电容器充电电压的调节的制作方法

文档序号:7350519阅读:550来源:国知局
电容器充电电压的调节的制作方法
【专利摘要】在此提供了一种用于调节电容器的充电电压的方法和安排,该电容器被用作具有所需能量水平的系统中的功率备份。该方法包括基于所接收的电容值和所接收的所需能量水平的值调节该电容器的充电电压。执行该调节,从而使得该电容器中所存储的能量水平被保持基本不变。本发明的优点在于,其延长了电容器的使用期。
【专利说明】电容器充电电压的调节

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及具有充电部件和放电部件的系统中的电容器的充电领域。具体 地,本发明涉及一种用于调节这种系统中的电容器的充电电压的方法和安排。
[0002] 置量
[0003] 电化学双层电容器(EDLC)(也被称为超电容器或超级电容器)经常被用作电子电 路中的能量存储装置。例如,EDLC可以被用作系统中的功率备份。
[0004] EDLC的问题在于,它们具有有限的使用期,因为电容和电导率由于电化学反应而 降低。当在对长产品使用期有要求的应用中使用EDLC时,EDLC的有限使用期特别成问题。 EDLC的老化受到温度和电压的影响。提高电压和温度将以指数方式加速电化学反应并因 此导致电容和电导率降低。EDLC的使用期可以被定义为直到电容已经降低至其初始值的 50%和电阻已经增加至其初始值的300%时的时候。
[0005] -种对EDLC的老化进行补偿的方法一直是使用具有高初始电容的电容器。这种 方法的缺点在于,最初电容器中存储比所需的能量更多的能量。本方法的进一步的缺点在 于,大的电容器是昂贵的并且将大的电容器充电至高电压电平需要更大且更昂贵的电源电 路。进一步地,大的电容器的充电是耗时的。
[0006] JP2005117792A披露了一种延长EDLC的使用期的方法。更确切地说,其披露了一 种用于控制可以增加EDLC组的使用期的功率的设备。温度传感器检测元件温度。作为对 其的响应,用于控制功率的设备驱动冷却风扇,从而使得内部元件温度变为50°C摄氏度或 更低。
[0007] 如JP2005117792中所披露的对EDLC进行冷却以延长使用期的解决方案的缺点在 于,其需要庞大的风扇。其结果是,当空间有限时,其可能不在应用中使用。进一步地,不可 以在恶劣和粉尘环境中使用风扇。因此,需要延长EDLC的使用期的其他方法。
[0008] 发明概沭
[0009] 鉴于以上内容,因此,本发明的一个目的是提供一种用于延长在系统中被用作功 率备份的电容器的使用期的方法和安排。
[0010] 根据本发明的一个第一方面,通过一种用于调节系统中的电容器的充电电压的方 法来实现上述目的,该系统具有一个与该充电电压相关联的充电部件和一个具有一个所需 能量水平Wg的放电部件,该充电电压与所述电容器中所存储的一个能量水平1_相关,该 方法包括:接收该电容器的一个电容值;接收该所需能量水平的一个值;以及基于所述 电容值和该所需能量水平的所述值调节该电容器的该充电电压,从而使得所述电容器 中所存储的该能量水平W 被保持基本不变。
[0011] 电容器中所存储的能量1_与该电容值以及与跨该电容器的电压的平方成比例。 由于老化,电容值随时间而降低。相应地,如果充电电压保持不变,则电容器中所存储的能 量随时间而降低,并且不久后电容器中所存储的能量将低于所需能量水平W^g。 然而,在本发明的方法的情况下,调节充电电压以补偿电容器的老化。调节充电电压,从而 使得电容器中所存储的能量水平1 #<4被保持基本不变。因此,随着电容由于电容器的老化 而降低,将提高充电电压并且电容器中所存储的能量水平可保持在所需能量水平 以上。由此增加了电容器的使用期。此外,由于在任何时候充电电压可以被选择成尽可能 低同时仍然将电容器中所存储的能量水平保持在一个超过所需能量水平的水平,从而 减缓了电容器的老化。进一步地,以此方式减少了对电容器进行充电所花费的时间。
[0012] 电容器中所存储的能量水平优选地大于或等于所需能量水平Wss。
[0013] 该电容器可以是电化学双层电容器EDLC。
[0014] 该方法可以进一步包括接收该电容器的一个电导率值,所述电导率值与欧姆电压 下降相关,并且其中,所述调节该电容器的充电电压进一步基于所述电导率值以补偿所述 欧姆电压下降。由于电导率随时间降低和欧姆电压下降由此随时间增加,这对于要求电容 器的长使用期的应用而言是特别有利的。欧姆电压下降是指当电流开始从电容器流向系统 的放电部件时由于跨电容器内的电阻组件生成的电压而引起的电压下降。
