CN202034902U

CN202034902U - 带电源控制器的电容器型储能电池

Info

Publication number: CN202034902U
Application number: CN2011200172404U
Authority: CN
Inventors: 萧小月; 徐燕; 赖超英
Original assignee: WUXI SUOYINFEI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Nanjing SCF Nanotech, Ltd.
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-01-19

Abstract

本实用新型提供一种带电源控制的电容器储能电池，所述电池包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极，所述电池还包括一个与电池正负极连接使电池平稳放电的转换器。

Description

带电源控制器的电容器型储能电池

【技术领域】

本实用新型涉及电池领域，特别是关于一种电容器型储能电池的电源控制技术。

【背景技术】

要推动低碳能源工业的发展，高效大功率的储能器件就成了其中的关键技术之一。储能器件技术涵盖太阳能和风能的替换储能器件，紧急情况和瞬时反应储能电池，大功率和高能储能器件等, 其应用领域则涉及电网变电站应急储能器件，医院和24小时运营的高科技产业，军工脉冲电源，航天和深海温度敏感储能电池，微型化医疗移植器件，电动自行车和纯电动汽车用动力储能电池等等。

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。并因此严重制约了新能源产业的发展，特别是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。

而新的电容器储能电池则可以做到比能量>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，以50度电计算充电时间<5分钟。所以本实用新型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，无安全隐患等优点。

请参阅图1所示，其显示电容器型储能电池的线性充放电特性图。由图1可以看到，电容器型储能电池的充放电电压与时间成线性关系，在充电的时候可以实现快速充电，但在放电的时候通常希望电池能够提供稳定的输出电压。因此，需要对电容器储能电池的输出电压进行控制，以输出平稳的电压。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种输出电压平稳的电容器储能电池。

为达成前述目的，本实用新型一种带电源控制的电容器储能电池，所述电池包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极，所述电池还包括一个与电池正负极连接使电池输出电压平稳的电源控制器。

进一步地，所述电源控制器为降压型直流/直流转换器。

进一步地，所述电源控制器为升压型直流/直流转换器。

进一步地，所述电源控制器为升降压型直流/直流转换器。

进一步地，所述介电材料为方形立方体、圆柱体或多边形柱体中的一种。

进一步地，所述第一电极和第二电极为矩形平板、圆形平板或多边形平板中的一种。

进一步地，所述第一电极为多个末端平齐的平板电极，所述第二电极为多个末端平齐的平板电极。

进一步地，所述第一封装导体和第二封装导体为半开口框形，每一封装导体包括两端的卡扣部和与卡扣部垂直连接卡扣部的连接部。

进一步地，所述第一封装导体和第二封装导体的卡扣部分别卡扣于介电材料的上下表面。

进一步地，所述第一封装导体的连接部与所有第一电极的末端连接，所述第二封装导体的连接部与所有第二电极的末端连接。

本实用新型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，以50度电计算充电时间<5分钟。所以本实用新型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。由于设置有转换器，因此整个电池输出的电压为平稳电压。

【附图说明】

图1为现有的电池的线性充放电特性图。

图2为本实用新型电容式储能电池的连同电源控制器的结构框图。

图3为本实用新型电容式储能电池的结构示意图。

图4为本实用新型电容式储能电池的部分分解示意图。

图5为本实用新型电容式储能电池的外部结构示意图。

图6为本实用新型电容式储能电池的一种降压式电压转换器的结构示意图。

图7为本实用新型电容式储能电池的一种升压式电压转换器的结构示意图。

图8为本实用新型电容式储能电池的一种升降压式电压转换器的结构示意图。

图9为本实用新型电容式储能电池设置电源控制器之后的充放电特性图。

【具体实施方式】

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型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2所示，其显示本实用新型的电容器储能电池的结构框图。如图2所示，本实用新型电容器储能电池100包括电容式储能电池101和与电容式储能电池正负极连接的电源控制器102。电容式储能电池101充电的时候可以是线性充电，在放电的时候经过电源控制器102的控制输出平稳的直流电压。

请参阅图3及图4所示，其显示本实用新型电容式储能电池的结构示意图，如图所示，本实用新型电容式储能电池包括介电材料1、电极2以及封装导体3。

如图3及图4所示，在本实用新型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3及图4所示，本实用新型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4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4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3和图4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3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3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。

在其他实施例中所述封装导体与每一电极之间也可以设置导线或者导电板等其他结构将封装导体与电池的电极电性连接。

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5所示，在整个电池的外表面可以包装一个封装壳体4，而在壳体4的顶端设置两个导电的螺柱5，其中一个螺柱5与前述第一封装导体31相连，作为电池的一个电极的引出端，另一个螺柱5与前述第二封装导体32相连，作为电池的另一个电极的引出端。

