具有電池形狀因數(shù)的基于超級電容器的能量存儲器的制造方法
【專利摘要】基于超級電容器的能量源可代替可再充電電池和傳統(tǒng)電池。它可具有傳統(tǒng)電池的形狀因數(shù)，并可模仿被替換的電池的放電特性。
【專利說明】具有電池形狀因數(shù)的基于超級電容器的能量存儲器

【背景技術(shù)】
[0001 ] 這涉及超級電容器供電的設(shè)備。
[0002]基于超級電容器的設(shè)備通常使用單個電容器或幾個電容器的串聯(lián)/并聯(lián)組合。當電容器并聯(lián)連接時，有效電容增加，從而提供較高的存儲能量?，F(xiàn)今，超級電容器被限制到
2.7伏。因此，為了增加它們的輸出電壓，電容器被串聯(lián)連接，這減小了它們的電容。然而，由于存儲的能量與電壓的平方成比例，結(jié)果是在越高的電壓下具有越高的存儲能量。
[0003]超級電容器(ultra-capacitor)也被稱作超電容器(super capacitor)、超強電容器(super condenser)、或者雙電荷層電容器。它們區(qū)別于其它電容器,這是因為它們在兩個板之間具有隔板，這有效地創(chuàng)造了雙聯(lián)電容器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]針對下面的附圖描述了一些實施例:
[0005]圖1是根據(jù)一個實施例的基于電容器的能量存儲器的透視圖；
[0006]圖2是一個實施例的示意性視圖；
[0007]圖3A是用于可再充電電池的電壓相對能量的曲線圖；
[0008]圖3B是用于電容器的電壓相對能量的曲線圖；
[0009]圖4是根據(jù)一個實施例的充電電路的視圖；
[0010]圖5是根據(jù)一個實施例的參考電壓產(chǎn)生器的電路示意圖；
[0011]圖6是根據(jù)一個實施例的用于產(chǎn)生感測電壓的感測塊的電路示意圖；
[0012]圖7是根據(jù)一個實施例的在用于圖2所示的限度檢測中的升壓降壓控制的電路示意圖；
[0013]圖8是根據(jù)一個實施例的用于關(guān)閉電路24中使用的電壓轉(zhuǎn)換器的電路；
[0014]圖9是用于使用圖10的電路的一個實施例的電壓相對能量的曲線圖；
[0015]圖10是用于一個實施例的低電壓檢測電路；
[0016]圖11是用于使用圖12的電路的一個實施例的電壓相對能量的曲線圖；
[0017]圖12是用于另一個實施例的低電壓檢測電路；
[0018]圖13是升壓/降壓轉(zhuǎn)換器的一個實施例；以及
[0019]圖14示出了根據(jù)一個實施例的電壓轉(zhuǎn)換器的操作的波形圖。

【具體實施方式】
[0020]傳統(tǒng)的可再充電電池或標準的一次性電池中使用的化學(xué)制品可由超級電容器(有時也稱為超電容器)和支持性電子器件來代替。形狀因數(shù)保持不變。電子器件被用來為電容器充電和可控放電，以獲得能量，從而用來模仿典型的電池行為。因此，使用這些新電池的現(xiàn)有設(shè)備在形狀因數(shù)或放電特性上沒有任何實質(zhì)區(qū)別。
[0021]具有電子器件的超級電容器可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可再充電電池，如NiCcU NiMH、或L1-1on，或者甚至是普通的一次性電池。超級電容器和電子器件被容納在傳統(tǒng)的電池外殼中，從而模仿標準尺寸的電池，如AA、AAA、等，在一些實施例中用戶設(shè)備看不出實質(zhì)的區(qū)別。內(nèi)置的電子器件控制電容器的充電和放電，以使設(shè)備表現(xiàn)類似于電池，因此用戶體驗這些設(shè)備，就好像它們是電池，不僅僅在外觀上，而且在放電行為上。僅有的明顯區(qū)別在于對這些新“電池”的充電不能持續(xù)得像普通的電池那樣長。然而，對于一些使用不是則長時間的應(yīng)用，該充電將是足夠的，并且電容器被定期再充電。
[0022]一些實施例也被應(yīng)用到目前使用內(nèi)置電池的設(shè)備，其中在一個設(shè)備中的電子器件被設(shè)計用于傳統(tǒng)的電池。因此僅用超級電容器代替電池可能是不夠的，因為電池與電容器相比具有不同的放電特性。相反，電子器件可模仿電池放電行為，以更加無縫地使用這些電子器件而加強的超級電容器來代替電池。