[0015] 该方法可以进一步包括迭代以下步骤:接收该电容器的一个电容值;基于该电容 值和该所需能量水平的值调节该电容器的该充电电压直到该电容器中所存储的能量 水平基本上等于该所需能量水平。这是有利的,因为可以将电容对充电电压的非 线性依赖性考虑在内。
[0016] 可以循环地执行接收一个电容值、接收所需能量水平W_的一个值、以及调节该 充电电压这些动作。例如,充电电压的调节可以每天一次或每秒一次来执行。这是有利的, 因为可以周期性地调节充电电压以确保电容器中所存储的能量水平被保持基本不变。
[0017] 该方法可以进一步包括接收环境温度的温度值、以及基于该温度值确定这些循环 的周期。温度影响电容器的老化。因此,针对高温,电容迅速降低,并且比针对低温更频繁 地有利地实施该调节。
[0018] 该方法可以进一步包括确定该电容器的电容值。在一个实施例中,确定电容器的 电容值的动作可以包括:通过向该电容器提供一个充电电流来执行该电容器的充电或放电 其中之一,或与该电容器并联地连接一个负载,从而使得由此引起一个放电电流从该电容 器流出,其中在一个第一时间点发起该充电或放电,在当对该电容器进行充电或放电时的 一个时间段期间测量该电容器的电荷变化,其中该时间段在该第一时间点之后发生,在同 一时间段期间测量跨该电容器的一个第一电压变化,以及确定该电容值作为所测量的电荷 变化和所测量的第一电压变化之间的一个比率。这是有利的,因为其能够通过在电容器上 执行直接测量来获得电容的精确电容值。
[0019] 在该充电电流或该放电电流在该第一时间点时具有一个已知电流值的情况下,该 方法可以进一步包括:测量在该第一时间点发生的一个第二电压变化,该第二电压变化与 跨该电容器中的一个电阻组件由该充电电流或该放电电流引起的一个电压相关;以及确定 该电容器的一个电导率值作为该已知电流值和所测量的第二电压变化之间的比率。这是有 利的,因为还可以通过直接测量来获得该电导率值,从而使得当调节充电电压时可以将欧 姆电压下降考虑在内。该充电电流或该放电电流可以对应于一个恒定电流值,并且所述确 定该电容值作为一个比率的动作可以包括确定该电容器的充电或放电期间跨该电容器的 一个测量电压的一个梯度。这是有利的,因为电容值的确定简化成确定跨该电容器的测量 电压的梯度。
[0020] 在一个实施例中,接收该电容器的电容值的动作包括接收与该电容值的变化相关 的信息,该变化作为来自一条曲线或一个表的时间和/或温度的一个函数;以及确定该电 容器的该电容值作为该曲线或表中的与一个当前时间和/或温度相对应的电容值。这是有 利的,因为可以使用低量处理功率以一种简单的方式确定电容值。
[0021] 根据本发明的一个第二方面,该目的通过一种用于调节系统中的电容器的充电电 压的控制单兀来实现,该系统具有一个与该充电电压相关联的充电部件和和一个具有一个 所需能量水平Wg的放电部件,该充电电压与所述电容器中所存储的一个能量水平1_相 关。该控制单元包括:一个接收器,被安排成用于接收该电容器的一个电容值;以及所需能 量水平的一个值;一个处理单元,被安排成用于基于所述电容值和该能量水平的 所述值调节该电容器的该充电电压,从而使得所述电容器中所存储的该能量水平被保 持基本不变;以及一个传输器,被安排成用于传输与所调节的充电电压相关的一个信号。
[0022] 根据本发明的一个第三方面,该目的通过一种用于调节系统中的电容器的充电电 压的安排来实现,该系统具有一个与该充电电压相关联的充电部件和一个具有一个所需能 量水平Wg的放电部件,该充电电压与所述电容器中所存储的一个能量水平1_相关。该 安排包括一个根据该第二方面的控制单元、以及一个可调电压调节器,该调节器被安排成 用于从该控制单元接收与所调节的充电电压相关的信号,并且用于跨该电容器施加一个与 所调节的充电电压相对应的一个电压电平。
[0023] 根据本发明的一个第四方面,该目的通过一种存储在非易失性计算机可读介质上 的计算机程序产品来实现,该计算机程序产品包括被适配成用于当在一台计算机上被加载 和执行时执行根据该第一方法所述的方法的多个计算机程序代码部分。
[0024] 该第二、第三和第四方面通常可以具有与该第一方面相同的特征和优点。应进一 步指出的是,除非另外明确声明,否则本发明涉及所有可能的特征组合。
[0025] 通常,除非在此另外明确定义,否则根据该【技术领域】中其通常含义解释权利要求 中所使用的所有事项。除非另外明确声明,否则对"一个/一种/该[装置、事件、消息、警 告、参数、步骤等]"应被开放式地解释为是指所述装置、事件、消息、警告、参数、步骤等的至 少一个实例。除非明确声明,否则在此披露的任何方法的步骤不必完全按照所披露的顺序 执行。
