约2至约4纳米。孔尺寸和总孔体积可使用氮吸附测量并通过Barrett-Joyner-Halenda(“BJH”)技术分析。
在第一和/或第二碳质涂层中，相对于100份的碳，粘合剂按需可以约60份或更小、在一些实施方式中40份或更小、和在一些实施方式中约1至约25份的量存在。例如，粘合剂可构成碳质涂层总重量的约15wt.％或更小、在一些实施方式中约10wt.％或更小、和在一些实施方式中约0.5wt.％至约5wt.％。在所述电极中可使用各种适宜粘合剂的任意者。例如，在某些实施方式中可使用不溶于水的有机粘合剂，例如苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙酸乙烯酯均聚物、乙酸乙烯酯乙烯共聚物、乙酸乙烯酯丙烯酸类共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯-乙酸乙烯酯三元共聚物、丙烯酸类聚氯乙烯聚合物、丙烯酸类聚合物、腈类聚合物、含氟聚合物例如聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯、聚烯烃等，及其混合物。还可使用水溶性有机粘合剂，例如多糖及其衍生物。在一个具体实施方式中，多糖可为非离子纤维素醚，例如烷基纤维素醚(例如甲基纤维素和乙基纤维素)；羟基烷基纤维素醚(例如羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基纤维素、羟乙基羟丁基纤维素、羟乙基羟丙基羟丁基纤维素等)；烷基羟基烷基纤维素醚(例如甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、乙基羟丙基纤维素、甲基乙基羟乙基纤维素和甲基乙基羟丙基纤维素)；羧基烷基纤维素醚(例如羧甲基纤维素)；等，以及前述的任意者的质子化盐例如羧甲基纤维素钠。
在第一和/或第二碳质涂层的活性碳层内和/或在第一和/或第二碳质涂层的其它层内还可使用其它材料。例如，在某些实施方式中，为进一步增大导电性，可使用传导性促进剂。示例性传导性促进剂可包括例如炭黑、石墨(天然的或人造的)、石墨、碳纳米管、纳米线或纳米管、金属纤维、石墨烯等，及其混合物。炭黑尤为适宜。在碳质涂层中，相对于100份的活性碳粒子，传导性促进剂在使用时典型地占约60份或更小、在一些实施方式中40份或更小、和在一些实施方式中约1至约25份。传导性促进剂可例如占碳质涂层总重量的约15wt.％或更小、在一些实施方式中约10wt.％或更小、和在一些实施方式中约0.5wt.％至约5wt.％。类似地，活性碳粒子典型地占碳质涂层的85wt.％或更大、在一些实施方式中约90wt.％或更大、和在一些实施方式中约95wt.％至约99.5wt.％。
将碳质涂层施加到集流体的具体方式可变，例如印刷(例如轮转凹版印刷)、喷涂、狭缝-模头涂布、滴涂、浸涂等。与施加其的方式无关，为从所述涂层中除去水分，典型地将所得电极例如在约100℃或更高、在一些实施方式中约200℃或更高、和在一些实施方式中约300℃至约500℃的温度下干燥。为优化超级电容器的体积效率，还可将电极压缩(例如压延)。在任意的任选压缩之后，各碳质涂层的厚度通常可基于超级电容器的期望的电学性能和操作范围而变。然而，典型地，涂层的厚度为约20-约200微米、30-约150微米、和在一些实施方式中约40-约100微米。涂层可存在于集流体的一面或两面上。无论如何，总体电极(包括在任选压缩之后的集流体和碳质涂层在内)的厚度典型地在约20-约350微米、在一些实施方式中约30-约300微米、和在一些实施方式中约50-约250微米的范围内。
