TWI581538B - Capacitive stacking device with damping function - Google Patents
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Description
本發明有關於一種具阻尼功能的電容電堆電池裝置，其是一種由多數個電容電堆做串/並聯所組成的電池裝置。
電堆是構成電池的基本單位，電池裝置就是一種儲能裝置。其中，鋰電池是目前使用最為普遍的電池裝置。鋰電池是一種不太穩定的電池裝置，危險性高，而且在使用上也有很多限制。例如：鋰電池在使用中不能過充、過放，如果發生過充、過放的情形，會造成鋰電池損壞或報廢。對鋰電池的充電時，環境溫度不能超過產品所設定的溫度範圍。鋰電池在不同溫度下放電曲線是不同的，其放電電壓及放電時間也不同。
電容有暫存電能的特性，但都無法作為電池裝置。圖1A揭示一無極性電容60，其多用於電氣耦合的電路中。圖1B揭示一有極性電容61，其在電路中多用於濾波及緩衝作用。圖1C揭示一有極性超級電容62，在電路中多用於暫存電能，不是真正的儲電裝置。圖1D揭示一無極性超級電容63(在電路中可被極化)，在電路中多用於暫存電能，不是真正的儲電裝置。圖1E揭示一有極性超高電容64，在電路中多用於大直流電力傳輸的濾波作用。前述五種電容60、61、62、63、64都無法真正儲存電能，不具有電池或二次電池的功能。
鋰電池最大的特點是「比能量」高，也造成本身為高內阻(DCR)，不宜作快充、快放。坊間有將鋰電池與超高電容(Ultra Cap)並聯使用。所述超高電容的容量大到接近電池容量。該超高電容有隔離直流電的特性，充電上有一定的困難性。鋰電池與超高電容並聯使用時，在高壓充電下偶會發生瞬間短路的情形，穩定性差。
坊間亦有將鋰電池與超級電容(Super Cap)並聯使用。所述超級電容在充電時會產生強大的靜電場(極化效應)，並因電容特性的反法拉力，阻礙充電，電位上升，溫度上升，對鋰電池造成不利使用的環境溫度。不論鋰電池是與超高電容(Ultra Cap)並聯使用，還是與超級電容(Super Cap)並聯使用，都不能排除前述鋰電池本身穩定性差的問題。
本發明主要目的在提供一種具阻尼功能的電容電堆電池裝置，其是由多數個電容電堆做串/並聯所組成，其可搭配適當地充電器達到快充、快放的目的。
本發明再一目的在提供一種具阻尼功能的電容電堆電池裝置，其內阻(DCR)極低，在充、放電中發生瞬間短路時不會造成溫度升高，裝置的穩定性高。
為達到以上的目的，乃提供一種具阻尼功能的電容電堆電池裝置，其是由多數個電容電堆做串/並聯所組成。所述每一電容電堆包含有：一超級電容(Super Cap)、及一超高電容(Ultra Cap)。該超級電容為內部設有分隔板的無極性電容。該超高電容為有極性的電化學電容。該超級電容與該超高電容之間為電性並聯連結。該超級電容的容量接近或等於
該超高電容。所述電容電堆在充電時，該超級電容會產生極化效應而充入電壓型態的電能。充入該超級電容內的電能會因電位平衡關係，快速地轉換成電流型態的電能流入該超高電容內儲存，謂之阻尼效應(Damping effect)。
10‧‧‧電容電堆電池
11‧‧‧電容電堆
12‧‧‧超級電容
13‧‧‧超高電容
20‧‧‧充電裝置
21‧‧‧電源輸出裝置
22‧‧‧控制電路
23‧‧‧阻尼電感
24‧‧‧高頻振盪開關
30‧‧‧電能產生裝置
50‧‧‧串/並自動開關
51‧‧‧電性串聯的超級電容
52‧‧‧電性並聯的超高電容
60‧‧‧無極性電容
61‧‧‧有極性電容
62‧‧‧無極性超級電容
63‧‧‧有極性超級電容
64‧‧‧有極性超高電容
L1‧‧‧串聯性質的電感
L2‧‧‧並聯性質的電感
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
圖1A為無極性電容的示意圖。
