NL1028797C2 - Oplaadbare voeding. - Google Patents

Description

Oplaadbare voeding

De uitvinding heeft betrekking op een oplaadbare voeding geschikt voor toepassing in of in combinatie met een batterijgevoed apparaat.

Batterijgevoede apparaten zijn er heden ten dage in 5 grote verscheidenheid. Als alomtegenwoordig voorbeeld kam de mobiele telefoon genoemd worden, welke enerzijds veel gebruiksgemak oplevert, maar anderzijds om diverse redenen de gebruiker ergernis kan bezorgen.

Ergernis ontstaat met neurie wanneer de batterij van 10 het apparaat nagenoeg leeg is en men nog een of meer gesprekken wenst te voeren. Nog meer ergernis ontstaat wanneer de batterij tijdens een gesprek niet meer aan zijn wezenlijke functie beantwoordt om de mobiele telefoon operationeel te houden.

15 Zoals hiervoor reeds opgemerkt betreft de mobiele telefoon slechts een voorbeeld. Ook andere apparaten zijn batterijgevoed waarbij het probleem van het op een onhandig moment opraken van de batterij in meer of mindere mate ook daarbij kan optreden.

20 Het zojuist genoemde probleem en de ergernis die ontstaat met het ontijdig opraken van de batterij wordt nog verergerd door de omstandigheid dat het weer opladen van de batterij enige tijd vergt. Tijd die de hedendaagse mens denkt niet te bezitten zodat het heropladen van de batterij met on-25 geduld wordt afgewacht.

Met de uitvinding is beoogd een oplaadbare voeding te verschaffen die snel oplaadbaar is en waarmee de hiervoor bedoelde ergernissen kunnen worden onderdrukt.

De oplaadbare voeding volgens de uitvinding is er 30 daartoe door gekenmerkt dat deze ten minste een superconden-sator omvat.

Gebleken is dat een oplaadbare voeding die gebouwd is rond een of meer van dergelijke supercondensatoren in een oplaadtijd van circa 5-120 seconden kan worden voorzien van 35 een bruikbaar energieniveau zodat in het voorbeeld van de mo- 1028737 2 biele telefoon thans een additionele gesprekstijd van circa 30 minuten kan worden verschaft.

De volgens de onderhavige uitvinding bedoelde super-condensator omvat een elektrolyt en elektroden waarbij de 5 elektroden geselecteerd zijn uit de groep omvattende geactiveerde koolstofpoeders, koolstofnanokanalen, metaaloxiden, composietmaterialen met koolstof (zoals polypyrrole) en geleidende polymeren. Dergelijke supercondensatoren zijn bekend uit de literatuur, zie bijvoorbeeld het artikel 'Development 10 of new supercapacitor electrodes based on carbon nanotubes' door E. Frackowiak et al., gepubliceerd in Polish Journal of Chemistry, 78, p. 1345-1356 (2004).

In een verder aspect van de uitvinding is de oplaadbare voeding erdoor gekenmerkt dat deze ten minste een eerste 15 en een tweede DC-DC convertor omvat die in serie zijn geschakeld, waarbij de eerste DC-DC convertor is aangesloten op de supercondensator en dat op een uitgang van de tweede DC-DC convertor het te voeden apparaat aansluitbaar is.

Met deze maatregel wordt het probleem ondervangen 20 dat de supercondensator tijdens gebruik de eigenschap vertoont dat bij het leeg raken de spanning over de supercondensator afneemt. Dit heeft tot gevolg dat de spanning op enig moment onder de minimaal vereiste spanning komt die het te voeden apparaat verlangt. De zojuist genoemde maatregel be-25 werkstelligt dat de supercondensator langer dit apparaat kan voeden zodat de effectieve lading van de supercondensator vergroot wordt. De eerste DC-DC convertor realiseert daartoe een verlaagde uitgangspanning terwijl de tweede DC-DC convertor zorgdraagt voor een uitgangspanning die ligt boven de mi-30 nimale spanning van het te voeden apparaat.