电极组装体还典型地包含置于第一和第二电极之间的隔板。如果期望，其它隔板也可在电极组装体中使用。例如，一个或多个隔板可置于第一电极、第二电极、或两者的上面。隔板实现一个电极与另一个的电绝缘以帮助防止电短路，但仍容许离子在这两个电极之间的传输。例如，在某些实施方式中，可使用包括纤维素纤维材料(例如气流成网纸幅、湿法成网纸幅等)、无纺纤维材料(例如聚烯烃无纺幅)、纺织品、膜(例如聚烯烃膜)等的隔板。在超级电容器中尤为适用的是纤维素纤维材料，例如包含天然纤维、合成纤维等的那些。在隔板中适用的纤维素纤维的具体实例可包括例如阔叶木浆纤维、针叶木浆纤维、人造丝纤维、再生纤维素纤维等。与使用的具体材料无关，隔板典型地具有约5-约150微米、在一些实施方式中约10-约100微米、和在一些实施方式中约20-约80微米的厚度。
将电极组装体的组件组合在一起的方式可变。例如，首先可将电极和隔板折叠、卷绕或以其它方式接触在一起以形成电极组装体。在一个具体实施方式中，可将电极、隔板和任选的电解质卷绕成具有“卷-芯(jelly-roll)”构造的电极组装体。
为形成超级电容器，在将电极和隔板组合在一起形成电极组装体之前、期间和/或之后将电解质放置成与第一电极和第二电极离子接触。电解质在性质上通常是非水的并因此包含至少一种非水溶剂。为帮助拓宽超级电容器的操作温度范围，通常期望，非水溶剂具有相对高的沸腾温度，例如约150℃或更高、在一些实施方式中约200℃或更高、和在一些实施方式中约220℃至约300℃。尤为适宜的高沸点溶剂可包括例如环状碳酸酯溶剂，例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等。当然，其它的非水溶剂亦可单独地或与环状碳酸酯溶剂组合地使用。这样的溶剂的实例可包括例如开链碳酸酯(例如碳酸二甲酯、碳酸乙甲酯、碳酸二乙酯等)、脂族单羧酸酯(例如乙酸甲酯、丙酸甲酯等)、内酯溶剂(例如丁内酯、戊内酯等)、腈类(例如乙腈、戊二腈、己二腈、甲氧基乙腈、3-甲氧基丙腈等)、酰胺(例如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮)、链烷烃(例如硝基甲烷、硝基乙烷等)、硫化合物(例如环丁砜、二甲亚砜等)；等。
电解质还可包含溶解在非水溶剂中的至少一种离子液体。尽管离子液体的浓度可变，但典型地期望，离子液体以相对高的浓度存在。例如，离子液体可以约0.8摩尔/升(M)电解质或更大、在一些实施方式中约1.0M或更大、在一些实施方式中约1.2M或更大、和在一些实施方式中约1.3至约1.8M的量存在。
离子液体通常为具有相对低的熔点、例如约400℃或更小、在一些实施方式中约350℃或更小、在一些实施方式中约1℃至约100℃、和在一些实施方式中约5℃至约50℃的盐。该盐包含阳离子物种和反荷离子。阳离子物种包含具有作为“阳离子中心”的至少一个杂原子(例如氮或磷)的化合物。这样的杂原子化合物的实例包括例如，未取代或取代的有机季铵化合物例如铵(例如三甲基铵、四乙基铵等)、吡啶鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓(pyramidinium)、吡嗪鎓、咪唑鎓、吡唑鎓、噁唑鎓、三唑鎓、噻唑鎓、喹啉鎓、哌啶鎓、吡咯烷鎓、其中两个或更多个环通过螺原子(例如碳、杂原子等)连在一起的季铵螺环化合物、季铵稠合环结构(例如喹啉鎓、异喹啉鎓等)等。例如，在一个具体实施方式中，阳离子物种可为N-螺双环化合物，例如具有环状环的对称或不对称的N-螺双环化合物。这样的化合物的一个实例具有以下结构：
Figure BDA0002357901520000131
其中m和n独立地为3-7、和在一些实施方式中4-5(例如吡咯烷鎓或哌啶鎓)的数值。
适于所述阳离子物种的反荷离子可类似地包括卤素(例如氯、溴、碘等)；硫酸根或磺酸根(例如甲基硫酸根、乙基硫酸根、丁基硫酸根、己基硫酸根、辛基硫酸根、硫酸氢根、甲烷磺酸根、十二烷基苯磺酸根、十二烷基硫酸根、三氟甲烷磺酸根、十七氟辛烷磺酸根、十二烷基乙氧基硫酸钠等)；磺基琥珀酸根；酰胺(例如二氰胺)；酰亚胺(例如双(五氟乙基-磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、双(三氟甲基)酰亚胺等)；硼酸根(例如四氟硼酸根、四氰基硼酸根、双[草酸合]硼酸根、双[水杨酸合]硼酸根等)；磷酸根或亚磷酸根(例如六氟磷酸根、二乙基磷酸根、双(五氟乙基)亚磷酸根、三(五氟乙基)-三氟磷酸根、三(九氟丁基)三氟磷酸根等)；锑酸根(例如六氟锑酸根)；铝酸根(例如四氯铝酸根)；脂肪酸羧酸根(例如油酸根、异硬脂酸根、十五氟辛酸根等)；氰酸根；乙酸根；等，以及前述的任意组合。
