TWM537705U - 電雙層電容模組及混合型儲電裝置 - Google Patents

Description

電雙層電容模組及混合型儲電裝置

本創作係關於一種電容模組及儲電裝置，特別是關於一種電雙層電容模組及混合型儲電裝置。

為了發揮節省燃料、降低二氧化碳排放量，許多車廠陸續研發車輛的起停系統。搭載起停系統的車輛，引擎可在停等紅燈之際短暫停止，並在綠燈後瞬間啟動引擎，以利於車輛起步與加速。起停系統相當仰賴車輛電池的瞬間高功率電流輸出。然而，啟動瞬間的高功率電流輸出對於電池會產生劇烈的電壓衝擊，造成電池壽命嚴重下滑，因此需要針對電池進行改良。

故，有必要提供一種電雙層電容模組及混合型儲電裝置，以解決習用技術所存在的問題。

本創作之一目的在於提供一種混合型儲電裝置，其係利用並聯方式電性連接一電池與一電雙層電容模組，並且該電雙層電容模組具有獨立的串聯結構負極電樁頭與串聯結構負極電樁頭，故可直接與電力負載端進行電性連接，以減少電力迴路的電性連接點的接觸阻抗。

本創作之另一目的在於提供一種電雙層電容模組，其包含以串聯方式進行電性連接的多個電雙層電容單元，該電雙層電容模組適用於以一並聯方式電性連接一電池。

為達上述之目的，本創作一實施例提供一種混合型儲電裝置，其包含：一電雙層電容模組及一電池。該電雙層電容模組包含多個電雙層電容單元、多個導電金屬片、一正極導電結 構與一負極導電結構。該些電雙層電容單元各包含一電容正極端子及一電容負極端子。該些導電金屬片分別以一串聯方式電性連接相鄰的該些電雙層電容單元，以使該些電雙層電容單元與該些導電金屬片形成一串聯結構。該正極導電結構包含一第一正極電性連接端與一第二正極電性連接端，其中該第一正極電性連接端電性連接該串聯結構之一正極端，該第二正極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構正極電樁頭。該負極導電結構包含一第一負極電性連接端與一第二負極電性連接端，其中該第一負極電性連接端電性連接該串聯結構之一負極端，該第二負極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構負極電樁頭。該電池以一並聯方式電性連接該電雙層電容模組。

在本創作之一實施例中，該電池係一鉛酸電池或一鋰電池。

在本創作之一實施例中，該電池更包含一電池正極電樁頭與一電池負極電樁頭，該正極導電結構包含一第三正極電性連接端，且該負極導電結構包含一第三負極電性連接端，其中該電池正極電樁頭電性連接該第三正極電性連接端，且該電池負極電樁頭電性連接該第三負極電性連接端。

在本創作之一實施例中，更包含另一電雙層電容模組，其中該另一電雙層電容模組與該電雙層電容模組係並聯且相互電性連接。

在本創作之一實施例中，該正極導電結構包含一第四正極電性連接端，且該負極導電結構包含一第四負極電性連接端，其中該電雙層電容模組的第四正極電性連接端電性連接該另一電雙層電容模組的第二正極電性連接端，該電雙層電容模組的第四負極電性連接端電性連接該另一電雙層電容模組的第二負極電性連接端。

在本創作之一實施例中，該電雙層電容模組更包含一絕緣板，設於該些電雙層電容單元與該些導電金屬片之間。

在本創作之一實施例中，該些電雙層電容單元各包含至少一定位端子(例如數量為2個)，且該絕緣板具有多個孔洞，該些孔洞的位置及尺寸分別對應該些電雙層電容單元的電容正極端子、電容負極端子與定位端子，其中該些電雙層電容單元的電容正極端子、電容負極端子與定位端子分別穿過對應的該些孔洞。