[0023]每個超級電容器殼容納一個或多個串聯(lián)/并聯(lián)組合的超級電容器，并具有用于可控充電的充電電路。在充電操作期間，該電路檢測施加的電壓高于被替換的電池的電壓，就進入充電模式。該電路還檢測何時電容器被放電，并基于當前電容器的電壓以升壓或降壓轉(zhuǎn)換模式來激活電壓轉(zhuǎn)換器。在一些實施例中，產(chǎn)生可再充電電池替代物的約為1.2V的輸出電壓以及標準一次性電池替代物的約為1.5V的輸出電壓。當電容器電壓充分減小，僅有備用能量剩下時，該電路可產(chǎn)生輸出電壓，以模仿被替換的電池的低電壓行為，從而激活設(shè)備中現(xiàn)有的低電壓指示器。
[0024]一些實施例的潛在應(yīng)用包括:在諸如現(xiàn)有的無繩電話、電動剃須刀、真空吸塵器等的應(yīng)用中的標準電池形狀因數(shù),A、B、AA、AAA等、可再充電電池以及單個使用的一次性電池的替代物、可代替的非標準常規(guī)形狀因數(shù)電池、以及電池模塊替代物，例如以模塊形式的兩個或三個或更多個電池。
[0025]與具有大約兩至三年壽命的可再充電電池相比，超級電容器具有很長的壽命，大約30年左右。標準一次性電池具有甚至更短的壽命。在一些實施例中，這種電池替代物將節(jié)省費用。
[0026]超級電容器不使用像電池所使用的有毒化學(xué)物質(zhì)，從而使它們在一些實施例中更“綠色”。
[0027]在一些情況下超級電容器在重量上可能更輕。
[0028]與可再充電電池相比，隨著工藝的成熟，基于超級電容器的解決方案價格便宜。
[0029]如圖1所示，電池外殼容納超級電容器和用于模仿電池行為的相關(guān)聯(lián)的電子器件。電子電路連接到電池端子(僅示出了一個)，并在充電模式期間為超級電容器充電，并且在不充電時，向電池端子提供電能，從而模仿由超級電容器替代的典型電池。
[0030]在圖3A中示出可再充電電池的典型放電特性。(一次性電池具有相同的特性，除了電壓等級不同，即1.5V之外)。隨著能量從電池消耗掉(X軸)，在電池端子處的電壓比較恒定在約1.2V，直到當電壓快速下降時它到達某個能量閾值。
[0031]圖3B示出典型電容器的特性，其中隨著能量的消耗，電壓持續(xù)下降。因此，使用用于存儲能量的電容器將不能模仿電池行為；超級電容器需要電子器件來模仿所替換的電池的放電行為。電子器件可被用來模仿在該模仿的電池的端子處的基本恒定的電壓。
[0032]隨著電容器中存儲的能量達到某個閾值，電子器件可減小端子處的電壓，從而模仿典型電池行為，來警告設(shè)備中的現(xiàn)有電子器件能量儲備變低了。例如，在無繩電話中，當電池能量級低時，紅燈開始閃爍。利用電容器替代物可發(fā)生相同的結(jié)果。
[0033]超級電容器存儲電能。它可以是單個電容器或者幾個電容器的串聯(lián)/并聯(lián)組合。當電容器并聯(lián)連接時，有效電容值增加，從而提供較高的存儲能量?，F(xiàn)今，超級電容器被限制到2.7伏。因此，為了增加電壓，電容器被串聯(lián)連接，這減小了電容。然而，由于所存儲的能量與電壓的平方成比例，因此在較高的電壓能提供較高的存儲能量。
[0034]圖2示出了用于控制超級電容器18產(chǎn)生的電壓以使其放電模仿傳統(tǒng)電池的特性的設(shè)備10。超級電容器顯示出由Rleak 20表示的漏泄，從而導(dǎo)致放電。同樣，當電容器被串聯(lián)組合使用以增加電壓時，漏泄電阻器被故意地增加，以使串聯(lián)組中所有電容器的放電均衡。如果該漏泄未被均衡，不均衡的放電可能使電容器兩端的電壓上升超過其最大標稱電壓，從而損壞電容器。
[0035]通過在電池端子兩端施加較高的電壓(在該情況下的操作超過1.2V)，典型的可再充電電池被充電。在充電操作期間，由于能量被提供給電池，其余的電子器件被禁止。感測塊30感測到所施加的電壓高于正常，關(guān)閉轉(zhuǎn)換器24，并啟用充電電路22，以給電容器18充電。