In weer een verder aspect van de uitvinding is de oplaadbare voeding erdoor gekenmerkt dat voorzien is in een ten opzichte van de supercondensator langzaam ontladende en op de supercondensator al dan niet rechtstreeks aangesloten 35 batterij.

Hiermee is het probleem opgelost dat de supercondensator wanneer deze niet gebruikt wordt, in de loop van een aantal dagen haar effectieve lading verliest ten gevolge van 1028797 3 lekstroom. De supercondensator kan in deze voorgestelde uitvoeringsvorm haar effectieve lading afgeven aan de parallel daarmee geschakelde batterij zodat ook bij een langere stil-standsperiode de effectieve lading beschikbaar blijft.

5 De uitvinding is tevens belichaamd in een voedings- eenheid voor een oplaadbare voeding zoals hiervoor toegelicht, die voorzien is van een elektronische schakeling waarin de supercondensator opneembaar is en die op een externe voeding aansluitbaar is, voor het opladen van de superconden-10 sator.

Door middel van de elektronische schakeling kan de supercondensator binnen de stroom- en spanningsgrenzen gehouden worden die nodig zijn om ongewenste schade aan de supercondensator te vermijden.

15 Voordelig is daartoe dat de elektronische schakeling stuurelektronica omvat voor het besturen van de elektronische schakeling in afhankelijkheid van een laadniveau van de supercondensator .

Een geschikte uitvoering van deze voedingseenheid 20 voor de oplaadbare voeding volgens de uitvinding is er verder door gekenmerkt dat de elektronische schakeling een spoel omvat en een in serie daarmee geschakelde elektronische schakelaar, en dat op een elektrisch verbindingspunt tussen de spoel en de elektronische schakelaar, de supercondensator 25 aansluitbaar is.

De uitvinding zal in het navolgende verder worden toegelicht aan de hand van enkele de navolgende conclusies niet beperkende uitvoeringsvoorbeelden van een oplaadbare voeding volgens de uitvinding.

30 In de tekening toont: - figuur 1 een elektrisch schema van een gelijkspan-ningsgevoede voedingseenheid voor een oplaadbare voeding volgens de uitvinding, - figuur 2 een elektrisch schema van een wisselspan- | 35 ningsgevoede voedingseenheid voor een oplaadbare voeding vol gens de uitvinding, en 1028797 4 - figuur 3 een elektrisch schema van een voorkeursuitvoeringsvorm van een oplaadbare voeding volgens de uitvinding.

In de figuren gebruikte gelijke verwijzingscijfers 5 verwijzen naar dezelfde onderdelen.

In figuur 1 is een voedingseenheid voor een oplaadbare voeding getoond die aansluitbaar is op een gelijkspanning V-supply voor het opladen van een op deze voedingseenheid aangesloten supercondensator 1.

10 Een dergelijke supercondensator 1 is gebouwd in een behuizing waarin een elektrolyt is opgenomen en elektroden.

De elektroden zijn geselecteerd uit de groep omvattende geactiveerde koolstofpoeders, koolstofnanokanalen, metaaloxiden, composietmaterialen met koolstof, en geleidende polymeren.

15 Figuur 1 toont dat de supercondensator 1 is opgeno men in een elektronische schakeling die op genoemde externe gelijkspanningsvoeding V-supply van 10-30 volt aansluitbaar is voor het opladen van de supercondensator 1. De elektroni-.sche schakeling omvat voorts stuurelektronica 2 voor het be-20 sturen van de elektronische schakeling in afhankelijkheid van een laadniveau van de supercondensator 1 zoals dat bepaald wordt met de meetbruggen 3 en 4. In afhankelijkheid van de spanningsniveaus gemeten ter plaatse van deze meetbruggen 3 en 4 reageert de stuurelektronica 2 door het gecontroleerd 25 aansturen van een elektronische schakelaar 5 die in serie is geplaatst met een spoel 6 die op haar beurt is aangesloten op de gelijkspanningsvoeding v-supply.

