專利名稱：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體而言涉及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明涉及引入超電容器(ultracapacitor)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
提供以下描述以幫助讀者理解。不承認(rèn)所提供的信息及所引用的參考為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
需要電源的許多系統(tǒng)或設(shè)備還引入備份電源以避免系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行中斷。這在計(jì)算領(lǐng)域可為關(guān)鍵的需求，例如，單個(gè)電源可用于一組計(jì)算機(jī)如服務(wù)器。備份電源可在主電源臨時(shí)故障或波動(dòng)的事件發(fā)生的短間隙期間或從一個(gè)主電源轉(zhuǎn)移到另一主電源期間提供功率。
理想地，備份電源應(yīng)該能在延長(zhǎng)的時(shí)間段存儲(chǔ)功率，能在所需的時(shí)間長(zhǎng)度(至少30秒)提供基本上恒定的備份功率，并具有快速再充電的能力。
在許多應(yīng)用中經(jīng)常用電池作備份。但是，電池有幾個(gè)缺點(diǎn)。一次型電池會(huì)隨時(shí)間自然耗盡并失去其存儲(chǔ)功率的能力，導(dǎo)致保存期僅有約6個(gè)月。二次型可再充電電池通常再充電速度比放電速度慢得多。長(zhǎng)的再充電時(shí)間段在了經(jīng)歷頻繁功率故障或轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)中是很大的缺點(diǎn)。二次型電池通常具有有限的壽命，用放電/再充電循環(huán)的數(shù)量表示。典型的二次型電池限制在約2000循環(huán)。這兩種電池具有不可預(yù)知的壽命，換言之，很難預(yù)測(cè)電池何時(shí)到達(dá)其有用電壓或壽命的終點(diǎn)。電池，其有用壽命典型地預(yù)測(cè)為僅大約40％的范圍內(nèi)，換言之，如果希望電池提供10小時(shí)的最小電壓，實(shí)際上，該電壓可發(fā)生在6小時(shí)到14小時(shí)之間的任何時(shí)間。
超電容器能存儲(chǔ)能量并提供快速可再充電能力的優(yōu)點(diǎn)。超電容器通常再充電速度與放電速度相同。但是，來(lái)自超電容器的輸出電壓通?？焖傧陆?，由此減少了用于備份功率的可用時(shí)間。例如，圖1說(shuō)明一組示范性的超電容器的輸出電壓下降。理想的輸出電壓通常是一個(gè)電壓范圍。在此例中，理想的范圍用最大(100％)電壓電平和最小額定電壓電平指示。一組超電容器從初始完全充電快速下降到最小電壓電平(在此例中大約30秒)。由于這么快地達(dá)到最小額定電壓，存儲(chǔ)在超電容器中的很多能量無(wú)法使用。例如，當(dāng)輸出電壓下降到最小額定電壓時(shí)，只有45％的存儲(chǔ)在超電容器中的能量可能已被使用。
理想的是有一種功率源提供長(zhǎng)的存儲(chǔ)壽命、用于延長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度的恒定輸出電壓、快速再充電的能力、以及可預(yù)測(cè)的有用電壓。

發(fā)明內(nèi)容
在此所述的發(fā)明涉及用在利用能量的系統(tǒng)中的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。本發(fā)明涉及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其允許使用有效的能量源，如超電容器，同時(shí)在延長(zhǎng)的時(shí)間段提供理想的電壓電平。進(jìn)一步，本發(fā)明提供一種功率源，其根據(jù)理想曲線(profile)放電，由此提供可預(yù)測(cè)的放電行為。
在一方面，本發(fā)明包括為負(fù)載提供功率的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括包括至少一個(gè)適于存儲(chǔ)能量和放電的超電容器的一個(gè)功率模塊。當(dāng)超電容器放電時(shí)該功率模塊提供輸出電壓。該系統(tǒng)還包括適于調(diào)節(jié)功率模塊的輸出電壓的調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器包括適于在負(fù)載上提供預(yù)定電壓曲線的放電控制電路。該曲線是功率模塊當(dāng)前電壓的函數(shù)。
負(fù)載可為需要電能的任何單元或系統(tǒng)，例如，一組需要恒定能量的計(jì)算機(jī)可包括負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施例中，所公開(kāi)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)在主功率系統(tǒng)故障或轉(zhuǎn)換的情況下可用作各份功率。
“超電容器”對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的。超電容器可以非常小的形狀因子(form factor)提供大量的容量，例如，500法拉在D-cell電池大小的電容器殼中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員同樣公知超電容器作為雙層電容器和超級(jí)電容器(supercapacitor)。超電容器通常包括兩個(gè)電流收集板，每個(gè)具有對(duì)應(yīng)的電極并被分離器所分離。能量以電荷的形式存儲(chǔ)在分離的電極。為了解超電容器更多的細(xì)節(jié)，參考美國(guó)專利No.5,621,607、5,777,428、5,862,035、5,907,472、6,059,847、6,094,788和6,233,135,其每個(gè)全文引入作為參考。