[0036]當充電電壓被移除時，感測塊30檢測到充電已經(jīng)停止，關(guān)閉充電電路，并啟動升壓/降壓轉(zhuǎn)換器，以將電容器兩端的電壓轉(zhuǎn)換成電池的端電壓。檢測塊28感測電容器電壓，以看它是否高于標稱電壓，并設(shè)定升壓/降壓轉(zhuǎn)換器24的方向，即，將電容器兩端的電壓進行升壓還是降壓轉(zhuǎn)換。當電容器在充電電壓下被完全充電時，通常而言高于1.2V，該電壓需要被降壓轉(zhuǎn)換到1.2V。
[0037]當來自電容器的能量被使用時，電壓降低，并且當它降到1.2V以下時，檢測塊28改變轉(zhuǎn)換器24的方向以升壓轉(zhuǎn)換，從而將電容器電壓轉(zhuǎn)換成呈現(xiàn)在端子14和16處的較高值。結(jié)果，即使電容器兩端的電壓從充電時的高于1.2V變化到具有能量消耗時的低于
1.2V，設(shè)備10的端子也能夠獲得基本恒定的1.2V。在此處使用時基本恒定意味著±10%。
[0038]隨著電容器中的能量下降，檢測電路28檢測閾值，在該閾值處，它需要模仿電池的低電壓，并且該檢測電路28將信號發(fā)送給轉(zhuǎn)換器24，以通過降低設(shè)備10的輸出電壓來模仿電池的低電壓。最后，當電容器兩端的電壓對于轉(zhuǎn)換器的正常操作而言變得太低時，限度檢測電路28檢測限度并關(guān)閉轉(zhuǎn)換器。
[0039]參考電壓產(chǎn)生器26使用端電壓和電容器電壓產(chǎn)生恒定的參考電壓。該參考電壓被整個系統(tǒng)使用，以將電壓與該參考電壓比較。
[0040]圖4所示的充電電路使用帶有電阻器92的PMOS晶體管90，電阻器92用來限制充電電流。當控制信號“充電#”被感測塊30判斷為低時，表示充電電壓被施加，PMOS晶體管被打開，以給電容器18充電。電容器兩端的電壓幾乎線性增加，首先快速充電，并隨后它漸近地穩(wěn)定到所施加的充電電壓。
[0041]圖5示出了使用正向偏置二極管36的簡單參考電壓產(chǎn)生器26。二極管兩端的電壓從端子(V)以及電容器(Vc)經(jīng)過電阻器32、34產(chǎn)生。二極管兩端的電壓可能相當恒定，在一個實施例中約0.6V。幾個其它正確的參考電壓電路在本領(lǐng)域中是公知的，并也可被使用。
[0042]開關(guān)42被用來選擇模仿何種電池。如果開關(guān)接通，則整個二極管電壓被提供作為參考電壓VREF，以在端子處模仿較高的電壓(用于一次性電池的1.5V)。如果開關(guān)被關(guān)斷，則兩個電阻器38和40用作分壓器，從而提供低于0.6V的電壓作為參考，以模仿較低的電池電壓,例如用于可再充電電池的1.2V。這僅是實施可再充電電池相對于一次性電池的一種可能方式，并具有多種方式來實施該特征。
[0043]圖6示出了塊30中用來感測電壓的電路。在該電路中，運算放大器48比較端子處的端電壓和參考電壓VREF的比(由電阻器44和46產(chǎn)生)。如果端電壓較高，則表示電容器被充電。運算放大器發(fā)出“充電#”信號50，以啟用充電電路22，并關(guān)閉升壓/降壓轉(zhuǎn)換器24。如果電壓為低，則關(guān)閉充電電路，并啟用升壓/降壓轉(zhuǎn)換器。
[0044]圖7示出了加載檢測電路28中實施的升壓降壓控制。該電路通過比較電容器電壓和端子電壓來確定轉(zhuǎn)換的升壓或降壓模式。
[0045]比較器是實施有滯后性的運算放大器58，以用于在輸出時穩(wěn)定地判斷而沒有任何振蕩。這些輸入將由電阻器44和46產(chǎn)生的端電壓的固定比和由電阻器54和56產(chǎn)生的在電容器兩端的電壓的比相比較。如果在電容器兩端的電壓高于端子電壓，則在輸出時進行降壓轉(zhuǎn)換，反之亦然。輸出信號控制轉(zhuǎn)換器，以將電容器的電壓進行升壓或降壓轉(zhuǎn)換，以在端子處產(chǎn)生恒定電壓。
[0046]隨著電容器的能量被消耗，電容器兩端的電壓降低，并且該電壓到達剩下受限能量的點處，并且端電壓達到所替換的電池的低電壓。由設(shè)備10檢測的這一低電壓是剩下受限能量的指示。在幾個應(yīng)用中，例如通過點亮紅燈通知用戶。圖10和12示出兩個這種實施方式，以模仿電池的低電壓。
[0047]隨著電容器電壓由于能量消耗而持續(xù)降低，當它到達電壓轉(zhuǎn)換器無法可靠操作的限度時，圖8中所示的電路在該點關(guān)閉電壓轉(zhuǎn)換器24。兩個電阻器44和46產(chǎn)生與參考電壓相比較的電容器電壓的比，并且如果電壓太低，則運算放大器48發(fā)信號給轉(zhuǎn)換器以關(guān)閉。