在本創作之一實施例中，該些電雙層電容單元的數量是六個。

本創作另一實施例提供一種電雙層電容模組，適用於以一並聯方式電性連接一電池，該電雙層電容模組包含多個電雙層電容單元、多個導電金屬片、一正極導電結構及一負極導電結構。該些電雙層電容單元各包含一電容正極端子及一電容負極端子。該些導電金屬片分別以一串聯方式電性連接相鄰的該些電雙層電容單元，以使該些電雙層電容單元與該些導電金屬片形成一串聯結構。該正極導電結構包含一第一正極電性連接端與一第二正極電性連接端，其中該第一正極電性連接端電性連接該串聯結構之一正極端，該第二正極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構正極電樁頭。該負極導電結構包含一第一負極電性連接端與一第二負極電性連接端，其中該第一負極電性連接端電性連接該串聯結構之一負極端，該第二負極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構負極電樁頭。

在本創作之一實施例中，該正極導電結構包含一第三正極電性連接端，且該負極導電結構包含一第三負極電性連接端，其中該第三正極電性連接端用於電性連接該電池之一電池正極電樁頭，該第三負極電性連接端用於電性連接該電池之一電池負極電樁頭。

10‧‧‧混合型儲電裝置

11‧‧‧電雙層電容模組

12‧‧‧電池

12A‧‧‧電池正極電樁頭

12B‧‧‧電池負極電樁頭

111‧‧‧電雙層電容單元

111A‧‧‧電容正極端子

111B‧‧‧電容負極端子

112‧‧‧導電金屬片

113‧‧‧正極導電結構

113A‧‧‧第一正極電性連接端

113B‧‧‧第二正極電性連接端

113C‧‧‧第三正極電性連接端

113D‧‧‧第四正極電性連接端

114‧‧‧負極導電結構

114A‧‧‧第一負極電性連接端

114B‧‧‧第二負極電性連接端

114C‧‧‧第三負極電性連接端

114D‧‧‧第四負極電性連接端

115‧‧‧串聯結構

115A‧‧‧正極端

115B‧‧‧負極端

116‧‧‧導線

117‧‧‧絕緣板

117A‧‧‧孔洞

118‧‧‧定位端子

410‧‧‧電壓

420‧‧‧電流

B‧‧‧鉛酸電池

C1‧‧‧超級電容模組

C2‧‧‧電雙層電容模組

M‧‧‧啟動馬達

N1、N2、N3、N4、P1、P2、P3、P4、P5‧‧‧電性連接點

第1A圖：本創作實施例之電雙層電容模組的爆炸示意圖。

第1B圖：本創作實施例之混合型儲電裝置的方塊示意圖。

第2A圖：比較例1的等效電路示意圖。

第2B圖：比較例2的等效電路示意圖。

第2C圖：實施例1的等效電路示意圖。

第2D圖：實施例2的等效電路示意圖。

第3A圖：比較例1的引擎啟動時電壓與電流隨時間而變化的實驗數據圖。

第3B圖：比較例2的引擎啟動時電壓與電流隨時間而變化的實驗數據圖。

第3C圖：實施例1的引擎啟動時電壓與電流隨時間而變化的實驗數據圖。

第3D圖：實施例2的引擎啟動時電壓與電流隨時間而變化的實驗數據圖。

為了讓本創作之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本創作較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本創作所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本創作，而非用以限制本創作。

請參照第1A及1B圖。第1A圖是本創作實施例之電雙層電容模組11的爆炸示意圖。第1B圖是本創作實施例之混合型儲電裝置10的方塊示意圖。本創作實施例之混合型儲電裝置10包含一電雙層電容模組11與一電池12。該電雙層電容模組11包含多個電雙層電容單元111、多個導電金屬片112、一正極導電結構113及一負極導電結構114。該些電雙層電容單元111各包含一電容正極端子111A及一電容負極端子111B。在一實施例中，電雙層電容單元111具有瞬間高功率電流輸出，例如功率密度可達3~10kW/kg，故電雙層電容單元111亦可稱為超級電容。此外， 電雙層電容單元111的循環充放電可達10⁵~10⁶次。由上可知，電雙層電容單元111的特性可適用於車輛的起停系統。