在一個(gè)實(shí)施例中，一“功率模塊”可為一組超電容器，如22個(gè)2700-法拉的超電容器串聯(lián)連接并互聯(lián)為平衡電路以保持超電容器之上的平衡電壓。功率模塊可實(shí)施為含有超電容器組的機(jī)架可安裝的封裝。
在一個(gè)實(shí)施例中，一放電控制電路包括用于比較負(fù)載之上的電壓和基準(zhǔn)電壓的比較器。還提供用于基于比較器輸出而控制調(diào)節(jié)器的功率級(jí)(power stage)。
在一個(gè)實(shí)施例中，一調(diào)節(jié)器包括至少一個(gè)電感器電路。在一個(gè)實(shí)施例中，該調(diào)節(jié)器包括兩個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)電感器電路。每個(gè)交錯(cuò)電感器電路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)電感器。所述開(kāi)關(guān)適于選擇性地閉合和斷開(kāi)，由此選擇性地在電感器中存儲(chǔ)能量以及放電給負(fù)載。所述開(kāi)關(guān)可被放電控制電路控制。
在一方面，本發(fā)明提供調(diào)節(jié)器電路用于調(diào)節(jié)給負(fù)載供電的源的輸出。調(diào)節(jié)器電路包括具有至少一個(gè)電感器的電感器電路；和開(kāi)關(guān)裝置，用于選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合電感器電路以便選擇性地放電給負(fù)載并在電感器中存儲(chǔ)能量。放電調(diào)節(jié)電路被提供并適于控制輸出電壓曲線。放電調(diào)節(jié)電路監(jiān)視來(lái)自功率源的當(dāng)前電壓并響應(yīng)當(dāng)前電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)裝置。
在一方面，本發(fā)明提供調(diào)節(jié)器電路，其具有兩個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)電感器電路；開(kāi)關(guān)裝置，用于選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合每個(gè)電感器電路以選擇性地放電給負(fù)載并在電感器中存儲(chǔ)能量；以及放電調(diào)節(jié)電路。該放電調(diào)節(jié)電路適于控制輸出電壓曲線。該放電調(diào)節(jié)電路監(jiān)視來(lái)自功率源的當(dāng)前電壓并響應(yīng)于當(dāng)前電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，為負(fù)載提供功率的系統(tǒng)包括一個(gè)模塊，所述模塊包括至少一個(gè)適于存儲(chǔ)能量和放電的電容器，當(dāng)電容器放電時(shí)該模塊提供輸出電壓；以及適用于調(diào)節(jié)該模塊輸出電壓的調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器包括適于提供負(fù)載之上預(yù)定電壓曲線的放電控制電路，該曲線是該模塊當(dāng)前電壓的函數(shù)。放電控制電路可包括用于比較負(fù)載之上的電壓和基準(zhǔn)電壓的比較器，以及用于基于比較器輸出來(lái)控制調(diào)節(jié)器的功率級(jí)。該調(diào)節(jié)器可適于當(dāng)輸出電壓下降到預(yù)定閾值以下時(shí)提高輸出電壓。該調(diào)節(jié)器可適于將輸出電壓提高到預(yù)定范圍內(nèi)的電壓。該調(diào)節(jié)器可包括至少一個(gè)電感器電路。該調(diào)節(jié)器可包括兩個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)電感器電路。每個(gè)交錯(cuò)電感器電路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)電感器，并且所述開(kāi)關(guān)適于選擇性地閉合和斷開(kāi)，由此選擇性地把能量存儲(chǔ)在電感器中并放電給負(fù)載。所述開(kāi)關(guān)可被放電控制電路控制。交錯(cuò)電感器電路可適于選擇性地使電流通過(guò)到負(fù)載并旁路負(fù)載。電容器可包括一超電容器。該系統(tǒng)可包括備份功率系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括汽車系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于調(diào)節(jié)來(lái)自給負(fù)載供電的超電容器功率源的輸出的調(diào)節(jié)器電路可包括電感器電路，具有至少一個(gè)電感器；開(kāi)關(guān)裝置，用于選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合電感器電路以選擇性地放電給負(fù)載并在電感器中存儲(chǔ)能量；以及放電調(diào)節(jié)電路，適于控制輸出電壓曲線，放電調(diào)節(jié)電路監(jiān)視來(lái)自功率源的當(dāng)前電壓并響應(yīng)于當(dāng)前電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于調(diào)節(jié)來(lái)自給負(fù)載供電的超電容器功率源的輸出的調(diào)節(jié)器電路可包括兩個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)電感器電路，每個(gè)電感器電路具有至少一個(gè)電感器；開(kāi)關(guān)裝置，用于選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合電感器電路以選擇性地放電給負(fù)載并在電感器中存儲(chǔ)能量；以及放電調(diào)節(jié)電路，適于控制輸出電壓曲線，放電調(diào)節(jié)電路監(jiān)視來(lái)自功率源的當(dāng)前電壓并響應(yīng)于當(dāng)前電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，一種在一個(gè)或多個(gè)超電容器中存儲(chǔ)能量并放電給負(fù)載的方法可包括以下步驟監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)超電容器的當(dāng)前電壓；以及根據(jù)當(dāng)前電壓提供負(fù)載之上的電壓曲線。該方法可包括以下步驟操作性地把一個(gè)或多個(gè)電感器耦合到一個(gè)或多個(gè)超電容器；以及從電感器選擇性地放電給負(fù)載。在任意時(shí)間電壓曲線可以10％或更好的精確度而預(yù)測(cè)。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于給負(fù)載提供能量的能量源可包括至少一個(gè)超電容器；與電感器串聯(lián)耦合的至少一個(gè)電感器；以及一個(gè)電路，其中所述電路中、所述至少一個(gè)超電容器、和所述至少一個(gè)電感器被操作性地耦合以提供負(fù)載之上的電壓曲線。負(fù)載可以是電馬達(dá)。馬達(dá)可以是混合式車用電馬達(dá)。在任意時(shí)間，電壓曲線可以10％或更好的精確度來(lái)描述系統(tǒng)的放電曲線。在任意時(shí)間，電壓曲線可以大約1％的精確度來(lái)描述系統(tǒng)的放電曲線。電感器可被額定為處理大于50安培的電流。對(duì)于多于30秒，源能夠?yàn)樨?fù)載提供高達(dá)144,000焦耳的能量。能量源可以是備份能量源。至少一個(gè)超電容器和至少一個(gè)電感器可直接互相連接。
盡管在此描述了本發(fā)明的方面、利益、優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施例，應(yīng)該理解這些描述是本發(fā)明的示例，本發(fā)明只受權(quán)利要求及其合法等效的限制。


圖1為說(shuō)明未受控制的超電容器組放電的輸出電壓下降的圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖3詳細(xì)說(shuō)明圖2中所示的與能量存儲(chǔ)系統(tǒng)一起使用的電容器組的一個(gè)實(shí)施例；圖4A為根據(jù)本發(fā)明帶有電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的原理圖；圖4B為根據(jù)本發(fā)明帶有電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的原理圖；圖5為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)一實(shí)施例的一個(gè)采樣輸出電壓的圖；圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的電感器的一個(gè)實(shí)施例；圖7A為根據(jù)本發(fā)明的帶有放電控制電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的原理圖；圖7B為根據(jù)本發(fā)明的帶有放電控制電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的另一實(shí)施例的原理圖；以及圖8為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的帶有放電控制電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一實(shí)施例的一個(gè)采樣輸出電壓的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通常指向適于為負(fù)載提供功率的功率源。在這一點(diǎn)，本發(fā)明包括能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其可提供長(zhǎng)的存儲(chǔ)壽命、針對(duì)延長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度的恒定功率、有用壽命的可預(yù)測(cè)性、以及快速再充電能力。
所公開(kāi)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)施針對(duì)延長(zhǎng)的時(shí)間段而提供保持理想的輸出電壓的能力，同時(shí)提供可快速再充電并且可持續(xù)實(shí)際上無(wú)限數(shù)目的放/充電周期的能量源。
圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100能接收例如來(lái)自貯存器或電網(wǎng)(未顯示)的輸入能量。輸入能量可為直流(DC)或交流(AC)。DC電壓由能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100輸出到負(fù)載(未顯示)。
輸入能量被引向充電器110，其可在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100中提供。充電器110用于給功率模塊120中提供的一個(gè)或多個(gè)超電容器充電。充電器110可替換地可獨(dú)立于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100被提供。當(dāng)功率模塊120要充電時(shí)利用充電器110。
功率模塊120可包括任意數(shù)量的超電容器以為負(fù)載提供理想的能級(jí)。例如，針對(duì)30秒或更多，負(fù)載需要4800watt的平均功率或144,000joule的能量，可用兩個(gè)并聯(lián)組的23個(gè)2700法拉的超電容器來(lái)滿足。
功率模塊120的一個(gè)實(shí)施例如圖3所示。所示的功率模塊120的實(shí)施例包括一組超電容器，如串聯(lián)連接的超電容器122。一對(duì)導(dǎo)線124、126被提供以把功率模塊120連接到負(fù)載。相同的導(dǎo)線124、126或另一組導(dǎo)線(未顯示)可用于為超電容器組充電?？稍诔娙萜鏖g互聯(lián)以保持超電容器之上的平衡電壓的電壓平衡電路也未顯示。
再參考圖2，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100進(jìn)一步包括電壓調(diào)節(jié)器模塊130。電壓調(diào)節(jié)器模塊130適于把來(lái)自功率模塊120的DC電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載需要的輸出電壓。例如，當(dāng)功率模塊120中的超電容器組放電時(shí)，經(jīng)歷來(lái)自所述功率模塊的電壓下降。當(dāng)電壓下降到預(yù)定閾值以下時(shí)，調(diào)節(jié)器模塊130可提高電壓以保證到負(fù)載的輸出電壓保持在理想范圍內(nèi)。
電壓調(diào)節(jié)器模塊130可被提供有控制器132?？刂破?32適于檢測(cè)來(lái)自功率模塊120的電壓下降，并且當(dāng)電壓下降到預(yù)定閾值以下時(shí)，適于發(fā)起電壓轉(zhuǎn)換?？刂破?32可實(shí)施為硬件、固件、和/或軟件。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器是控制電路的一個(gè)或多個(gè)元件的微處理器。
所述預(yù)定閾值可設(shè)置為適合特定應(yīng)用的級(jí)別。優(yōu)選地，所述預(yù)定閾值高于負(fù)載的最小電壓需求。例如，閾值可設(shè)置在負(fù)載的最小和最大電壓需求的中點(diǎn)。
圖4A示意性地說(shuō)明使用帶有電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)置的一個(gè)實(shí)施例。在所示的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)200中，功率模塊210為負(fù)載220提供電功率。來(lái)自功率模塊210的電流被引導(dǎo)通過(guò)電感器電路230。電感器電路230包括電感器232和開(kāi)關(guān)234?？蛇x擇電感器232的值以獲得理想的結(jié)果。
當(dāng)開(kāi)關(guān)234打開(kāi)時(shí)(如圖所示)，來(lái)自功率模塊210的電流流經(jīng)電感器232并流向負(fù)載220，導(dǎo)致來(lái)自功率模塊210的電壓被施加于負(fù)載220和電容器212之上。當(dāng)開(kāi)關(guān)234閉合時(shí)，電流通過(guò)電感器232，但旁路負(fù)載220，在這種情況下，來(lái)自功率模塊210的電壓被施加于電感器232之上，導(dǎo)致能量存儲(chǔ)在電感器232中。當(dāng)開(kāi)關(guān)234隨后斷開(kāi)時(shí)，來(lái)自功率模塊210的電壓和電感器232中存儲(chǔ)的能量被施加于負(fù)載。
電感器電路230還提供有二極管236。二極管236防止當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電流回流。這防止電流從負(fù)載不想要的汲出(drawing)。通過(guò)選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)234，負(fù)載之上的電壓可保持在比直接來(lái)自功率模塊210更高的水平。開(kāi)關(guān)234的斷開(kāi)和閉合可由控制器控制，如微處理器。可替換地，開(kāi)關(guān)234適于以規(guī)則的頻率斷開(kāi)和閉合。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)234以大約50KHz的速率斷開(kāi)和閉合，但在其它實(shí)施例中其它開(kāi)關(guān)速率也可在本領(lǐng)域技術(shù)人員所選擇的范圍內(nèi)。