适宜的离子液体的若干实例可包括例如螺-(1,1')-双吡咯烷鎓四氟硼酸盐、三乙基甲基铵四氟硼酸盐、四乙基铵四氟硼酸盐、螺-(1,1')-双吡咯烷鎓碘化物、三乙基甲基铵碘化物、四乙基铵碘化物、甲基三乙基铵四氟硼酸盐、四丁基铵四氟硼酸盐、四乙基铵六氟磷酸盐等。
如上所述，超级电容器还包含电极组装体和电解质保持且任选地不透气地密封在其内的外壳。外壳的性质可按需而变。例如，在一个实施方式中，外壳可包含金属容器(“罐”)，例如由钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(例如不锈钢)、其合金、其复合物(例如涂有导电氧化物的金属)等形成的那些。铝在本公开中尤为适用。金属容器可具有各种不同形状例如圆柱形、D-形等的任一种。圆柱形容器尤为适宜。
按照本公开的实例性方面，可使用在超级电容器之间的任意适宜连接。。例如，可使用附接到或连接超级电容器的各自端子的互连体(interconnect)将超级电容器连接。互连体可由导电材料例如导电金属制成。在一个实施方式中，互连体是相对平坦的或可为具有增大的表面积的互连体。关于后者，互连体可具有突起/隆起或还可由线、带(braid)、卷等形成。在这方面，互连体的具体尺度和构造没有必然限制。与其形态无关，可使用各种不同导电材料的任意者，例如铜、锡、镍、铝等，以及合金和/或被覆金属。导电材料按需可任选地用护套材料绝缘。
取决于期望的具体性质，超级电容器可串联或并联地电连接在一起。例如，在一个具体实施方式中，可将超级电容器串联地电连接，使得一个超级电容器的某极性(例如正)的端子连接到另一个超级电容器的相反极性(例如负)的端子。例如，正端子可从第一超级电容器的顶部延伸而负端子可从第二超级电容器的底部延伸。
超级电容器和包含其的模块可用于储存大量电荷。结果，本公开的模块和超级电容器可被用在各种应用中。例如，它们可在如下的各种能量应用中使用：其包括但不限于风力涡轮机、太阳能涡轮机、太阳能面板和燃料电池。另外，它们还可在如下的各种运输应用中使用：其包括但不限于车辆(例如电池组驱动的电动车，包括总线、发动机启动装置、动力和制动回收系统的混动电动车，等)、列车和有轨电车(例如磁悬浮列车、转轨装置、启动机系统等)，和航空航天(例如用于门的致动器、紧急出口等)。它们还具有各种工业应用，其包括自动化(例如机器人等)、车辆(例如叉车、起重机、电动推车等)。它们还在消费电子器件(例如便携式媒体播放器、手持装置、GPS、数码照相机等)、计算机(例如笔记本电脑、PDA等)和通讯系统中具有各种应用。所述模块和超级电容器还可具有各种军事应用(例如坦克和潜艇的马达启动装置、相控阵列雷达天线、激光电源、无线电通信、航空电子显示和仪器、GPS导航等)和医疗应用(例如除颤器等)。

Claims (20)

1.用于电能储存装置的平衡电路，其包括：
包含输入的调节器，该调节器配置成将在所述输入处接收的与电能储存装置相关的输入电压和基准电压进行比较并经由输出节点提供输出；
连接到调节器的开关电路，其中该开关电路配置成至少部分地基于所述调节器的所述输出使所述电能储存装置放电，该开关电路包括至少一个半导体开关元件，其在该开关元件的操作期间以硬切换方式操作。
2.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述平衡电路能以至少部分地基于基准电压使电能储存装置放电的切换模式法操作。