電雙層電容模組11的該些導電金屬片112分別以一串聯方式電性連接相鄰的該些電雙層電容單元111，以使該些電雙層電容單元111與該些導電金屬片112形成一串聯結構115。在一實施例中，除了位於該串聯結構115的頭尾兩端處的電容正極端子(即該串聯結構115的正極端115A)與電容負極端子(即該串聯結構115的負極端115B)之外，其餘的電容正極端子111A與電容負極端子111B分別穿過該些導電金屬片112，並透過焊接的方式，以使這些電容正極端子111A與電容負極端子111B電性連接該些導電金屬片112，進而使該些電雙層電容單元111與該些導電金屬片112形成該串聯結構115。舉例而言，例如該些電雙層電容單元111的電壓各是2.7伏特，若是該些電雙層電容單元111的數量為六個時，該串聯結構115可提供的電壓即為16.2伏特。

電雙層電容模組11的正極導電結構113包含一第一正極電性連接端113A與一第二正極電性連接端113B。該第一正極電性連接端113A電性連接該串聯結構115之正極端115A。在一實施例中，該第一正極電性連接端113A與該正極端115A可以透過焊接的方式連接並固定，以產生電性連接的效果。該第二正極電性連接端113B係該串聯結構115之一串聯結構正極電樁頭，該第二正極電性連接端113B可作為該電雙層電容模組11供電予一電力負載端(未繪示)的正極端。

電雙層電容模組11的負極導電結構114包含一第一負極電性連接端114A與一第二負極電性連接端114B。該第一負極電性連接端114A電性連接該串聯結構115之負極端115B。在一實施例中，該第一負極電性連接端114A與該負極端115B可以透過焊接的方式連接並固定，以產生電性連接的效果。該第二負極電性連接端114B係該串聯結構115之一串聯結構負極電樁頭，該第二負極電性連接端114B可作為該電雙層電容模組11供電予 一電力負載端(未繪示)的負極端。

混合型儲電裝置10的電池12係以一並聯方式電性連接該電雙層電容模組11。在一實施例中，該電池12可以是一鉛酸電池或一鋰電池。在另一實施例中，該電池12更包含一電池正極電樁頭12A與一電池負極電樁頭12B，該正極導電結構113包含一第三正極電性連接端113C，且該負極導電結構114包含一第三負極電性連接端114C，其中該電池正極電樁頭12A電性連接該第三正極電性連接端113C，且該電池負極電樁頭12B電性連接該第三負極電性連接端114C。換言之，該電雙層電容模組11是透過該第三正極電性連接端113C與該第三負極電性連接端114C分別與該電池12的電池正極電樁頭12A與電池負極電樁頭12B進行電性連接，以使該電池12與該電雙層電容模組11產生並聯效果。在一實施例中，該電雙層電容模組11與該電池12可透過導線116進行電性連接。

在一實施例中，本發明實施例之混合型儲電裝置10可包含另一電雙層電容模組(未繪示)，其中該另一電雙層電容模組與該電雙層電容模組11係並聯且相互電性連接。在一例子，該另一電雙層電容模組具有與該電雙層電容模組11相同的元件及結構。在一具體實施例中，該正極導電結構113包含一第四正極電性連接端113D，且該負極導電結構114包含一第四負極電性連接端114D，其中該電雙層電容模組11的第四正極電性連接端113D電性連接該另一電雙層電容模組的第二正極電性連接端(未繪示)，該電雙層電容模組11的第四負極電性連接端114D電性連接該另一電雙層電容模組的第二負極電性連接端(未繪示)。

