具有电池形状因数的基于超级电容器的能量存储器制造技术

基于超级电容器的能量源可代替可再充电电池和传统电池。它可具有传统电池的形状因数，并可模仿被替换的电池的放电特性。

Energy memory based on super capacitor with shape factor of battery

【技术实现步骤摘要】
具有电池形状因数的基于超级电容器的能量存储器本申请为分案申请，其原申请是于2014年6月25日(国际申请日为2011年12月28日)向中国专利局提交的专利申请，申请号为201180075883.7，专利技术名称为“具有电池形状因数的基于超级电容器的能量存储器”。
技术介绍
这涉及超级电容器供电的设备。基于超级电容器的设备通常使用单个电容器或几个电容器的串联/并联组合。当电容器并联连接时，有效电容增加，从而提供较高的存储能量。现今，超级电容器被限制到2.7伏。因此，为了增加它们的输出电压，电容器被串联连接，这减小了它们的电容。然而，由于存储的能量与电压的平方成比例，结果是在越高的电压下具有越高的存储能量。超级电容器(ultra-capacitor)也被称作超电容器(supercapacitor)、超强电容器(supercondenser)、或者双电荷层电容器。它们区别于其它电容器，这是因为它们在两个板之间具有隔板，这有效地创造了双联电容器。附图说明针对下面的附图描述了一些实施例：图1是根据一个实施例的基于电容器的能量存储器的透视图；图2是一个实施例的示意性视图；图3A是用于可再充电电池的电压相对能量的曲线图；图3B是用于电容器的电压相对能量的曲线图；图4是根据一个实施例的充电电路的视图；图5是根据一个实施例的参考电压产生器的电路示意图；图6是根据一个实施例的用于产生感测电压的感测块的电路示意图；图7是根据一个实施例的在用于图2所示的限度检测中的升压降压控制的电路示意图；图8是根据一个实施例的用于关闭电路24中使用的电压转换器的电路；图9是用于使用图10的电路的一个实施例的电压相对能量的曲线图；图10是用于一个实施例的低电压检测电路；图11是用于使用图12的电路的一个实施例的电压相对能量的曲线图；图12是用于另一个实施例的低电压检测电路；图13是升压/降压转换器的一个实施例；以及图14示出了根据一个实施例的电压转换器的操作的波形图。具体实施方式传统的可再充电电池或标准的一次性电池中使用的化学制品可由超级电容器(有时也称为超电容器)和支持性电子器件来代替。形状因数保持不变。电子器件被用来为电容器充电和可控放电，以获得能量，从而用来模仿典型的电池行为。因此，使用这些新电池的现有设备在形状因数或放电特性上没有任何实质区别。具有电子器件的超级电容器可代替传统的可再充电电池，如NiCd、NiMH、或Li-ion，或者甚至是普通的一次性电池。超级电容器和电子器件被容纳在传统的电池外壳中，从而模仿标准尺寸的电池，如AA、AAA、等，在一些实施例中用户设备看不出实质的区别。内置的电子器件控制电容器的充电和放电，以使设备表现类似于电池，因此用户体验这些设备，就好像它们是电池，不仅仅在外观上，而且在放电行为上。仅有的明显区别在于对这些新“电池”的充电不能持续得像普通的电池那样长。然而，对于一些使用不是则长时间的应用，该充电将是足够的，并且电容器被定期再充电。一些实施例也被应用到目前使用内置电池的设备，其中在一个设备中的电子器件被设计用于传统的电池。因此仅用超级电容器代替电池可能是不够的，因为电池与电容器相比具有不同的放电特性。相反，电子器件可模仿电池放电行为，以更加无缝地使用这些电子器件而加强的超级电容器来代替电池。每个超级电容器壳容纳一个或多个串联/并联组合的超级电容器，并具有用于可控充电的充电电路。在充电操作期间，该电路检测施加的电压高于被替换的电池的电压，就进入充电模式。该电路还检测何时电容器被放电，并基于当前电容器的电压以升压或降压转换模式来激活电压转换器。在一些实施例中，产生可再充电电池替代物的约为1.2V的输出电压以及标准一次性电池替代物的约为1.5V的输出电压。当电容器电压充分减小，仅有备用能量剩下时，该电路可产生输出电压，以模仿被替换的电池的低电压行为，从而激活设备中现有的低电压指示器。一些实施例的潜在应用包括：在诸如现有的无绳电话、电动剃须刀、真空吸尘器等的应用中的标准电池形状因数，A、B、AA、AAA等、可再充电电池以及单个使用的一次性电池的替代物、可代替的非标准常规形状因数电池、以及电池模块替代物，例如以模块形式的两个或三个或更多个电池。与具有大约两至三年寿命的可再充电电池相比，超级电容器具有很长的寿命，大约30年左右。标准一次性电池具有甚至更短的寿命。在一些实施例中，这种电池替代物将节省费用。超级电容器不使用像电池所使用的有毒化学物质，从而使它们在一些实施例中更“绿色”。在一些情况下超级电容器在重量上可能更轻。与可再充电电池相比，随着工艺的成熟，基于超级电容器的解决方案价格便宜。如图1所示，电池外壳容纳超级电容器和用于模仿电池行为的相关联的电子器件。电子电路连接到电池端子(仅示出了一个)，并在充电模式期间为超级电容器充电，并且在不充电时，向电池端子提供电能，从而模仿由超级电容器替代的典型电池。在图3A中示出可再充电电池的典型放电特性。(一次性电池具有相同的特性，除了电压等级不同，即1.5V之外)。随着能量从电池消耗掉(X轴)，在电池端子处的电压比较恒定在约1.2V，直到当电压快速下降时它到达某个能量阈值。图3B示出典型电容器的特性，其中随着能量的消耗，电压持续下降。因此，使用用于存储能量的电容器将不能模仿电池行为；超级电容器需要电子器件来模仿所替换的电池的放电行为。电子器件可被用来模仿在该模仿的电池的端子处的基本恒定的电压。随着电容器中存储的能量达到某个阈值，电子器件可减小端子处的电压，从而模仿典型电池行为，来警告设备中的现有电子器件能量储备变低了。例如，在无绳电话中，当电池能量级低时，红灯开始闪烁。利用电容器替代物可发生相同的结果。超级电容器存储电能。它可以是单个电容器或者几个电容器的串联/并联组合。当电容器并联连接时，有效电容值增加，从而提供较高的存储能量。现今，超级电容器被限制到2.7伏。因此，为了增加电压，电容器被串联连接，这减小了电容。然而，由于所存储的能量与电压的平方成比例，因此在较高的电压能提供较高的存储能量。图2示出了用于控制超级电容器18产生的电压以使其放电模仿传统电池的特性的设备10。超级电容器显示出由Rleak20表示的漏泄，从而导致放电。同样，当电容器被串联组合使用以增加电压时，漏泄电阻器被故意地增加，以使串联组中所有电容器的放电均衡。如果该漏泄未被均衡，不均衡的放电可能使电容器两端的电压上升超过其最大标称电压，从而损坏电容器。通过在电池端子两端施加较高的电压(在该情况下的操作超过1.2V)，典型的可再充电电池被充电。在充电操作期间，由于能量被提供给电池，其余的电子器件被禁止。感测块30感测到所施加的电压高于正常，关闭转换器24，并启用充电电路22，以给电容器18充电。当充电电压被移除时，感测块30检测到充电已经停止，关闭充电电路，并启动升本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：/n具有电池的形状因数的外壳；/n用于电能量存储的超级电容器；以及/n在所述外壳中具有电子器件，用以模仿所述电池的放电特性，其中，所述电子器件包括：/n检测器，其用于通过使用实施有滞后性的运算放大器对电容器电压与电池端子两端的端电压进行比较、并通过对由一个或多个电阻器产生的所述端电压的固定比与由一个或多个电阻器产生的所述电容器电压之比进行比较，来判断是要降低还是提高所述超级电容器的所述电容器电压；/n一个或多个电压转换器，其用于对所述电容器电压进行降压转换和升压转换；以及/n参考电压产生器，其用于产生与至少两个电池类型相关联的至少两个参考电压电平。/n

