TWI608505B - 用於電器的基於超級電容器的能量儲存之設備、方法及電路 - Google Patents

Description

用於電器的基於超級電容器的能量儲存之設備、方法及電路

這關於由超級電容器所供電的電器。

基於超級電容器的電器典型使用單一電容器或幾個電容器的串聯/並聯組合。當電容器並聯連接時，有效電容增加而提供較高能量儲存。今日，超級電容器乃限制於2.7伏特。因此，為了增加其輸出電壓，電容器乃串聯連接，這減少了它們的電容。然而，由於儲存能量係正比於電壓的平方，故可以造成在較高電壓下的較高能量儲存。

超級電容器也已知為終極電容器、超級電容或雙層電容器。它們與其他的電容器有所區別，此乃因為它們在二板之間具有分隔物，其有效的產生了雙重電容器。

超級電容器可以取代電器使用量不長之消費者應用中的電池，例如可充電電池。也就是說，如果使用量是間歇性的，則超級電容器可以在接續使用之間快速再充電。特別是對於電器花費大部分時間在充電座上的應用而言，超級電容器可以有效率的取代電器中的電池。

超級電容器使用充電電路來取代習用的可充電式電池，例如NiCd、NiMH或Li離子。單一或多重超級電容器可以採用串聯/並聯組合來儲存電荷，而以簡單的電阻 器來限制電流。充電電路將電容器充電，並且電壓轉換器維持固定不變的電壓到電器。串聯和並聯之電容器的數目則視電壓、能量儲存、典型的使用時間而定。

當電器打開時，它使用來自電容器(而非電池)的能量。隨著能量被電器消耗，電容器放電，而減少了電容器的輸出電壓。雖然電子器件將輸出電壓轉換成電器可接受的數值，但是電容器的尺寸可以做適當的選擇，使得電容器夠大以維持電器之典型間歇使用期間所需的能量。

電器中的電容器可以藉由重新放在充電座上而在間歇使用之間快速充電。如果充電座能夠以高電流來將電容器充電，則間歇使用之間的充電時間可以相對為少。

可能的應用包括圖1所示的電動牙刷、圖2所示的電動螺絲起子、圖3所示的電鑽、圖4所示的手電筒。在充電週期之間短時間使用的任何電器可以適合用於超級電容器電源。

超級電容器具有極長的壽命，典型為30年左右，相較而言可充電電池的壽命才二到三年。標準可拋棄式電池甚至具有更短的壽命。超級電容器不像電池使用有毒的化學品，使得它們「較為環保」(greener)。基於超級電容器的電池重量可以比較輕。相較於可充電電池而言，隨著科技成熟，基於超級電容器的解決方式在未來可以較不昂貴。

超級電容器展現出洩漏(由R_洩漏所代表)，此導致放電。並且，當電容器以串聯組合來使用以增加電壓時，刻意加入洩漏電阻器以拉平串聯堆疊中之所有電容器的放 電。如果洩漏沒有拉平，則不平均的放電或可使跨越電容器的電壓上升超過其最大的額定電壓，而損害電容器。

如圖5所示，基於超級電容器的電器20可以包括電容器22，其充電自充電電路26。某些實施例可以使用洩漏電阻器24。當完全充電到充電電壓或到夠高的電壓時，電容器供應電壓給負載30。隨著負載消耗來自電容器的能量，跨越電容器的電壓便減少，因此電器(負載)隨著使用而經歷了供應電壓的逐漸降低，而可能會危及功效。

因此，一種可能的解決方式是使用大電容器，如此則電壓減少不是那麼多。然而，較大的超級電容器可能體積更大、更昂貴、花更長時間來將大電容器充電。

於電容器是較小的某些實施例，電容器電壓的滑落可以由電壓調節器28所補償，其把實質固定不變的電壓呈現給負載。如在此所用，「實質固定不變的」(substantially constant)電壓是在充電之間變化不多於百分之二十(20%)的電壓。

超級電容器和關聯的電子器件提供必要的電能給間歇使用的電器。電路20提供最終電壓給電器，並且超級電容器乃使用任何習用的充電方法來充電。

圖6顯示假設的電池放電特徵B，該電池提供實質固定不變的電壓給負載。隨著能量從電池消耗掉(X軸)，在電池端子的電壓是相當固定不變的，對於可充電式電池而言這是在1.2伏特附近。當它抵達特定的能量門檻時，電壓便快速滑落。圖6顯示假設的電容器特徵A，其中電壓 隨著能量消耗而持續滑落。