[0048]圖9示出具有圖10中實施的電路的端電壓中的逐步變化，并且圖11示出當利用圖12中的電路實施時的突然變化。隨著電容器電壓由于能量消耗持續(xù)降低，并當它到達電壓轉(zhuǎn)換器無法可靠操作的限度時，圖8所示的電路關(guān)閉電壓轉(zhuǎn)換器。
[0049]在圖10中，運算放大器被用作模擬加法器電路，使用電阻器60將電容器電壓Vc的部分增加到參考68電壓Vref。所產(chǎn)生的信號Vs#70是由電壓轉(zhuǎn)換器使用以調(diào)節(jié)端電壓的感測電壓。由于該感測電壓被隨著能量消耗而減小的電容器電壓偏置，因此引入電壓轉(zhuǎn)換器隨著電容器電壓的降低而在端子處轉(zhuǎn)換較低的電壓。電阻器的值確定在端子處輸出電壓的下降比率，并應(yīng)被相應(yīng)地選擇。
[0050]圖12示出對該電路的輕微改變，該電路具有施密特觸發(fā)器前端，用以檢測電容器電壓何時達到儲備的限度，則它突然改變感測電壓，并且電壓轉(zhuǎn)換器突然改變端電壓，以指示電池的低電壓。
[0051]圖13示出使用MOS晶體管84作為開關(guān)的轉(zhuǎn)換器24(圖2)的操作。當電容器兩端的電壓高于端電壓時，轉(zhuǎn)換器使用晶體管84a和84c降低電壓。當電容器兩端的電壓下降到端電壓以下時，開關(guān)84b和84d進行升壓轉(zhuǎn)換。
[0052]圖14示出典型的切換時序圖，其示出具有脈沖寬度調(diào)制的轉(zhuǎn)換器的操作。垂直軸是電壓，而水平軸是時間。標稱的脈沖寬度t和標稱的周期T被示出在圖15a中。然后在圖15b中，標稱的脈沖寬度t被減小。這是由于出現(xiàn)感測電壓大于參考電壓的情況，因此具有較高的端電壓。這導(dǎo)致圖14中所示的升壓/降壓轉(zhuǎn)換器的電感器86中的電流的減小。為了適應(yīng)這種情況，脈沖寬度被減小。在圖15c中，脈沖寬度t被增加，因為感測電壓小于參考電壓。這意味著具有較低的端電壓，并因此必需增加電感器86(圖13)中的電流。
[0053]上述所有有源電路可用分立或集成的電子器件來實施。集成形式無疑將更小型和有效。諸如電容器和電感器的無源元件相當小，它們可以是分立的，或者它們也可以與電子器件集成在一起。與典型電池外殼的體積相比，電子器件的尺寸非常小。并且大部分體積可專用于超級電容器來存儲能量。
[0054]雖然示出的是MOS晶體管，但是可用雙極晶體管來替換。對于單個的電池替換物，MOS晶體管可能更適用，因為它們比雙極晶體管的正向偏置電壓Vbe具有更低的閾值電壓Vt，從而使電路更易于設(shè)計并且更有效。對于較高的電壓，例如電池模塊，MOS或者雙極晶體管同樣適用。
[0055]貫穿該說明書的參考語句“一個實施例”或“一種實施例”意味著結(jié)合該實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明中包含的至少一個實施例中。因此，短語“一個實施例”或“一種實施例”的出現(xiàn)不是必需指相同的實施例。而且，除了特定實施例中描述的，該特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可被設(shè)置成其它適當?shù)男问?，并且所有這些形式都被包含在本申請的權(quán)利要求中。
[0056]雖然關(guān)于有限個實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將從中理解出大量修改和變化。