Op het elektrisch verbindingspunt 7 tussen de spoel 6 en de elektronische schakelaar 5 is via een laagverliesdio-30 de 8 de genoemde supercondensator 1 aangesloten.

De stuurelektronica 2 is ingericht om zonder schade aan de supercondensator 1 die vermeden dient te worden, tot snelle lading van deze condensator te komen waarbij de energie betrokken wordt van de op de voedingsspanning V-supply 35 aangesloten spoel 6.

De schakeling van figuur 1 werkt als volgt.

De voeding is aangesloten op een gelijkspanning in het bereik van 10-30 volt welke voldoende vermogen kan leve- | 1028797 5 ren om de supercondensator 1 binnen een gewenste tijd op te laden.

De voedingspanning V-supply is belast met een condensator 11 welke ervoor zorgt dat eventuele stroompieken 5 tijdens het laden weinig invloed uitoefenen op de voedingspanning V-supply.

Parallel geschakeld aan de supercondensator 1 is een zenerdiode 12 welke dient als overspanningsbeveiliging. Eveneens daarmee parallel geschakeld is een condensator 13 die 10 overgangseffecten opvangt die het resultaat zijn van het aan-en afkoppelen van de supercondensator 1. In de regel is deze supercondensator 1 namelijk met de schakeling door middel van een (lange) kabel verbonden.

De stuurelektronica 2 verzorgt het laadproces dat 15 start wanneer gemeten is dat de voedingspanning V-supply meer bedraagt dan 10 volt en dat de supercondensator 1 een lagere dan zijn maximale werkspanning bezit. Wanneer aan deze criteria is voldaan verzorgt de stuurelektronica 2 dat elektronische schakelaar 5 welke is uitgevoerd als mosfet wordt open-20 gestuurd, ten gevolge waarvan spoel 6 stroomdragend wordt. De stroom door spoel 6 wordt gemeten met een meetweerstand 14. Wanneer deze stroom haar met behulp van weerstand 14 gemeten maximale waarde bereikt, stuurt de stuurelektronica 2 schakelaar 5 weer dicht zodat over de spoel 6 een spanning ver-25 schijnt die gelijk is aan de spanning over de supercondensator l minus de spanning over de Shottkydiode 8. De stroomweg die geblokkeerd is door het sluiten van de schakelaar 5 zorgt ervoor dat de stroom nu· via genoemde diode 8 de supercondensator 1 oplaadt. In dit proces neemt de stroom geleidelijk 30 af. Wanneer deze stroom en de daarmee corresponderende spanning over de spoel 6 voldoende is afgenomen is de laadcyclus beëindigd en kan indien gewenst een herhaling van de laadcyclus plaatsvinden.

In figuur 2 is zeer schematisch het elektrisch sche-35 ma getoond van een wisselspanningsgevoede voedingseenheid volgens de uitvinding. De voedingsspanning Vcc wordt via een diode 9 gelijkgericht en laadt een condensator 10. Vanuit de- 1028797 6 ze condensator 10 wordt de stroom betrokken die dient voor oplading van de supercondensator 1.

Voor het opladen van de supercondensator 1 is evenals in het geval van de in figuur 1 getoonde schakeling 5 voorzien in een elektronische schakelaar 5 en een in serie daarmee geplaatste spoel 6. Voorts is stuurelektronica 2 aanwezig voor het in afhankelijkheid van de laadcyclus van de supercondensator 1 besturen van de elektronische schakelaar 5 zodat deze beurtelings aan en uit wordt geschakeld.

10 Dientengevolge wordt de door spoel 6 lopende stroom eveneens beurtelings aan- en uitgescbakeld ten gevolge waarvan de stroomconserverende eigénschappen van de spoel 6 voor opladen van de supercondensator 1 kunnen zorgdragen.

Voor de vakman is duidelijk dat binnen het kader van 15 de uitvinding de in figuur 1 en 2 getoonde schakelingen gewijzigd kunnen worden zonder daarbij de uitvindingsgedachte zoals verwoord in de navolgende conclusies te verlaten.