因此，單是採用電容器來儲存能量則對於電器來說並不理想。反而要有電壓調節器28維持著實質固定不變的電壓，例如用於可充電式應用的1.2伏特。電子器件可以用於從放電電容器來提供實質固定不變的電壓給負載。當儲存於電容器的能量達到特定的門檻，因為電子器件發出警示訊號而指出能量儲備正在變低，所以電器可以警示使用者要再充電。舉例而言，當無線電話的能量程度為低時則紅燈開始閃爍。

起初，可以減少電容器的輸出電壓以遵循被取代之典型的放電特徵B。然後在一時點之後，可能必須真正提升電壓以追上被取代之電池的放電特徵。因此，在放電的初期，可以減少電容器的放電特徵以產生較低電壓，如箭號C所指；然後在某一時點，可能必須增加輸出電壓，如箭號D所指。

超級電容器乃使用圖5所示的充電電路26而充電自外部來源(充電電壓)。於充電操作期間，由於能量供應給電容器，故可以停用其餘的電子器件。

參見圖7，調節器28可以包括電壓感測區塊41。當感測區塊41感測到施加的電壓高於跨越電容器的電壓時，它關閉轉換器44並且啟用充電電路26(圖5)以將電容器22(圖5)充電。

當移除充電電壓時，偵測區塊42偵測到充電已經停止、關閉充電電路、啟動升壓/降壓轉換器44以將跨越 電容器的電壓轉換成負載所需的電壓。感測區塊41感測電容器電壓來看看它是否高於負載所需之名義上的電壓，並且設定升壓/降壓轉換器44的方向，如此則轉換器可以於正確的方向來轉換跨越電容器的電壓。

當電容器完全充電於充電電壓時，這電壓可以做降壓轉換以呈現給負載。當來自電容器的能量被消耗時，電壓便滑落；當它滑落到負載電壓之下，因為偵測區塊42將轉換器的方向改變成升壓轉換，所以電容器的電壓被轉換成較高值。

結果，負載經歷了實質固定不變的電壓，即使跨越電容器的電壓隨著能量消耗而從在完全充電的高於負載變化到低於負載。隨著電容器中的能量滑落，偵測區塊42偵測到須要產生低能量警示訊號的門檻。最後，當跨越電容器的電壓變成對於轉換器的適當操作而言是太低時，限制偵測電路42偵測到此限制並且關閉轉換器。

參考電壓產生器43產生固定不變的參考電壓。這固定不變的參考電壓是由整個系統所使用以比較電壓和此參考電壓。充電電路以限流器來將超級電容器加以充電。負載控制訊號「充電#」啟動對電容器充電。當電容器電壓漸漸逼近充電電壓V時，便減少充電電流。如此則電容器至多充電到電壓V。

圖8所示的充電電路26採用具有電阻器50的PMOS電晶體52以用來限制充電電流。當電晶體52之閘極上的控制訊號「充電#」被感測區塊41判定為低而指出施加了充 電電壓時，便打開PMOS電晶體以將電容器22加以充電。跨越電容器的電壓幾乎線性的增加，首先是快速的充電，然後漸漸的安頓到施加的充電電壓。

圖9顯示使用順向偏壓二極體54的參考電壓產生器43。跨越二極體的電壓乃衍生自負載以及衍生自電容器。跨越二極體的電壓是相當固定不變的，於一實施例是在0.6伏特附近。

用於感測區塊41之轉換器的感測電壓可以由圖10所示的電路所展開。於此電路，操作放大器56比較充電電壓(V_充電)的比例(由電阻器58和60所產生)和參考電壓(V_REF)。如果充電電壓夠高，則它指出電容器正在充電。操作放大器發出「充電#」訊號以啟用充電電路並且關閉升壓/降壓轉換器。如果充電電壓為低，則關閉充電電路並且啟用升壓/降壓轉換器以提供電壓給負載。

圖11顯示實施於限制偵測電路42的升壓/降壓控制。此電路藉由比較電容器電壓Vc和負載電壓V而決定升壓或降壓轉換模式。

比較器62可以是操作放大器，其實施上有所遲滯以在輸出有穩定的判定而無任何振盪。輸入則比較了電阻器64和66所產生之負載電壓的固定比例與電阻器68和70所產生之跨越電容器的電壓比例。如果跨越電容器的電壓高於端子電壓，則它在輸出發出降壓轉換，反之亦然。輸出訊號告訴轉換器是否要轉換電容器的電壓為上升或下降以產生實質固定不變的電壓供負載之用。

