用于電器的基于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能裝置制造方法
【專利摘要】在電器非持續(xù)不斷使用的消費(fèi)應(yīng)用中，超級(jí)電容器可代替可再充電池。即，如果使用是間歇式的，則超級(jí)電容器可在連續(xù)的使用之間快速再充電。特別是對(duì)于電器將大部分時(shí)間花費(fèi)在充電托架上的那些應(yīng)用，超級(jí)電容器可有效地代替電器中的電池。
【專利說(shuō)明】用于電器的基于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能裝置
【背景技術(shù)】
[0001 ] 本發(fā)明涉及由超級(jí)電容器供電電器。
[0002]基于超級(jí)電容器的電器通常使用單個(gè)電容器或串聯(lián)/并聯(lián)組合的多個(gè)電容器。當(dāng)電容器并聯(lián)連接時(shí)，有效電容增大，從而提供了較高的能量?jī)?chǔ)存。如今，超級(jí)電容器被限制為2.7伏。因此，為了增加它們的輸出電壓，串聯(lián)連接電容器，這減小了它們的電容。然而，由于儲(chǔ)存的能量與電壓的平方成正比，所以可導(dǎo)致較高電壓下的較高能量?jī)?chǔ)存。
[0003]超級(jí)電容器也稱為超電容器(super capacitor)、超電容器(super condenser)或雙電層電容器。它們與其它電容器的區(qū)別在于它們?cè)趦蓚€(gè)板之間具有分隔件，從而有效地形成了雙電容器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0004]參照以下的圖描述一些實(shí)施例:
[0005]圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的牙刷的透視圖；
[0006]圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的螺絲刀的透視圖；
[0007]圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的鉆具的透視圖；
[0008]圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的手電筒的透視圖；
[0009]圖5是一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0010]圖6是用于一個(gè)實(shí)施例的電壓相對(duì)于相關(guān)能量的假想曲線圖；
[0011]圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖5的調(diào)節(jié)器的更詳細(xì)的示意圖；
[0012]圖8是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖5所示的充電電路的示圖；
[0013]圖9是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的參考電壓發(fā)生器的電路示意圖；
[0014]圖10是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的產(chǎn)生感測(cè)塊的感測(cè)電壓的電路示意圖；
[0015]圖11是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖7所示的極限檢測(cè)中的上下控制的電路示意圖；
[0016]圖12是一個(gè)實(shí)施例的低壓報(bào)警電路；
[0017]圖13是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的關(guān)斷用于電路44的電壓變換器的電路；
[0018]圖14是上/下變換器的一個(gè)實(shí)施例；并且
[0019]圖15示出了對(duì)根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的電壓變換器的操作的波形。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在非持續(xù)很久使用電器消費(fèi)應(yīng)用中，超級(jí)電容器可代替諸如可再充電池之類的電池。即，如果使用是間歇式的，則超級(jí)電容器可在連續(xù)的使用之間快速再充電。特別是對(duì)于電器將大部分時(shí)間花費(fèi)在充電托架上的那些應(yīng)用，超級(jí)電容器可有效地代替電器中的電池。