電容器212被提供跨接于負(fù)載220。電容器212防止負(fù)載之上的電壓快速變化。電容器212的容量級(jí)別與功率模塊210比較相對(duì)要小。電容器212被選擇為適當(dāng)值，使得當(dāng)開(kāi)關(guān)234斷開(kāi)時(shí)其被充電，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)234閉合時(shí)其通過(guò)負(fù)載220放電。以這種方式，負(fù)載220被提供有用于其運(yùn)行的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器212可提供濾波功能。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器212包括電解電容器。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器212包括值.1法拉且電感器電路230包括值1微亨，但在其它實(shí)施例中用于這兩個(gè)元件二者的其它值也在由本領(lǐng)域的技術(shù)人員所選擇的范圍內(nèi)。
使用電感器電路230提高負(fù)載之上的電壓可導(dǎo)致電壓波紋。換言之，負(fù)載可經(jīng)歷電壓波動(dòng)。通過(guò)提供兩個(gè)或更多交錯(cuò)電感器電路可減少波紋，如圖4B中所示。雖然圖4B所示設(shè)置包括兩個(gè)電感器電路230、240，在其它實(shí)施例中可采用更大量的這種電路。
每個(gè)電感器電路230、240包括電感器232、242，開(kāi)關(guān)234、244以及二極管236、246。在運(yùn)行中，每個(gè)開(kāi)關(guān)234、244順序斷開(kāi)和閉合。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)234斷開(kāi)時(shí)，第二開(kāi)關(guān)244閉合。隨后，第二開(kāi)關(guān)244斷開(kāi)，而第一開(kāi)關(guān)234閉合。這以足夠高的頻率重復(fù)以產(chǎn)生施加于負(fù)載220的相對(duì)平滑的電壓曲線。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)的交替以大約65KHz執(zhí)行。
由上述電壓調(diào)節(jié)引起的示例電壓曲線如圖5中所示。當(dāng)完全充電時(shí)，超電容器功率模塊被應(yīng)用于負(fù)載，電壓初始為功率模塊額定的100％。優(yōu)選地，這基本上與負(fù)載的最高電壓需求一致。與圖1中所示的曲線類似，在被負(fù)載接入之后來(lái)自功率模塊的輸出電壓開(kāi)始下降(段A)。一旦來(lái)自功率模塊的電壓達(dá)到閾值電壓電平，上述電壓調(diào)節(jié)可開(kāi)始。作為電壓調(diào)節(jié)的結(jié)果，到負(fù)載的輸出電壓的下降速率顯著減小。段C表示有調(diào)節(jié)的電壓，段B表示沒(méi)調(diào)節(jié)的輸出電壓(與圖1中所示相同)。于是，在比沒(méi)有調(diào)節(jié)電壓顯著更長(zhǎng)的時(shí)間段，輸出電壓可保持在負(fù)載的最低電壓需求以上。進(jìn)一步，利用功率模塊的超電容器中可用的基本上更大量的能量。例如，沒(méi)有電壓調(diào)節(jié)時(shí)只有45％的存儲(chǔ)能量被利用(圖1)，而電壓調(diào)節(jié)允許使用87％的存儲(chǔ)能量。
在一種配置中，超電容器組被安裝在機(jī)架可安裝的模塊中以便與可包括一組計(jì)算機(jī)如服務(wù)器的服務(wù)器機(jī)架一起使用。該機(jī)架可安裝的模塊優(yōu)選地高度是2U(3.5英寸)且含有22個(gè)超電容器。機(jī)架可安裝的模塊的另一實(shí)施例含有46個(gè)超電容器且高度為4U(7英寸)。類似地，包括電壓轉(zhuǎn)換器、控制器和充電器的電子設(shè)備可被安裝在這種機(jī)架可安裝的模塊中。
傳統(tǒng)的電感器包括由可磁化材料制成的單個(gè)核心，如鐵。核心被具有若干繞組的線圈環(huán)繞，其每一端構(gòu)成電路中用于連接的導(dǎo)線。因此，傳統(tǒng)的電感器包括帶有多個(gè)繞組的單個(gè)核心。為了處理大電流和/或提供大電感值，傳統(tǒng)的電感器需要包括非常大的形狀因子。該領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)為要處理這么大的電流并配合在適當(dāng)尺寸的機(jī)架可安裝的模塊內(nèi)與在此所述的一致，使用傳統(tǒng)的電感器是不實(shí)際的如果不是不可能的。為此，這里所述的一個(gè)或多個(gè)電感器包括新穎的設(shè)計(jì)。
圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可具有低曲線(low-profile)高電流的電感器實(shí)施例。圖6中所示低曲線電感器300包括單個(gè)通過(guò)多個(gè)環(huán)320的導(dǎo)電段310。環(huán)320由可磁化材料如鐵制成，并可封裝在絕緣材料中。與提供在電感器300中的環(huán)的數(shù)量一樣，環(huán)320的尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)需求而定。在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)具有大約1英寸的外直徑、0.25英寸的內(nèi)直徑及大約0.125英寸的寬。在一個(gè)實(shí)施例中，33個(gè)環(huán)320沿著導(dǎo)電段310的長(zhǎng)度被設(shè)置于間隔開(kāi)的配置中。在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)沿著段310的長(zhǎng)度均等地間隔開(kāi)。導(dǎo)電段310通常是線性導(dǎo)線段，當(dāng)段301連接到電路時(shí)電流可流經(jīng)它。