隨著電容器能量逐漸消耗，跨越電容器的電壓滑落，並且抵達電器中剩下有限能量的時點，其舉例而言可以藉由發出紅光而提供剩下有限能量的指示給使用者。圖12顯示產生此種警示訊號的電路。於圖12，操作放大器76比較電容器電壓之電阻器72和74所形成的電壓比例與參考電壓來決定它是否應產生警示訊號。

由於能量消耗的緣故，電容器電壓持續滑落。當它抵達電壓轉換器可能不會可靠操作的限制時，圖13所示的電路便關閉電壓轉換器。二電阻器78和80所產生的電容器電壓比例與參考電壓做比較；如果電壓太低，則操作放大器82發訊號給轉換器以關閉之。

有幾種方式來實施電壓轉換器以將跨越電容器的電壓轉換為端子電壓。可以使用切換調節器或轉換器(也稱為Buck轉換器)、切換電容轉換器、線性電壓調節器(僅降壓)，雖然揭示的是切換轉換器而亦可以使用其他做法。

圖14顯示使用MOS電晶體84做為開關之轉換器44(圖7)的操作。當跨越電容器的電壓高於端子電壓時，轉換器使用電晶體84a和84c而降壓。當跨越電容器的電壓掉落到端子電壓之下時，開關84b和84d做升壓轉換。

圖15顯示典型的切換圖，其顯示具有脈衝寬度調變之轉換器的操作。垂直軸是電壓而水平軸是時間。名義上的脈衝寬度t和名義上的週期T乃顯示於圖15a。然後於圖15b，名義上的脈衝寬度t減少了。這是因為感測電壓大於參考電壓的狀況，如此則有較高的端子電壓。這導致 圖14所示的升壓/降壓轉換器之電感器86的電流有所減少。為了配合此狀況，脈衝寬度有所減少。於圖15c，脈衝寬度t增加了，此乃因為感測電壓小於參考電壓。這意謂有較低的端子電壓，所以必須增加電感器86(圖14)中的電流。

上述所有的主動電路可以用離散的或整合的電子器件來實施。整合的版本無疑的將會較小而有效率。例如電容器和電感器的被動元件乃相當小，並且它們或可為離散的，或者它們也可能整合於電子器件。電子器件的尺寸相較於電器中之典型電池的體積而言是極小的，並且大部分的體積可以專用於超級電容器以供能量儲存之用。

雖然顯示的是MOS電晶體，但是可以代之以雙極電晶體而不失一般性。對於具有低電壓負載的電器而言，MOS電晶體可能更適合，此乃由於它們具有比雙極電晶體之順向偏壓Vbe還低的門檻電壓Vt，而讓電路容易設計和更有效率。對於較高電壓而言，MOS或雙極電晶體都一樣適合。

本說明書全篇對於「一實施例」或「實施例」的參考乃意謂關聯於該實施例所描述之特殊的特色、結構或特徵係包括於本發明所涵括的至少一實施例中。因此，出現「一實施例」或「於實施例」等語未必是指同一實施例。再者，特殊的特色、結構或特徵可以採取非所示範的特殊實施例之其他適合的形式來構成，並且所有此種形式可以被涵括於本案的請求項裡。