[0021]超級(jí)電容器使用充電電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可再充電池(例如，NiCd、NiMH或L1-1on)。單個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器可按照串聯(lián)/并聯(lián)組合的方式使用以儲(chǔ)存電荷，并且利用簡(jiǎn)單電阻器來(lái)限制電流。電子充電電路對(duì)電容器進(jìn)行充電，電子電壓變換器維持對(duì)電器的恒定電壓。電容器的串聯(lián)和并聯(lián)的數(shù)量取決于電壓、能量?jī)?chǔ)存和典型的使用時(shí)間。
[0022]當(dāng)電器被開(kāi)啟時(shí)，它使用來(lái)自電容器(而非電池)的能量。電容器在電器消耗能量時(shí)放電，從而降低了電容器的輸出電壓。盡管電子器件將輸出電壓轉(zhuǎn)換為電器能夠接受的值，可適當(dāng)選擇電容器的大小，使得電容器足夠大以保存電器的典型間歇使用的持續(xù)時(shí)間所需量的能量。
[0023]可在間歇使用之間通過(guò)將電器中的電容器放回充電托架上來(lái)對(duì)該電容器快速充電。如果充電托架能夠以高電流對(duì)電容器進(jìn)行充電，則間歇使用之間的充電時(shí)間可相對(duì)較小。
[0024]潛在應(yīng)用包括圖1所示的電動(dòng)牙刷、圖2所示的電動(dòng)螺絲刀、圖3所示的電動(dòng)鉆具以及圖4所示的手電筒。在充電循環(huán)之間使用較短時(shí)間段的任何電器可適于與超級(jí)電容器電源一起使用。
[0025]與壽命為兩年或三年的可再充電池相比，超級(jí)電容器具有非常長(zhǎng)的壽命，通常為約30年。標(biāo)準(zhǔn)的一次性電池具有甚至更短的壽命。超級(jí)電容器不像電池那樣使用有毒化學(xué)品，從而使它們“更綠色”?；诔?jí)電容器的電池可重量更輕。隨著技術(shù)成熟，在未來(lái)基于超級(jí)電容器的解決方案與可再充電池比可更便宜。
[0026]超級(jí)電容器表現(xiàn)出泄漏(由Rleak表示)，從而引起放電。另外，當(dāng)電容器按照串聯(lián)組合的方式使用以增加電壓時(shí)，有意地增加泄漏電阻器以使串聯(lián)疊堆中的所有電容器的放電平穩(wěn)。如果沒(méi)有使泄漏平穩(wěn)，則不平穩(wěn)的放電可使電容器兩端的電壓升高超過(guò)其最大額定電壓，從而損害電容器。
[0027]如圖5所示，基于超級(jí)電容器的電器20可包括從充電電路26充電的電容器22。在一些實(shí)施例中可使用泄漏電阻器24。當(dāng)電容器被充電時(shí)，無(wú)論是全充至充電電壓還是充至足夠高的電壓，電容器都向負(fù)載30提供電源電壓。隨著負(fù)載消耗來(lái)自電容器的能量，電容器兩端的電壓降低，因此電器(負(fù)載)隨著使用而經(jīng)歷電源電壓的逐漸下降，這可能危及效能。
[0028]因此，一個(gè)可能的解決方案是使用大電容器以使得電壓下降不會(huì)這樣大。然而，越大的超級(jí)電容器可能越笨重、越昂貴，并且對(duì)大電容器充電花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)。
[0029]在電容器較小的一些實(shí)施例中，可通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器28來(lái)補(bǔ)償電容器的壓降，所述電壓調(diào)節(jié)器28向負(fù)載提供基本上恒定的電壓。如本文所用，“基本上恒定”的電壓是在充電之間的變化不超過(guò)百分之二十(20%)的電壓。
[0030]超級(jí)電容器以及關(guān)聯(lián)的電子器件向被間歇式使用的電器提供必要的電能。電子電路20向電器提供最終電壓，并且利用任何傳統(tǒng)充電方法對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電。
[0031 ] 圖6示出了向負(fù)載提供基本上恒定的電壓的電池的假想放電特性B。隨著電池的能量被消耗(X軸)，電池端子處的電壓非常恒定(對(duì)于可再充電池，在1.2V左右)。當(dāng)它達(dá)到某一能量閾值時(shí)，則電壓快速下降。圖6示出假想電容器A的特性，其中隨著能量被消耗，電壓持續(xù)下降。