段310的長(zhǎng)度和直徑可根據(jù)電感器300的需求而選擇。導(dǎo)電段310可用任何導(dǎo)電材料制成，如銅或鋁。當(dāng)電流流經(jīng)段310，創(chuàng)建環(huán)繞段310的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)中的能量可被存儲(chǔ)在環(huán)320中。在一個(gè)實(shí)施例中，段310包括中空的管裝結(jié)構(gòu)，包括外直徑和內(nèi)直徑，氣體或流體可經(jīng)過(guò)其之上和/或其中，以去除在使用在此所述的實(shí)施例期間所產(chǎn)生的熱。在一個(gè)實(shí)施例中，電感器被額定為處理50安培或更大的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)與在此所述的本發(fā)明的實(shí)施例一起使用時(shí)，電感器300能有效和安全地處理大約200安培。因此，電感器300能有相對(duì)低的曲線，允許功率模塊如在此所述實(shí)施為小形狀因子模塊。進(jìn)一步，圖6中所示配置提出了改進(jìn)的熱特性，允許在高電流使用一個(gè)或多個(gè)電感器。
上述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可用于替代基于電池的功率源。在現(xiàn)有技術(shù)中由于電池根據(jù)無(wú)法預(yù)測(cè)的斜率放電，負(fù)載不可識(shí)別電壓何時(shí)接近可接受的最低水平并且不能采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如恰在達(dá)到可接受的最低水平之前關(guān)閉。在這一點(diǎn)，本發(fā)明不僅提供了延長(zhǎng)的電容器放電時(shí)間，還使得這種放電可以可預(yù)測(cè)的形式發(fā)生。
圖7A說(shuō)明帶有放電控制的電壓調(diào)節(jié)器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。如參考圖4A和4B所述的電壓調(diào)節(jié)器，圖7A的能量系統(tǒng)400包括給負(fù)載420供電的功率模塊410。電感器電路430包括電感器432、開(kāi)關(guān)434和二極管436。進(jìn)一步，提供相對(duì)低級(jí)別的電容器412被提供為跨接負(fù)載420。
放電控制電路450被提供以控制負(fù)載420之上的電壓曲線。放電控制電路450包括所提供的功率模塊410之上的5.1伏特的基準(zhǔn)電壓452。基準(zhǔn)電壓452被供給比較器456的正輸入。比較器456的負(fù)輸入包括通過(guò)線454在負(fù)載420之上所檢測(cè)的電壓。因此，比較器456能夠缺點(diǎn)負(fù)載420之上的當(dāng)前電壓。短語(yǔ)“當(dāng)前電壓(present voltage)”在此用來(lái)表示由比較器456所檢測(cè)、測(cè)量或確定的電壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解這種電壓可或可不是瞬時(shí)電壓。比較器456的輸出被提供給功率級(jí)458。功率級(jí)458可為控制器，如微處理器。功率級(jí)458包括關(guān)于理想放電曲線的信息。例如，一旦負(fù)載420之上的電壓下降到預(yù)定閾值，功率級(jí)458被提供忠實(shí)理想恒定斜率放電的信息。
因此，通過(guò)比較器456的輸出，功率級(jí)458可監(jiān)視負(fù)載420之上的電壓。當(dāng)電壓下降到預(yù)定閾值時(shí)，功率級(jí)458開(kāi)始控制電感器電路430的開(kāi)關(guān)434以獲得負(fù)載420之上的理想電壓曲線。因此，放電控制電路450用作反饋電路以獲得理想的結(jié)果。在這一點(diǎn)，負(fù)載420之上的電壓通過(guò)比較器456被監(jiān)視并通過(guò)電感器電路430的操作被控制。用這種方式，在負(fù)載420之上可獲得任何理想的電壓曲線。
如圖7B中所示，包括放電控制電路450的能量系統(tǒng)402可提供有多個(gè)交錯(cuò)電感器電路430、440，與參考圖4B所述的那些類似。每個(gè)電感器電路430、440包括電感器432、442，開(kāi)關(guān)434、444，以及二極管436、446。功率級(jí)458控制電感器電路430、440的每個(gè)開(kāi)關(guān)434、444以獲得理想的電壓曲線。如上所述，使用交錯(cuò)電感器電路減小了負(fù)載420之上的電壓波動(dòng)。
圖8中所示為由上述放電控制電壓調(diào)節(jié)引起的示范性電壓曲線。當(dāng)完全充電時(shí)，超電容器功率模塊應(yīng)用于負(fù)載，電壓初始為功率模塊額定值的100％。與圖1和5中所示的曲線類似，在被負(fù)載接入之后，來(lái)自功率模塊的輸出電壓開(kāi)始下降(段A)。一旦來(lái)自功率模塊的電壓達(dá)到閾值電壓電平，上述放電控制電壓調(diào)節(jié)開(kāi)始。圖8中所示的實(shí)例表示可預(yù)測(cè)的理想的電壓曲線。在這一點(diǎn)，放電被控制以提供負(fù)載之上電壓的恒定斜率下降。段D表示放電控制調(diào)節(jié)時(shí)的電壓，段B表示未調(diào)節(jié)時(shí)(與圖1所示相同)的輸出電壓。因此，可接受的電壓電平可用時(shí)間段顯著增加，同時(shí)提供可預(yù)測(cè)的電壓曲線。在一個(gè)實(shí)施例中，放電曲線何時(shí)達(dá)到特定電壓的預(yù)測(cè)可以10％或更小的精確度而被預(yù)測(cè)，例如，段D何時(shí)下降到最低額定電壓以下。在一個(gè)實(shí)施例中，到某一最低電壓以下的下降的出現(xiàn)可以大約1％的精確度被預(yù)測(cè)，例如，可期望在此所述的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)施例提供10小時(shí)高于某最低電壓的電壓，實(shí)際上，在9.9至10.1小時(shí)之間的任何時(shí)刻可達(dá)到這樣的最低電壓。