在一實施例中，該電雙層電容模組11更包含一絕緣板117，設於該些電雙層電容單元111與該些導電金屬片112之間。該絕緣板117的作用主要是避免電容正極端子111A與電容負極端子111B在進行焊接過程時，高溫熔穿電雙層電容單元111。在另一實施例中，該些電雙層電容單元111各包含至少一定位端 子118，且該絕緣板117具有多個孔洞117A，該些孔洞117A的位置及尺寸分別對應該些電雙層電容單元111的電容正極端子111A、電容負極端子111B與定位端子118，其中該些電雙層電容單元111的電容正極端子111A、電容負極端子111B與定位端子118分別穿過對應的該些孔洞117A，以使該絕緣板117能定位在該些電雙層電容單元111與該些導電金屬片112之間。

值得一提的是，本創作實施例之混合型儲電裝置10適用於一車輛時，可將該第二負極電性連接端114B直接電性連接於該車輛的金屬殼體。此一方式不但具有陰極防蝕的作用，並由於車輛的金屬殼體的電性傳導截面積高於導線，故有助於降低電性傳導阻抗。此外，還可減少導線使用量、減少焊接點，有助於降低接觸阻抗。

以下透過多個比較例與多個實施例說明本創作實施例之混合型儲電裝置確實具有較佳的效果。

比較例1

請參照第2A圖，第2A圖係比較例1的等效電路示意圖。比較例1為模擬一般車輛引擎啟動機構，僅以鉛酸電池B作為引擎啟動電力源，其電力源正極側包含啟動馬達M與導線的電性連接點P1、啟動開關兩側導線的電性連接點P2與P3、以及導線與鉛酸電池B的電性連接點P4；而電力源負極側包含有啟動馬達M與金屬車體的電性連接點N1、金屬車體與導線的電性連接點N2、以及導線與鉛酸電池B的電性連接點N3。

比較例2

請參照第2B圖，第2B圖係比較例2的等效電路示意圖。比較例2是採用習知的混合型儲電裝置作為引擎啟動之電力源，其電力源正極側包含啟動馬達M與導線的電性連接點P1、啟動開關兩側導線的電性連接點P2與P3、以及導線、鉛酸電池B與超級電容模組C1的電性連接點P4；而電力源負極側包含有啟動馬達M與金屬車體的電性連接點N1、金屬車體與導線的電性連 接點N2、以及導線、鉛酸電池B與超級電容模組C1的電性連接點N3。在比較例2中，僅鉛酸電池B具有獨立的正極電樁頭與負極電樁頭，而超級電容模組C1沒有獨立的正極電樁頭與負極電樁頭。因此，比較例2是通過鉛酸電池的正極電樁頭與負極電樁頭提供予導線連接。另一方面，比較例2的超級電容模組C1並無第三電性連接端，因此超級電容模組C1與鉛酸電池B是並聯於電性連接點P4與N3，故具有較小的接觸面積小而影響其功率表現(詳細的功率表現將在後面段落比較並示出)。

實施例1

請參照第2C圖，第2C圖係實施例1的等效電路示意圖。實施例1為採用本發明實施例之混合型儲電裝置作為引擎之動力源，其電力源正極側包含啟動馬達M與導線的電性連接點P1、啟動開關兩側導線的電性連接點P2與P3、導線與電雙層電容模組C2的電性連接點P4、以及正極導電結構與鉛酸電池B的電性連接點P5；而電力源負極側包含有啟動馬達M與金屬車體的電性連接點N1、金屬車體與導線的電性連接點N2、導線與電雙層電容模組C2的電性連接點N3以及負極導電結構與鉛酸電池的電性連接點N4。相較於比較例2，實施例1所採用的電雙層電容模組C2具有獨立的正極電樁頭與負極電樁頭，其可供正極導線與負極導線連接。此外，電雙層電容模組C2的第三正極電性連接端與第三負極電性連接端可電性連接鉛酸電池。通過這種電性連接方式，可使電雙層電容模組C2與鉛酸電池B的電性連接面積最大化，有助於降低電性連接點的接觸阻抗。