[0032]因此，采用這樣的電容器進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存對(duì)于電器而言將是不理想的。相反，電壓調(diào)節(jié)器28維持基本上恒定的電壓(例如對(duì)于可再充應(yīng)用，1.2伏)?？墒褂秒娮悠骷詮姆烹婋娙萜飨蜇?fù)載提供基本上恒定的電壓。當(dāng)電容器中的能量?jī)?chǔ)存達(dá)到某一閾值時(shí)，電子器件斷言指示能量?jī)?chǔ)備變低的報(bào)警信號(hào)，因此電器可提醒用戶再充電。例如，在無(wú)繩電話中，當(dāng)能量水平低時(shí)，紅燈開(kāi)始閃爍。
[0033]最初，可降低電容器的輸出電壓以追蹤被代替的典型放電特性B。然后在某一時(shí)間點(diǎn)之后，可能需要實(shí)際升壓以模仿被代替的電池的放電特性。因此，在放電的初始階段期間，電容器的放電特性可降低以生成較低電壓(如箭頭C所指示)，然后在某一時(shí)間點(diǎn)，可能需要增加輸出電壓(如箭頭D所指示)。
[0034]超級(jí)電容器利用圖5所示的充電電路26從外部源(充電電壓)充電。在充電操作期間，剩余電子器件可被禁用，因?yàn)槟芰勘还?yīng)給了電容器。
[0035]參照?qǐng)D7，調(diào)節(jié)器28可包括電壓感測(cè)塊41。當(dāng)感測(cè)塊41感測(cè)到施加的電壓高于電容器兩端的電壓時(shí)，它將變換器44關(guān)斷，并啟用充電電路26 (圖5)以對(duì)電容器22 (圖5)進(jìn)行充電。
[0036]當(dāng)充電電壓被移除時(shí)，檢測(cè)塊42檢測(cè)到充電停止，關(guān)斷充電電路，并且開(kāi)啟上/下變換器44以將電容器兩端的電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓。感測(cè)塊41感測(cè)電容器電壓以觀察它是否高于負(fù)載所需的標(biāo)稱電壓，并且設(shè)定上/下變換器44的方向以使得變換器可在正確的方向上轉(zhuǎn)換電容器兩端的電壓。
[0037]當(dāng)電容器在充電電壓下充滿時(shí)，可將該電壓下轉(zhuǎn)換以提供給負(fù)載。當(dāng)來(lái)自電容器的能量被消耗時(shí)，電壓下降，并且當(dāng)它落至負(fù)載電壓以下時(shí)，檢測(cè)塊42將變換器的方向改變?yōu)樯限D(zhuǎn)換，因此電容器電壓被轉(zhuǎn)換為較高的值。
[0038]結(jié)果，即使電容器兩端的電壓從充滿狀態(tài)下的高于負(fù)載隨著能量消耗變化為低于負(fù)載，負(fù)載也經(jīng)歷基本上恒定的電壓。隨著電容器中的能量下降，檢測(cè)塊42檢測(cè)它需要產(chǎn)生能量低報(bào)警信號(hào)的閾值。最終，當(dāng)電容器兩端的電壓對(duì)于變換器的適當(dāng)操作而言變得過(guò)于低時(shí)，極限檢測(cè)電路42檢測(cè)該極限，并關(guān)斷變換器。
[0039]參考電壓發(fā)生器43產(chǎn)生恒定參考電壓。該恒定參考電壓由整個(gè)系統(tǒng)使用以將電壓與該參考電壓進(jìn)行比較。充電電路在使用限流器的情況下對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電。負(fù)載控制信號(hào)充電#開(kāi)始對(duì)電容器充電。當(dāng)電容器電壓漸近地逼近充電電壓V時(shí)，充電電流降低。因此，電容器最多被充至電壓V。
[0040]圖8所示的充電電路26采用PMOS晶體管52，其中，使用電阻器50來(lái)限制充電電流。當(dāng)通過(guò)感測(cè)塊41斷言晶體管52的柵極上的控制信號(hào)充電#為低(指示施加充電電壓)時(shí)，PMOS晶體管導(dǎo)通，以對(duì)電容器22進(jìn)行充電。電容器兩端的電壓首先隨著快速充電而幾乎線性地增加，然后漸近地落至施加的充電電壓。
[0041]圖9示出使用正向偏壓二極管54的參考電壓發(fā)生器43。二極管兩端的電壓源自負(fù)載以及電容器。二極管兩端的電壓非常恒定，在一個(gè)實(shí)施例中，為0.6V左右。
[0042]感測(cè)塊41中的用于變換器的感測(cè)電壓可通過(guò)圖10所示的電路來(lái)產(chǎn)生。在該電路中，運(yùn)算放大器56將充電電壓(VCHARGE)的一比率的電壓(通過(guò)電阻器58和60形成)的與參考電壓(VREF)進(jìn)行比較。如果充電電壓足夠高，則指示電容器正被充電。運(yùn)算放大器斷言“充電#”信號(hào)以啟用充電電路并關(guān)斷上/下變換器。如果充電電壓為低，則充電電路被關(guān)斷，并且啟用上/下變換器以向負(fù)載提供電壓。
[0043]圖11示出極限檢測(cè)電路42中實(shí)現(xiàn)的上/下控制。該電路通過(guò)將電容器電壓Vc與負(fù)載電壓V進(jìn)行比較來(lái)確定上或下轉(zhuǎn)換模式。