相應(yīng)地，在此公開(kāi)的實(shí)施例提供一種能量源，其展示短的再充電時(shí)間、延長(zhǎng)的所提供電壓的持續(xù)時(shí)間、以及可預(yù)測(cè)的電壓曲線。在放電性能上具有可預(yù)測(cè)性的可再充電的能量源允許以及時(shí)的方式在沿著放電曲線的特定點(diǎn)或之前采取補(bǔ)救措施。在其中負(fù)載可包括電馬達(dá)的混合式汽車應(yīng)用中，這種可預(yù)測(cè)性將幫助確定從電容器功率源切換到另一功率源將需要發(fā)生的時(shí)間，例如，燃料電池(fuel cell)或內(nèi)燃機(jī)，將需要發(fā)生的時(shí)間。因?yàn)榍袚Q時(shí)間可用更可預(yù)測(cè)的方式得到，來(lái)自基于電容器的功率源的混合式車輛的運(yùn)行可被延長(zhǎng)，因此在切換到另一功率源之前增加了車輛運(yùn)行范圍。
雖然此處示出并詳細(xì)說(shuō)明的特定系統(tǒng)和方法完全能達(dá)到本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，可以理解此處介紹的描述和圖代表一些而不是全部的預(yù)期實(shí)施例。對(duì)一個(gè)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是可進(jìn)行許多改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，電阻器電容器、電感器、和二極管值可根據(jù)應(yīng)用而變化，并且在沒(méi)有不適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)的情況下可由本領(lǐng)域技術(shù)人員選擇。同樣可想像在此公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)元件可用模擬形式或數(shù)字形式來(lái)實(shí)施，包括如PLD、固件、和/或軟件實(shí)現(xiàn)。所以，本發(fā)明不受除了根據(jù)所附權(quán)利要求及其等價(jià)以外的限制。
權(quán)利要求
1.一種為負(fù)載提供功率的系統(tǒng)，包括模塊，包括至少一個(gè)適于存儲(chǔ)能量和放電的電容器，該模塊在所述電容器放電時(shí)提供輸出電壓；以及調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)該模塊的輸出電壓，該調(diào)節(jié)器包括適于提供負(fù)載之上預(yù)定電壓曲線的放電控制電路，該曲線是該模塊當(dāng)前電壓的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述放電控制電路包括用于比較所述負(fù)載之上的電壓和基準(zhǔn)電壓的比較器，以及用于基于所述比較器輸出而控制所述調(diào)節(jié)器的功率級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)器適于在輸出電壓下降到預(yù)定閾值以下時(shí)提高輸出電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)器適于把輸出電壓提高為預(yù)定范圍內(nèi)的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)器包括至少一個(gè)電感器電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)器包括兩個(gè)或更多交錯(cuò)電感器電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述交錯(cuò)電感器電路包括開(kāi)關(guān)和電感器，并且其中所述開(kāi)關(guān)適于選擇性地閉合和斷開(kāi)，由此選擇性地在所述電感器中存儲(chǔ)能量并放電給所述負(fù)載。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述開(kāi)關(guān)由所述放電控制電路控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述交錯(cuò)電感器電路適于選擇性地使電流通過(guò)到負(fù)載以及旁路所述負(fù)載。
10.權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電容器包括超電容器。
11.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括備份功率系統(tǒng)。
12.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括汽車系統(tǒng)。