圖1B為有極性電容的示意圖。
圖1C為有極性超級電容的示意圖。
圖1D為無極性超級電容的示意圖。
圖1E為有極性超高電容(Ultra Cap)的示意圖。
圖2為本發明實施例的結構示意圖。
圖3為圖2所示實施例中電容電堆的結構圖。
圖4為阻尼充電裝置對本發明實施例進行充電的電路方塊圖。
圖5為本發明的等效電路圖。
請參閱圖2、圖3。本發明所揭露之具阻尼功能的電容電堆電池裝置，是由多數個電容電堆11做串/並聯所組成的電容電堆電池10。所述電池裝置必須使用具有阻尼功能的充電裝置來充電，例如：已核准之新型第M484854號「阻尼充電裝置」。
前述電容電堆電池10中的每一電容電堆11包含有：一超級電容(Super Cap)12、及一超高電容(Ultra Cap)13。該超級電容12為內部
設有分隔板的無極性電容。該超高電容13為有極性的電化學電容。該超級電容12與該超高電容13之間為電性並聯連結，以及隱藏式的物理性串聯(極化)。該超級電容12的容量接近或相等於該超高電容13的容量。實作時，以該超級電容12的容量為該超高電容13的容量的90~110%範圍內為較佳。對該電容電堆電池10充電時，每一電容電堆11的超級電容12會產生極化效應而充入電壓型態的電能。因該超級電容與該超高電容的電位平衡關係，令充入該超級電容12內的電能會快速地轉換成電流型態的電能流入該超高電容13內儲存，使該超級電容與該超高電容的電位逐漸趨於相同，並終止於完全相同。此謂之具有共振現象的阻尼效應(Damping effect)。
請參閱圖4，具有阻尼功能的充電裝置20對該電容電堆電池10充電時，對任一電容電堆11而言，是利用該超級電容12能夠產生強大的極化作用，而將電能充入該電容電堆11的超級電容12內。充入該超級電容12內的電能會快速地轉換成電流型態的電能存入該超高電容13內。所述充電裝置20包含：一電源輸出裝置21、一控制電路22、一阻尼電感23、及一高頻振盪開關24。該電源輸出裝置21能夠與一電能產生裝置30連接，其主要將電能產生裝置30所輸出的電能做升壓或降壓的作用後輸出電源。該電容電堆電池10的正極端與該阻尼電感23連接，負極端與該高頻振盪開關24連接。該電能產生裝置30可以是再生能產生裝置，也可以是家用電源。該充電裝置20憑藉該高頻振盪開關24的作動，使該阻尼電感23作高頻率的儲電、放電的連續動作。該高頻振盪開關24在ON的狀態下，該阻尼電感23會儲存電能。該高頻振盪開關24在OFF的狀態下，該阻尼電感23會將所儲存電能釋放出來對該電容電堆電池10充電。故該充電裝置20所放出的電能是具
有頻率響應的電能。
該超級電容12被充入電壓型態的電能後，會升高電位。該超級電容12的電位升高後，自然會將所充入電能轉換成電流型態輸出，而流入該超高電容13內儲存。充入該超級電容12內的電能流入該超高電容13內後，該超級電容12的電位自然會降低，以便於再次吸電。該充電裝置20對該電容電堆10充入具有頻率響應的電能，會對該超級電容12的電位產生升高、降低的高頻變化。
阻尼充電裝置20對該電容電堆11充入具有頻率響應的電能時，會循充電路徑I1的路徑，將電壓型態的電能充入該超級電容12內。充入該超級電容12內的電能會因前述高頻振盪開關24在瞬間關閉的情形下(充電裝置20瞬間停止對電容電堆電池10充電)，快速地循儲電路徑I2的路徑，以電流型態充入該超高電容13內。該超級電容12將極化電壓快速地轉成電流而流入該超高電容13儲存的情形，是一種共振轉態過程(可稱為阻尼效應)，使該電容電堆11的內阻接近零。該電容電堆11內部是在無損失狀態下，將電壓電能轉態電流電能儲存，是構成一種由靜電場物理現象轉成電化學場現象的電容電堆11。
該電容電堆電池10在放電供負載40作功時，是由每一個電容電堆11的超高電容13循放電路徑I3的路徑放出電能。該電容電堆11充電路徑I1與放電路徑I3的路徑不同，故可同時充電與放電。