3.如权利要求2所述的平衡电路，其中在所述切换模式法中，所述至少一个开关元件配置成当调节器的输出指示与电能储存装置相关的电压超过基准电压时切换到导通状态以使电能储存装置放电。
4.如权利要求2所述的平衡电路，其中在所述切换模式法中，所述至少一个开关元件配置成当调节器的输出指示与电能储存装置相关的电压超过基准电压时切换到非导通状态以停止使电能储存装置放电。
5.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述至少一个半导体开关元件包括第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。
6.如权利要求5所述的平衡电路，其中所述第一场效应晶体管的漏极连接到所述第二场效应晶体管的栅极。
7.如权利要求5所述的平衡电路，其中所述第二场效应晶体管的源极和漏极的至少一个连接到所述电能储存装置。
8.如权利要求5所述的平衡电路，其中所述第二场效应晶体管热耦合到与所述电能储存装置的封装相关的壳体。
9.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述调节器包括配置成将输入电压和基准电压进行比较的至少一个比较器。
10.如权利要求9所述的平衡电路，其中所述调节器包括连接到比较器的一个或多个开关元件，所述开关元件通过所述比较器的输出进行控制而经由输出节点提供所述调节器的输出。
11.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述平衡电路包括连接到所述开关电路的DC对DC变换器。
12.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述平衡电路包括通知电路，其配置成提供指示与电能储存装置相关的电压超过基准电压的输出信号。
13.如权利要求12所述的平衡电路，其中所述通知电路包括比较器电路，其配置成将与电能储存装置相关的电压和基准电压进行比较。
14.控制超级电容器的电压的方法，该方法包括：
在调节器的第一输入处接收指示与超级电容器相关的电压的信号；
经由调节器的输出节点提供用于驱动连接到超级电容器的开关电路的输出信号，该输出信号至少部分地基于指示与超级电容器相关的电压的信号和基准电压的比较而确定；
在开关电路处接收输出信号；和
至少部分地基于所述输出信号，以硬切换方式操作开关电路中的一个或多个开关元件以使超级电容器放电。
15.如权利要求14所述的方法，其中经由调节器的输出节点提供用于驱动连接到超级电容器的开关电路的输出信号包括：
当与超级电容器相关的电压大于基准电压时，通过调节器提供第一输出；
当与超级电容器相关的电压不大于基准电压时，通过调节器提供第二输出。
16.如权利要求15所述的方法，其中操作开关电路中的一个或多个开关元件包括当调节器提供第一输出时，将一个或多个开关元件硬切换到导通状态以使超级电容器放电。
17.如权利要求16所述的方法，其中操作开关电路中的一个或多个开关元件包括当调节器提供第一输出时，将一个或多个开关元件切换到非导通状态以停止使超级电容器放电。
18.用于超级电容器的平衡电路，该平衡电路包括：
具有输入的调节器，该调节器配置成将在所述输入处接收的与超级电容器相关的输入电压和基准电压进行比较并经由输出节点提供输出；
开关电路，该开关电路包括：
具有源极、漏极和栅极的第一场效应晶体管；
具有源极、漏极和栅极的第二场效应晶体管，其中所述调节器的输出节点连接到第一场效应晶体管的栅极，其中所述第一场效应晶体管的漏极连接到第二场效应晶体管的栅极，其中所述第一场效应晶体管的源极连接到所述超级电容器。
19.如权利要求18所述的平衡电路，其中将DC对DC变换器连接到所述第一场效应晶体管的源极。
20.如权利要求18所述的平衡电路，其中所述平衡电路进一步包括比较器，其配置成提供指示与超级电容器相关的电压大于基准电压的通知信号。
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