[发明专利]超快的超级电容器组/装置充电器

说明书

发明领域

本发明一般涉及超级电容器，且更特别地涉及用于超级电容器的充电 器。

发明背景

也称为双层电容器，DLC，超电容器(supercapacitor)或赝电容器 (psuedocapacitor)的超级电容器(ultracapacitor)是存储电能的装置。超 级电容器越来越多地作为单独的能量储存装置或结合电池来被用于给消 费性产品、机动车能量储存系统，军事应用等供电。

在它们的电荷耗尽后，超级电容器被再充电。超级电容器必须经历相 当大的电压摆幅以用作能量储存装置，且必须被小心地充电以防损坏。因 为超级电容器易受到充电超过它们的额定电压的影响，因此过度充电可导 致寿命显著降低或故障。

再充电超级电容器的另一个问题在于电容值偏差。超级电容器的电容 值将与其额定值不同，通常相差不多于±20％。因此，串联连接的一串超 级电容器将很可能包括具有不同电容值的单元(cell)。当串联连接的串 被充电时，各单元的电压将变得彼此不同，这是因为具有较小电容值的单 元将比具有较大电容值的单元更快速地充电。这可从使理想电容器的电 流、电压与电容值相关联的方程1(以下)明显看出。

ic(t)=CdVcdt---(1)]]>

被充电的超级电容器还经历漏电或自放电。这是能量被在内部消耗， 因而降低超级电容器的电压的情况。所有的超级电容器不都以相同的速率 自放电。由于电容值公差和不同的漏电，因此，串联连接的超级电容器通 常具有彼此不同的电压。

当前的超级电容器充电技术使用平衡电路，以试图在超级电容器单元 被电源充电时使超级电容器阵列中的每个单元具有相同的电压。换句话 说，当前的方法“平衡”各单元。这以或可以以五种方式实现。

第一种，在两个串联连接的单元两端设置有源电路。该电路比较两个 单元的电压并随后消耗具有最高电压的单元中的能量。随后使用另一个平 衡电路来平衡那两个单元中的一个单元与串联串中的下一个单元。电路可 以这种方式连接以平衡许多串联连接的单元。这种类型的平衡有下列局限 性：(1)因为要花时间来平衡所有的单元，所以充电不能快速地完成... 单元的快速充电将不允许有足够的时间来保证完全的平衡且串联的串中 的某些单元可能被过度充电；以及(2)平衡电路消耗能量并使每个单元 的电压降低到最低的电压单元，这浪费能量。

第二种，在每个单元的两端设置有源旁路电路，该有源旁路电路在单 元接近其最高额定值时，通过电阻器消耗来自该单元的能量。然而，如果 单元以比电路可以分流的速率更高的电流速率(current rate)充电，则单 元可能变得过度充电。

第三种，在串联的串中的每个单元两端设置击穿电压接近超级电容器 单元的额定电压的齐纳二极管。当单元开始接近其额定电压时，齐纳管开 始传导电流。这和(上面的)第二种方法的有源旁路电路具有相同的问题。 齐纳管只能在其能够分流的电流与单元正被充电的电流一样多时保护单 元。在接近单元额定电压时，这也浪费能量，因为齐纳管没有不同的击穿 电压。

第四种，在每个单元两端设置具有小的电阻公差的无源电阻器。这促 使电流流动，该电流显著高于单元漏电电流。较高电压的单元消耗更多的 能量，因为通过电阻器汲取更多的电流。欧姆定律I＝V/R表明了这是正 确的原因。此方法从超级电容器消耗相当大量的能量并非常缓慢地平衡单 元。这种缓慢的平衡不允许单元从低电压快速充电到它们的最高电压且没 有可能过度充电单元中的一个或更多。

第五种，以上各种方法的组合。