[0044]比較器62可以是運(yùn)算放大器，其被實(shí)現(xiàn)為帶有滯后以在輸出端穩(wěn)定決策而沒(méi)有任何振蕩。輸入端將固定比率的負(fù)載電壓(通過(guò)電阻器64和66形成)與一定比率的電容器兩端的電壓(通過(guò)電阻器68和70)進(jìn)行比較。如果電容器兩端的電壓高于端電壓，則其在輸出端處斷言下轉(zhuǎn)換，反之亦然。輸出信號(hào)告訴變換器是將電容器的電壓上轉(zhuǎn)換還是下轉(zhuǎn)換，以為負(fù)載生成基本上恒定的電壓。
[0045]隨著電容器能量被消耗，電容器兩端的電壓下落，它達(dá)到電器中剩下有限能量的點(diǎn)可向用戶提供有限能量被剩下的指示(例如，通過(guò)亮紅燈)。圖12示出形成這樣的報(bào)警信號(hào)的電路。在圖12中，運(yùn)算放大器76將通過(guò)電阻器72和74形成的電容器電壓的電壓比與參考電壓進(jìn)行比較，以確定它是否應(yīng)該形成報(bào)警信號(hào)。
[0046]電容器電壓由于能量消耗而繼續(xù)下落。當(dāng)它達(dá)到電壓變換器可能無(wú)法可靠工作的極限時(shí)，圖13所示的電路關(guān)斷電壓變換器。兩個(gè)電阻器78和80形成將與參考電壓進(jìn)行比較的一定比率的電容器電壓，如果電壓過(guò)低，則運(yùn)算放大器82用信號(hào)通知變換器關(guān)斷。
[0047]存在多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)將電容器兩端的電壓轉(zhuǎn)換為端電壓的電壓變換器。可使用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器或變換器(也稱為Buck變換器)、開(kāi)關(guān)電容式變換器和線性電壓調(diào)節(jié)器(僅下轉(zhuǎn)換)，盡管公開(kāi)了開(kāi)關(guān)變換器，也可使用其它方案。
[0048]圖14示出使用MOS晶體管84作為開(kāi)關(guān)的變換器44(圖7)的操作。當(dāng)電容器兩端的電壓高于端電壓時(shí)，變換器利用晶體管84a和84c使電壓下降。當(dāng)電容器兩端的電壓落至端電壓以下時(shí)，開(kāi)關(guān)84b和84d逐步上轉(zhuǎn)換。
[0049]圖15示出典型開(kāi)關(guān)圖，其描繪了利用脈沖寬度調(diào)制的變換器的操作。垂直軸是電壓，水平軸是時(shí)間。圖15a中示出標(biāo)稱脈沖寬度t和標(biāo)稱周期T。然后在圖15b中，標(biāo)稱脈沖寬度t減小。這是因?yàn)楦袦y(cè)電壓大于參考電壓以使得存在較高端電壓的情況。這導(dǎo)致圖14所示的上/下變換器的電感器86中的電流減小。為了適應(yīng)這一情況，脈沖寬度減小。在圖15c中，由于感測(cè)電壓小于參考電壓，脈沖寬度t增大。這意味著存在較低的端電壓，因此需要增大電感器86 (圖14)中的電流。
[0050]上述所有有源電路可利用分立的或集成的電子器件來(lái)實(shí)施。集成版本無(wú)疑將更小且有效。諸如電容器和電感器的無(wú)源元件非常小，并且它們可以是分立的，或者它們也可與電子器件集成。與電器中的典型電池的體積相比，電子器件的大小非常小，并且大部分體積可專用于超級(jí)電容器以進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。
[0051]示出了 MOS晶體管，但在不失一般性的情況下，雙極晶體管可替代。對(duì)于帶有低壓負(fù)載的電器，MOS晶體管可能更適合，因?yàn)樗鼈兙哂斜入p極晶體管的正向偏壓Vbe低的閾值電壓Vt，使得電路容易設(shè)計(jì)并且更有效。對(duì)于較高電壓，MOS或雙擊晶體管同樣適合。
[0052]貫穿本說(shuō)明書(shū)提及“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”表示結(jié)合該實(shí)施例描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明所涵蓋的至少一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中。因此，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”或“在實(shí)施例中”的出現(xiàn)并非必然指代同一實(shí)施例。另外，特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可按照除了所示特定實(shí)施例之外的其它合適形式制定，所有這些形式均可被涵蓋于本申請(qǐng)的權(quán)利要求內(nèi)。