【技术特征摘要】
1.一种装置，包括：
具有电池的形状因数的外壳；
用于电能量存储的超级电容器；以及
在所述外壳中具有电子器件，用以模仿所述电池的放电特性，其中，所述电子器件包括：
检测器，其用于通过使用实施有滞后性的运算放大器对电容器电压与电池端子两端的端电压进行比较、并通过对由一个或多个电阻器产生的所述端电压的固定比与由一个或多个电阻器产生的所述电容器电压之比进行比较，来判断是要降低还是提高所述超级电容器的所述电容器电压；
一个或多个电压转换器，其用于对所述电容器电压进行降压转换和升压转换；以及
参考电压产生器，其用于产生与至少两个电池类型相关联的至少两个参考电压电平。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少两个参考电压电平包括可再充电电池类型的第一参考电压电平。


3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少两个参考电压电平包括一次性电池类型的第二参考电压电平。


4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述参考电压产生器包括开关，并且其中：
当所述开关接通时，所述装置模仿第一电池类型；并且
当所述开关关断时，所述装置模仿第二电池类型。


5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述参考电压产生器包括正向偏置二极管，并且其中：
当所述开关接通时，所述参考电压产生器输出所述正向偏置二极管的完整电压；并且
当所述开关关断时，所述参考电压产生器输出所述正向偏置二极管的减小的电压。


6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述参考电压产生器包括与所述开关并联放置的电阻器，其中，通过所述电阻器的电路路径在所述开关关断时提供所述正向偏置二极管的所述减小的电压。


7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子器件包括：
感测单元，其用于控制所述超级电容器的充电，所述感测单元包括用于将所述端电压与由所述参考电压产生器产生的参考电压进行比较的第二运算放大器。


8.一种方法，包括：
以电池的形状因数来容纳超级电容器；以及
使用所述超级电容器来模仿所述电池的放电特性，其中，所述超级电容器具有电子器件，所述电子器件包括检测器、一个或多个电压转换器以及参考电压产生器，其中，模仿所述放电特性包括：
由所述检测器通过使用实施有滞后性的运算放大器对电容器电压与电池端子两端的端电压进行比较、并通过对由一个或多个电阻器产生的所述端电压的固定比与由一个或多个电阻器产生的所述电容器电压之比进行比较，来判断是要降低还是提高所述超级电容器的所述电容器电压；
由所述一个或多个电压转换器对所述电容器电压进行升压转换和降压转换；以及
由所述参考电压产生器产生与至少两个电池类型相关联的至少两个参考电压电平。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，产生所述至少两个参考电压电平包括产生可再充电电池类型的第一参考电压电平。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，产生所述至少两个参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·Y·伯卡尔，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US