實施例2

請參照第2D圖，第2D圖係實施例2的等效電路示意圖。實施例2為採用本發明實施例之混合型儲電裝置作為引擎之動力源，其電力源正極側包含啟動馬達M與導線的電性連接點P1、啟動開關兩側導線的電性連接點P2與P3、導線與電雙層電容模組C2的電性連接點P4、以及正極導電結構與鉛酸電池B的 電性連接點P5；而電力源負極側包含有啟動馬達M、電雙層電容模組B與金屬車體的電性連接點N1、金屬車體與導線的電性連接點N2、及導線與電雙層電容模組C2的電性連接點N3。相較於實施例1，實施例2將電雙層電容模組C2的負極側直接電性連接啟動馬達M，此將可精簡電源迴路，而減少負極側的電性連接點，有助於降低整體電源迴路的接觸阻抗。

之後，將上述的比較例1與2、實施例1與2進行引擎啟動測試。以排氣量為2300cc的汽油引擎為例，上述所採用的鉛酸電池是德國DETA公司出產的鉛酸電池(型號：Senator 3)，額定電壓為12伏特、蓄電量是64AH及冷啟動電流可達640安培。而超級電容模組與電雙層電容模組皆是採用六顆串聯的超級電容單體(maxwell；美國)，超級電容單體的電容量為350F、額定電壓為2.7伏特，故串聯後可成為電容量為58.3F的超級電容模組(或電雙層電容模組)，額定電壓可達16.2伏特，以符合額定電壓12伏特的車輛用電。

請參照第3A至3D圖，分別是比較例1與2、實施例1與2的引擎啟動時電壓410與電流420隨時間而變化的實驗數據圖。由圖中可知，比較例1的冷啟動電流為597安培、啟動電壓為9.51伏特，故可估算出啟動最大功率約為5.7仟瓦；比較例2的冷啟動電流為631安培、啟動電壓為6.0伏特，故可估算出啟動最大功率約為58仟瓦；實施例1的冷啟動電流為639安培、啟動電壓為10.11伏特，故可估算出啟動最大功率約為6.5仟瓦；及實施例2的冷啟動電流為708安培、啟動電壓為10.04伏特，故可估算出啟動最大功率約為7.1仟瓦。由此可見，採用本創作實施例之混合型儲電裝置作為引擎之動力源，確實可提高引擎啟動時的最大功率。

另一方面，本創作之混合型儲電裝置作為引擎之動力源更具備下述優點：

一、與現有技術相比，本創作實施例的電雙層電容 模組與電池直接並聯，故不需額外採用直流電源變換器控制電雙層電容模組的充電/放電時間及電流大小。

二、與現有技術相比，本創作實施例具有獨立的串聯結構正極電樁頭及串聯結構負極電樁頭，可提供車輛的正極導線與負極導線直接連接。此外，電雙層電容模組另有正極導線與負極導線可分別連接電池正極電樁頭與電池負極電樁頭，藉以降低接觸阻抗。

三、與現有技術相比，本創作實施例中的電雙層電容單元是被動元件的一種，是由發電機控制充電電流，故無需採用額外裝置來控制電雙層電容單元的充電電流大小；並且電雙層電容單元的蓄電量極低，除發電機可即時對其充電之外，與其並聯的電池亦可即時協助充電。

四、與現有技術相比，本創作實施例的混合型儲電裝置依據用戶需求可在正極側與負極側各設有四個電性連接端。

五；與現有技術相比，本創作實施例中的電雙層電容模組與電池不是整體模組化設計，故電雙層電容模組與電池可獨立拆卸更換，藉以降低維修成本。

如上所述，本創作實施例之混合型儲電裝置係利用並聯方式電性連接一電池與一電雙層電容模組，並且該電雙層電容模組具有獨立的串聯結構負極電樁頭與串聯結構負極電樁頭，故可直接與電力負載端進行電性連接，以減少電力迴路的電性連接點的接觸阻抗。另外，本創作實施例之電雙層電容模組，其包含以串聯方式進行電性連接的多個電雙層電容單元，該電雙層電容模組適用於以一並聯方式電性連接一電池。

雖然本創作已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本創作，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧混合型儲電裝置