请参阅图6所示，其显示本实用新型的电源控制器的一个实施例的示意图。如图6所示，在本实用新型的一个实施例中，所述电源控制器为降压式变换器（buck 转换器），其包括一个开关管Q、电感线圈、Lf，二极管D、电容Cf以及输出电阻R。其中开关管Q的第一端与电感线圈Lf的第一端连接，电感线圈的第一端和输出电阻R的第一端连接，二极管D的一端连接于开关管第一端盒电感线圈第一端的连接节点，电容Cf并联于输出电阻R两端。电容式储能电池的正极连接于开关管Q的第二端，电容式储能电池的负极连接于输出电阻R的第二端。其中输出电阻R两端的电压为输出电压。由于该实施例中电源控制器为降压式变换器，因此输出的电压低于电容器的电池电压。

请参阅图7所示，其显示本实用新型的电源控制器的另一个实施例的示意图。如图7所示，在本实用新型的一个实施例中，所述电源控制器为升压式变换器（Boost 转换器），其同样包括一个开关管Q、电感线圈、Lf，二极管D、电容Cf以及输出电阻R。电感线圈Lf的第一端与二极管的第一端连接，二极管D的第二端与输出电阻的第一端连接，开关管Q的第一端连接于电感线圈第一端和二极管第一端的连接节点，开关管Q的第二端连接于输出电阻R的第二端。开关管电容式储能电池的正极连接于电感线圈的第二端，电容式储能电池的负极连接于输出电阻R的第二端。其中输出电阻R两端的电压为输出电压。由于该实施例中电源控制器为升压式变换器，因此输出的电压高于电容器的电池电压。

请参阅图8所示，其显示本实用新型的电源控制器的再一实施例的示意图。如图8所示，在本实用新型的一个实施例中，所述电源控制器为升降压型转换器（Buck-Boost转换器），其同样包括一个开关管Q、电感线圈、Lf，二极管D、电容Cf以及输出电阻R。开关管的第一端连接于二极管的第二端，二极管的第一端连接于输出电阻的第一端，电感线圈的第一端连接于开关管Q与二极管第二端的连接节点，电感线圈的第二端连接于输出电阻的第二端。电容Cf与输出电阻并联。电容式储能电池的正极与开关管的第二端连接，电容式储能电池的负极与输出电阻的第二端连接。其中输出电阻R两端的电压为输出电压。由于该实施例中电源控制器为升降压式变换器，因此可以将一定范围的电容式储能电池转换为介于电容式储能电池电压之间的平稳输出电压。

以上只是示意性地列举出本实用新型的电源控制器的三个不同实施例，在本实用新型的其他实施例中，可以通过等效转换（如器件易位、合并、变换和插入高频变压器等）和不同的级联组和演化派生出多种转换器，只要保证能够实现将电容式储能电池的电压平稳输出即可。

请参阅图9所示，其显示依据本实用新型电容器储能电池的一个实施例的电池的充放电曲线，如图中所示，本实用新型电容器储能电池在充电时是线性充电，在放电时，由于设置有电源控制器，其输出电压为较为平稳的电压。

本实用新型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，以50度电计算充电时间<5分钟。所以本实用新型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。而且通过电源控制器能够将电容器储能电池的电压转换为平稳电压输出。

上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型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

1.一种带电源控制的电容器储能电池，其特征在于：所述电池包括介电材料、在介电材料内平行间隔交叉排列的第一电极和第二电极、夹持于介电材料两侧的第一封装导体以及第二封装导体；所述第一封装导体与第一电极的一端相连作为电池的正极，第二封装导体与第二电极的一端相连作为电池的负极，所述电池还包括一个与电池正负极连接使电池输出电压平稳的电源控制器。

2.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述电源控制器为降压型直流/直流转换器。

3.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述电源控制器为升压型直流/直流转换器。

4.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述电源控制器为升降压型直流/直流转换器。

5.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述介电材料为方形立方体、圆柱体或多边形柱体中的一种。

6.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述第一电极和第二电极为矩形平板、圆形平板或多边形平板中的一种。

7.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述第一电极为多个末端平齐的平板电极，所述第二电极为多个末端平齐的平板电极。

8.如权利要求1所述的电容器储能电池，其特征在于：所述第一封装导体和第二封装导体为半开口框形，每一封装导体包括两端的卡扣部和与卡扣部垂直连接卡扣部的连接部。

9.如权利要求8所述的电容器储能电池，其特征在于：所述第一封装导体和第二封装导体的卡扣部分别卡扣于介电材料的上下表面。

10.如权利要求8所述的电容器储能电池，其特征在于：所述第一封装导体的连接部与所有第一电极的末端连接，所述第二封装导体的连接部与所有第二电极的末端连接。