圖5為本發明的等效電路圖，其中，包含一串/並自動開關50、電性串聯的超級電容51、電性並聯的超高電容52、串聯性質的電感L1、並聯性質的電感L2。該串/並自動開關50切換為串聯型態時，可將電能充
入該電性串聯的超級電容51內，使該電性串聯的超級電容51的電位升高，為充電狀態。該電性串聯的超級電容51內的電能會快速地以電流型態流入該電性並聯的超高電容52內儲存。該串/並自動開關50切換為並聯型態時，該電性並聯的超高電容52內所儲存的電能會向外放電。電阻R1、R2為電路中的內阻。
所述超級電容12可以是能夠在充電時產生強大靜電場的電雙層電容器(Electric Double Layer Capacitors，簡稱EDLC)。所述有極性超高電容13可以是在充電時能夠快速反應電化學場的金屬氧化物偽電容器(Pseudo Capacitors)
本發明有下列特點：
1.本發明的電路結構簡單。本發明充電時，利用該超級電容12做物理性質的極化介電效應。本發明放電時，利用該超高電容13做化學氧化還原效應。
2.本發明可做為大功率電力、動力的電能儲存。本發明電容電堆電池10的儲電量是由串/並聯的電容電堆11數量來決定。因此，只要由足夠數量的電容電堆12所構成的電容電堆電池11，就能夠儲存大功率的電能。
3.本發明儲存有超高頻率響應的電能，能產生共振轉態的阻尼效應。本發明所搭配的充電裝置20能夠放出具有頻率響應的電能，使本發明內部能夠產生共振轉態的阻尼效應，使充電、儲電順暢，加速充電效率。
4.本發明的充電路徑I1與放電路徑I3不同，適合作快速充電與快速放電。
5.由於每一電容電堆內的共振作用，致使內阻極低，在充、放電中即使發生瞬間短路時，也不會發生溫度升高的情形，穩定性高。
6.本發明能夠運用半導體製程，使體積縮小，以作為3C產品的電池裝置，例如：石墨郗、介磁材料(磁阻材料)。又，依本發明技術所製成的產品，其能量密度及容量大小，可憑藉電極材料及幾何條件的選擇來達到。
綜上所陳，本發明所提供的具阻尼功能的電容電堆電池裝置，在前述阻尼充電裝置20的充電下，憑藉可在充電時產生強大靜電場的極化作用的超級電容12，以及利用有極性超高電容13的強大儲存容量，做阻尼效應的超高頻率響應的儲電作用，可加速充電，且令該電容電堆電池裝置的穩定性提高。
以上所述係利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制本發明之範圍。大凡熟知此類技藝人士皆能明瞭，適當而作些微的改變及調整，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍。
10‧‧‧電容電堆電池
11‧‧‧電容電堆
12‧‧‧超級電容(Super Cap)
13‧‧‧超高電容(Ultra Cap)
Claims (1)
- 一種具阻尼功能的電容電堆電池裝置，其是由多數個電容電堆做串/並聯所組成；每一電容電堆包含有：一超級電容(Super Cap)、及一超高電容(Ultra Cap)；其特徵在：該超級電容為能夠在充電時產生強大靜電場的電雙層電容器EDLC，其內部設有分隔板且為無極性電容；該超高電容是在充電時能夠快速反應電化學場的金屬氧化物偽電容器(Pseudo Capacitors)，其為有極性的電化學電容；其中，該超級電容與該超高電容之間為電性並聯連結，以及隱藏式的物理性串聯(極化)；該超級電容的容量為該超高電容的容量的90~110%以內；其中，所述電容電堆被充電時，該超級電容會產生極化效應而充入電壓型態的電能；因該超級電容與該超高電容彼此間的電位為平衡，令該超級電容會轉換電能為電流傳給該超高電容並儲存起來，產生共振型態的阻尼效應；其中，該超級電容由一迴路充入電能的同時，儲存在該超高電容的電能可由另一迴路釋出電能。
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