11‧‧‧電雙層電容模組

12‧‧‧電池

12A‧‧‧電池正極電樁頭

12B‧‧‧電池負極電樁頭

111‧‧‧電雙層電容單元

112‧‧‧導電金屬片

113‧‧‧正極導電結構

113B‧‧‧第二正極電性連接端

113C‧‧‧第三正極電性連接端

114‧‧‧負極導電結構

114B‧‧‧第二負極電性連接端

114C‧‧‧第三負極電性連接端

116‧‧‧導線

Claims (10)

1. 一種混合型儲電裝置，其包含：一電雙層電容模組，包含：多個電雙層電容單元，各包含一電容正極端子及一電容負極端子；多個導電金屬片，分別以一串聯方式電性連接相鄰的該些電雙層電容單元，以使該些電雙層電容單元與該些導電金屬片形成一串聯結構；一正極導電結構，包含一第一正極電性連接端與一第二正極電性連接端，其中該第一正極電性連接端電性連接該串聯結構之一正極端，該第二正極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構正極電樁頭；及一負極導電結構，包含一第一負極電性連接端與一第二負極電性連接端，其中該第一負極電性連接端電性連接該串聯結構之一負極端，該第二負極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構負極電樁頭；及一電池，以一並聯方式電性連接該電雙層電容模組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合型儲電裝置，其中該電池係一鉛酸電池或一鋰電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之混合型儲電裝置，其中該電池更包含一電池正極電樁頭與一電池負極電樁頭，該正極導電結構包含一第三正極電性連接端，且該負極導電結構包含一第三負極電性連接端，其中該電池正極電樁頭電性連接該第三正極電性連接端，且該電池負極電樁頭電性連接 該第三負極電性連接端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之混合型儲電裝置，更包含另一電雙層電容模組，其中該另一電雙層電容模組與該電雙層電容模組係並聯且相互電性連接。
5. 如申請專利範圍第4項所述之混合型儲電裝置，其中該正極導電結構包含一第四正極電性連接端，且該負極導電結構包含一第四負極電性連接端，其中該電雙層電容模組的第四正極電性連接端電性連接該另一電雙層電容模組的第二正極電性連接端，該電雙層電容模組的第四負極電性連接端電性連接該另一電雙層電容模組的第二負極電性連接端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之混合型儲電裝置，其中該電雙層電容模組更包含一絕緣板，設於該些電雙層電容單元與該些導電金屬片之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之混合型儲電裝置，其中該些電雙層電容單元各包含至少一定位端子，且該絕緣板具有多個孔洞，該些孔洞的位置及尺寸分別對應該些電雙層電容單元的電容正極端子、電容負極端子與定位端子，其中該些電雙層電容單元的電容正極端子、電容負極端子與定位端子分別穿過對應的該些孔洞。
8. 如申請專利範圍第1項所述之混合型儲電裝置，其中該些電雙層電容單元的數量是六個。
9. 一種電雙層電容模組，適用於以一並聯方式電性連接一電池，該電雙層電容模組包含： 多個電雙層電容單元，各包含一電容正極端子及一電容負極端子；多個導電金屬片，分別以一串聯方式電性連接相鄰的該些電雙層電容單元，以使該些電雙層電容單元與該些導電金屬片形成一串聯結構；一正極導電結構，包含一第一正極電性連接端與一第二正極電性連接端，其中該第一正極電性連接端電性連接該串聯結構之一正極端，該第二正極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構正極電樁頭；及一負極導電結構，包含一第一負極電性連接端與一第二負極電性連接端，其中該第一負極電性連接端電性連接該串聯結構之一負極端，該第二負極電性連接端係該串聯結構之一串聯結構負極電樁頭。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電雙層電容模組，其中該正極導電結構包含一第三正極電性連接端，且該負極導電結構包含一第三負極電性連接端，其中該第三正極電性連接端用於電性連接該電池之一電池正極電樁頭，該第三負極電性連接端用於電性連接該電池之一電池負極電樁頭。