13.一種用于調(diào)節(jié)給負(fù)載供電的超電容器功率源的輸出的調(diào)節(jié)器電路，包括電感器電路，具有至少一個(gè)電感器；開(kāi)關(guān)裝置，用于選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合所述電感器電路以選擇性地放電給所述負(fù)載并在所述電感器中存儲(chǔ)能量；以及放電調(diào)節(jié)電路，適于控制輸出電壓曲線，該放電調(diào)節(jié)電路監(jiān)視來(lái)自所述功率源的當(dāng)前電壓并響應(yīng)于所述當(dāng)前電壓來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)裝置。
14.一種用于調(diào)節(jié)給負(fù)載供電的超電容器功率源的輸出的調(diào)節(jié)器電路，包括兩個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)電感器電路，每個(gè)電感器電路具有至少一個(gè)電感器；開(kāi)關(guān)裝置，用于選擇性地?cái)嚅_(kāi)和閉合每個(gè)所述電感器電路，以選擇性地放電給所述負(fù)載并在所述電感器中存儲(chǔ)能量；以及放電調(diào)節(jié)電路，適于控制輸出電壓曲線，該放電調(diào)節(jié)電路監(jiān)視來(lái)自所述功率源的當(dāng)前電壓并響應(yīng)于所述當(dāng)前電壓來(lái)控制所述開(kāi)關(guān)裝置。
15.一種在一個(gè)或多個(gè)超電容器中存儲(chǔ)能量并放電給負(fù)載的方法，包括以下步驟監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)超電容器的當(dāng)前電壓；以及根據(jù)所述當(dāng)前電壓提供負(fù)載之上的電壓曲線。
16.權(quán)利要求15的方法，包括以下步驟操作性地把一個(gè)或多個(gè)電感器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)超電容器；以及從電感器選擇性地放電給負(fù)載。
17.權(quán)利要求15的方法，其中達(dá)到某電壓的時(shí)間可以在10％或更好的精確度內(nèi)預(yù)測(cè)發(fā)生。
18.權(quán)利要求15的方法，其中達(dá)到某電壓的時(shí)間可以在1％或更好的精確度內(nèi)預(yù)測(cè)發(fā)生。
19.一種為負(fù)載提供能量的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)超電容器；與所述電感器串聯(lián)耦合的至少一個(gè)電感器；以及電路，在該電路中，至少一個(gè)超電容器、和至少一個(gè)電感器被操作性地耦合以提供負(fù)載之上的電壓曲線。
20.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載是電馬達(dá)。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述馬達(dá)是混合式車輛電馬達(dá)。
22.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中在任意給定時(shí)間，所述電壓曲線以10％或更好的精確度描述所述系統(tǒng)的放電曲線。
23.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中在任意給定時(shí)間，所述電壓曲線以大約1％的精確度描述所述系統(tǒng)的放電曲線。
24.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述電感器被額定為處理至少50安培的電流。
25.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中對(duì)于多于30秒，源能夠?yàn)樨?fù)載提供高達(dá)144,000焦耳的能量。
26.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述能量源是備份能量源。
27.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)超電容器和所述至少一個(gè)電感器被直接連接。
全文摘要
說(shuō)明了一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，例如，其用于如一組計(jì)算機(jī)的電子系統(tǒng)。所公開(kāi)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)允許使用有效的能量源，如超電容器，其在延長(zhǎng)的時(shí)間段提供理想的電壓電平。該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例為負(fù)載提供功率。該系統(tǒng)包括功率模塊，所述功率模塊包括至少一個(gè)適于存儲(chǔ)能量和放電的超電容器。該功率模塊在超電容器放電時(shí)提供輸出電壓。該系統(tǒng)還提供電壓調(diào)節(jié)器用于提高功率模塊的輸出電壓。該電壓調(diào)節(jié)器可包括電壓轉(zhuǎn)換器。該電壓轉(zhuǎn)換器可適于在輸出電壓下降到預(yù)定閾值以下時(shí)提高輸出電壓。該電壓轉(zhuǎn)換器可包括多個(gè)交錯(cuò)電感器電路，每個(gè)電路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)電感器。開(kāi)關(guān)適于順序閉合和斷開(kāi)，由此順序地把能量存儲(chǔ)在電感器中并放電給負(fù)載。
文檔編號(hào)H02J7/16GK1813387SQ200480018224
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
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