De beschermingsomvang die aan de uitvinding toekomt wordt mitsdien slechts bepaald door de navolgende conclusies 20 zonder dat deze beperkt geacht mogen worden op de specifieke hiervoor ter toelichting van deze conclusies gegeven uitvoe-ringsvoorbeelden.

Figuur 3 ten slotte toont de oplaadbare voeding volgens de uitvinding in een voorkeursconfiguratie.

25 De in figuur 3 getoonde oplaadbare voeding wordt werderom in hoofdzaak gevormd door de supercondensator 1 waarop bij voorkeur een eerste DC-DC convertor 15 en een tweede DC-DC convertor 16 is aangesloten. De eerste DC-DC convertor 15 en de tweede DC-DC-convertor 16 zijn in serie 30 geschakeld.

De eerste DC-DC convertor 15 draagt zorg voor een neerwaartse conversie van de gelijkspanning die afkomstig is van de supercondensator 1, terwijl de tweede DC-DC convertor 16 zorgdraagt voor een opwaartse conversie van de gelijkspan-35 ning teneinde te garanderen dat de uitgangspanning van deze tweede DC-DC convertor 16 ten minste de minimale spanning bedraagt die het op de voeding aan te sluiten apparaat beno-digt.

1028797 7

In figuur 3 is verder nog getoond dat tussen de eerste DC-DC convertor 15 en de tweede DC-DC convertor 16 een met de supercondensator 1 parallel geschakelde batterij 17 kan zijn geplaatst. Hiermee kan worden zorggedragen dat de 5 relatief grote lekstroom van de supercondensator 1 niet negatief uitwerkt op de beschikbaarheid van energie aan de uit-gangskleiranen van de tweede DC-DC convertor 16 wanneer de oplaadbare voeding volgens de uitvinding een geruime tijd buiten gebruik is gebleven.

4 1028797

Claims (8)

1. Oplaadbare voeding geschikt voor toepassing in een batterijgevoed apparaat, gekenmerkt doordat deze ten minste een supercondensator omvat.

2. Oplaadbare voeding volgens conclusie 1, met het 5 kenmerk, dat de supercondensator een elektrolyt en elektroden omvat, waarbij de elektroden geselecteerd zijn uit de groep omvattende geactiveerde koolstofpoeders, koolstofnanokanalen, metaaloxiden, composietmaterialen met koolstof, en geleidende polymeren.

3. Oplaadbare voeding volgens een der conclusies 1- 2, met het kenmerk, dat de voeding ten minste een eerste en een tweede DC-DC convertor omvat die in serie zijn geschakeld, en waarbij de eerste DC-DC convertor tijdens bedrijf is aangesloten op de supercondensator en dat op een uitgang van 15 de tweede DC-DC convertor het apparaat aansluitbaar is.

4. Oplaadbare voeding volgens een der conclusies 1- 3, met het kenmerk, dat voorzien is in een ten opzichte van de supercondensator langzaam ontladende en op de supercondensator al dan niet rechtstreeks aangesloten batterij.

5. Voedingseenheid voor een oplaadbare voeding vol gens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat deze is voorzien van een elektronische schakeling waarin de supercondensator opneembaar is, en die op een externe voeding aansluitbaar is, voor het opladen van de supercondensator.

6. Voedingseenheid volgens conclusie 5, met het ken merk, dat de elektronische schakeling stuurelektronica omvat voor het besturen van de elektronische schakeling in afhankelijkheid van een laadniveau van de supercondensator.

7. Voedingseenheid volgens conclusie 5 of 6, met het 30 kenmerk, dat de elektronische schakeling een spoel omvat en een in serie daarmee geschakelde elektronische schakelaar, en dat op een elektrisch verbindingspunt tussen de spoel en de elektronische schakelaar, de supercondensator aansluitbaar is. 1028797

8. Gebruik van een supercondensator als oplaadbare voeding of als deel daarvan. 1028797