雖然本發明已經關於有限數目的實施例來描述，不過熟於此技藝者將從中體會許多的修改和變化。所附申請專利範圍打算涵蓋落於本發明之真意和範圍裡的所有此種修改和變化。

20‧‧‧基於超級電容器的電器

22‧‧‧電容器

24‧‧‧洩漏電阻器

26‧‧‧充電電路

28‧‧‧電壓調節器

30‧‧‧負載

41‧‧‧電壓感測區塊

42‧‧‧偵測區塊

43‧‧‧參考電壓產生器

44‧‧‧轉換器

50‧‧‧電阻器

52‧‧‧PMOS電晶體

54‧‧‧順向偏壓二極體

56‧‧‧操作放大器

58、60‧‧‧電阻器

62‧‧‧比較器

64、66、68、70、72、74‧‧‧電阻器

76‧‧‧操作放大器

78、80‧‧‧電阻器

82‧‧‧操作放大器

84a、84b、84c、84d‧‧‧MOS電晶體

86‧‧‧電感器

A‧‧‧假設的電容器特徵

B‧‧‧假設的電池放電特徵

C‧‧‧減少電容器的放電特徵

D‧‧‧增加輸出電壓

t‧‧‧名義上的脈衝寬度

T‧‧‧名義上的週期

一些實施例乃關於以下的圖式來描述：圖1是根據一實施例之牙刷的立體圖；圖2是根據一實施例之螺絲起子的立體圖；圖3是根據一實施例之鑽子的立體圖；圖4是根據一實施例之手電筒的立體圖；圖5是一實施例的示意顯示圖；圖6是用於一實施例之電壓對相對能量的假想圖；圖7是根據一實施例的圖5調節器之更詳細的示意圖；圖8是根據一實施例之圖5所示充電電路的顯示圖；圖9是根據一實施例之參考電壓產生器的電路示意圖；圖10是根據一實施例而展開用於感測區塊之感測電壓的電路示意圖；圖11是根據一實施例而用於圖7所示限制偵測之升降壓控制的電路示意圖；圖12是用於一實施例的低電壓警示電路；圖13是根據一實施例而將電路44所用之電壓轉換器 加以關閉的電路；圖14是升壓/降壓轉換器的一實施例；以及圖15顯示根據一實施例來操作電壓轉換器的波形。

20‧‧‧基於超級電容器的電器

22‧‧‧電容器

24‧‧‧洩漏電阻器

26‧‧‧充電電路

28‧‧‧電壓調節器

30‧‧‧負載

Claims (21)

1. 一種基於超級電容器的能量儲存之設備，其包括：工具；以及用於該工具的電源，其包括超級電容器和電壓調節器，該電壓調節器係用以修改從該超級電容器所輸出的電壓，其中，該電壓調節器係藉由使用被有所遲滯的實施之操作放大器去比較電容器電壓和工具電壓，及藉由比較由一個或多個電阻器所產生之該工具電壓的固定比例與由一個或多個額外的電阻器所產生之跨越該超級電容器的電壓之比例，來決定是否減少或增加該超級電容器之該輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項的設備，其中該工具是牙刷、螺絲起子、鑽子或手電筒當中一者。
3. 如申請專利範圍第1項的設備，其中該電壓調節器嘗試維持該輸出電壓在約1和2伏特之間。
4. 如申請專利範圍第1項的設備，其中該工具是間歇使用的工具。
5. 如申請專利範圍第1項的設備，其中該電源輸出實質固定不變的電壓。
6. 如申請專利範圍第5項的設備，其中該電壓為約1.2伏特。
7. 如申請專利範圍第1項的設備，其中該電壓調節 器包括降壓和升壓轉換器以維持實質固定不變的輸出電壓。
8. 如申請專利範圍第1項的設備，其中該電壓調節器觸發低電壓指示器。
9. 一種基於超級電容器的能量儲存之方法，其包括：修改從超級電容器所輸出的電壓，藉由使用被有所遲滯的實施之操作放大器去比較電容器電壓和負載電壓，及藉由比較由一個或多個電阻器所產生之該負載電壓的固定比例與由一個或多個額外的電阻器所產生之跨越該超級電容器的電壓之比例，來決定是否減少或增加該超級電容器之該輸出的電壓。
10. 如申請專利範圍第9項的方法，其包括使用該超級電容器來對牙刷、螺絲起子、鑽子或手電筒供電。
11. 如申請專利範圍第9項的方法，其包括嘗試維持該輸出電壓在約1和2伏特之間。
12. 如申請專利範圍第9項的方法，其包括使用該超級電容器來對間歇使用的工具供電。
13. 如申請專利範圍第9項的方法，其從該超級電容器提供實質固定不變的電壓。
14. 如申請專利範圍第13項的方法，其中該提供包括提供約1.2伏特的電壓。
15. 如申請專利範圍第9項的方法，其包括使用降壓和升壓轉換器以維持實質固定不變的輸出電壓。
16. 如申請專利範圍第9項的方法，其包括觸發低電壓指示器。
17. 一種基於超級電容器的能量儲存之電路，其包括：超級電容器；以及電壓調節器，其修改從該超級電容器所輸出的電壓，其中，該電壓調節器係藉由使用被有所遲滯的實施之操作放大器去比較電容器電壓和負載電壓，及藉由比較由一個或多個電阻器所產生之該負載電壓的固定比例與由一個或多個額外的電阻器所產生之跨越該超級電容器的電壓之比例，來決定是否減少或增加該超級電容器之該輸出的電壓，以產生實質固定不變的輸出電壓。
18. 如申請專利範圍第17項的電路，其中該電壓調節器嘗試維持該輸出電壓在約1和2伏特之間。
19. 如申請專利範圍第17項的電路，其中該電壓為約1.2伏特。
20. 如申請專利範圍第17項的電路，其中該電壓調節器包括降壓和升壓轉換器以維持實質固定不變的輸出電壓。
21. 如申請專利範圍第17項的電路，其中該電壓調節器觸發低電壓指示器。