[0053]盡管已參照有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從其理解出許多變型和變化。所附權(quán)利要求意在覆蓋落入本申請(qǐng)的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的所有這些變型和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備，包括: 工具；以及 用于所述工具的電源，所述電源包括超級(jí)電容器和電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整從所述超級(jí)電容器輸出的電壓，以在較高充電水平下降低電壓并且在較低充電水平下增大輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述工具是牙刷、螺絲刀、鉆具或手電筒中的一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器嘗試將所述輸出電壓保持在約I至2伏之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，工具是間歇式使用的工具。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述電源輸出基本上恒定的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述電壓為約1.2伏。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器包括降壓電壓變換器和升壓電壓變換器以維持基本上恒定的輸出電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述電壓調(diào)節(jié)器用于觸發(fā)低壓指示器。
9.一種方法，該方法包括: 調(diào)整從超級(jí)電容器輸出的電壓，以在較高充電水平下降低電壓并在較低充電水平下增大輸出電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括:使用所述超級(jí)電容器來(lái)為牙刷、螺絲刀、鉆具或手電筒供電。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括:嘗試將所述輸出電壓保持在約I至2伏之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括:使用所述超級(jí)電容器來(lái)為間歇式使用的工具供電。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，從所述電容器提供基本上恒定的電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，提供包括:提供約1.2伏的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括:使用降壓電壓變換器和升壓電壓變換器以維持基本上恒定的輸出電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括:觸發(fā)低壓指示器。
17.—種電路,包括: 超級(jí)電容器；以及 電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器用于調(diào)整從所述超級(jí)電容器輸出的電壓以生成基本上恒定的輸出電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器嘗試將輸出電壓保持在約I至2伏之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述電壓為約1.2伏。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器包括降壓電壓變換器和升壓電壓變換器以維持基本上恒定的輸出電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，所述電壓調(diào)節(jié)器觸發(fā)低壓指示器。
【文檔編號(hào)】H01G2/00GK104023920SQ201180076173
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】S·Y·伯卡爾 申請(qǐng)人:英特爾公司