目的在于所附權(quán)利要求覆蓋所有這種修改和變化，只要它們落在本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種裝置，包括: 具有電池的形狀因數(shù)的外殼； 用于電能量存儲的超級電容器；以及 在所述外殼中具有電子器件，用以模仿所述電池的放電特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置模仿可再充電電池的放電特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置模仿一次性電池的放電特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電子器件用于為所述裝置維持基本恒定的輸出電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，包括降壓、升壓、以及組合的電壓轉(zhuǎn)換器，用以在所述裝置的端子處維持恒定電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置用于將輸出電壓減小到用以激活電池低電壓指示器的水平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，具有約1.2V的輸出電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，具有約1.5V的輸出電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，具有小于2V的輸出電壓。
10.一種方法，包括: 以電池的形狀因數(shù)來容納超級電容器；以及 使用所述超級電容器來模仿所述電池的放電特性。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中模仿包括模仿可再充電電池的放電特性。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中模仿包括模仿一次性電池的放電特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括從所述超級電容器維持基本恒定的輸出電壓，以在所述電池的端子處維持恒定電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，由所述超級電容器產(chǎn)生降低和升高的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括將輸出電壓減小到用以激活電池低電壓指示器的水平。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括使用所述超級電容器產(chǎn)生約1.2V的輸出電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括使用所述超級電容器產(chǎn)生約1.5V的輸出電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括使用所述超級電容器產(chǎn)生小于2V的輸出電壓。
19.一種裝置,包括: 具有電池的形狀因數(shù)的外殼，所述外殼包括端子； 用于電能量存儲的超級電容器；以及 在所述外殼中具有電子器件，用以在所述裝置的端子處維持基本恒定的電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述裝置模仿可再充電電池的放電特性。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述裝置模仿一次性電池的放電特性。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，包括降壓、升壓和組合的電壓轉(zhuǎn)換器。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，所述裝置用于將輸出電壓減小到用以激活電池低電壓指示器的水平。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，具有約1.2V的輸出電壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，具有約1.5V的輸出電壓。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，具有小于2V的輸出電壓。
【文檔編號】G05F1/46GK104137207SQ201180075883
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月28日
【發(fā)明者】S·Y·伯卡爾 申請人:英特爾公司