[0026] 附图简要说明
[0027] 通过以下参照附图对本发明的优选实施例进行的说明性而非限制性的详细说明, 本发明的以上的以及其他的目的、特征和优点将得到更好的理解,在附图中,相同的参考数 字将用于相似的元件,其中:
[0028] 图1为可以在其中使用本发明的实施例的系统的示意性图示,
[0029] 图2为根据实施例的控制单元的内部组件的示意性图示,
[0030] 图3和图4为根据实施例的用于确定电容值的安排的示意性图示。
[0031] 图5a-b为示意图,展示了电容器电压,分别作为充电和放电期间的时间的函数。
[0032] 图6和图7为根据实施例的方法的流程图。
[0033] 实施方案的详细说明
[0034] 现在下文将参照这些附图对本发明进行更全面地描述,在附图中示出了本发明的 当前优选实施例。然而,可以用许多不同的形式体现本发明并且其不应被解释成为局限于 在此阐述的实施例;而是出于彻底性和完整性提供这些实施例,并且完整地向技术人员传 达本发明的范围。
[0035] 图1展示了包括负载110和电容器102的系统100。系统100可以被用作用于对 负载110进行供电的备用系统。具体地,系统102可以被用作用于负载110的备用电源。一 般地,通过电网118对负载110进行供电。然而,如果发生断电,则可以例如通过开关116 将该负载连接至包括电容器102的备用系统。
[0036] 系统100具有充电部件112和放电部件114。放电部件114与电容器102的放电 模式相关联。具体地,在该放电模式下,电容器102连接到负载110以对负载110进行供电。 电容器102可以通过电压调节器108连接到负载110。
[0037] 充电部件112与电容器102的充电模式相关联。在该充电模式下,电容器102与 负载110断开。当在该充电模式下时,通过跨电容器102施加的充电电压对电容器102进 行充电。通过可调电压调节器104提供该充电电压。通过电网120对可调电压调节器104 进行供电。
[0038] 进一步地,可调电压调节器104连接至控制单元106。控制单元106被安排成用于 确定所调节的充电电压和将与所调节的充电电压相关的信号发送至可调电压调节器104。
[0039] 电容器102可以是EDLC。电容器102具有电容值C。电容器102可以存储根据以 下公式与跨电容器102的电容C和电压V。相关的能量水平W Wl|。
[0040]

【权利要求】
1. 一种用于调节系统中的电容器的充电电压的方法,该系统具有一个与该充电电压相 关联的充电部件和一个具有一个所需能量水平的放电部件,该充电电压与所述电容器 中所存储的一个能量水平相关,该方法包括 : 接收该电容器的一个电容值; 接收该所需能量水平的一个值;以及 基于所述电容值和该所需能量水平的所述值调节该电容器的该充电电压,从而使 得所述电容器中所存储的该能量水平w 被保持基本不变。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中,该电容器为一个电化学双层电容器EDLC。
3. 根据权利要求1所述的方法,进一步包括 接收该电容器的一个电导率值,所述电导率值与一个欧姆电压下降相关, 其中,所述调节该电容器的该充电电压进一步基于所述电导率值以补偿所述欧姆电压 下降。
4. 根据权利要求1所述的方法,其中,该电容器中所存储的该能量水平1_大于或等 于该所需能量水平WffS。
5. 根据权利要求1所述的方法,进一步包括迭代以下步骤: 接收该电容器的一个电容值,以及基于该电容值和该所需能量水平的该值调节该 电容器的该充电电压直到该电容器中所存储的该能量水平基本上等于该所需能量水 平w需要。
6. 根据权利要求1所述的方法,其中,循环地执行接收一个电容值、接收该所需能量水 平W 的一个值、以及调节该充电电压这些动作。
7. 根据权利要求6所述的方法,进一步包括接收一个环境温度的一个温度值、以及基 于该温度值确定这些循环的周期。
8. 根据权利要求1所述的方法,进一步包括确定该电容器的该电容值。
9. 根据权利要求8所述的方法,其中,所述确定该电容器的该电容值的动作包括 通过向该电容器提供一个充电电流来执行该电容器的充电或放电其中之一,或 与该电容器并联地连接一个负载,从而使得由此引起一个放电电流从该电容器中流 出,其中在一个第一时间点发起该充电或放电, 在当对该电容器进行充电或放电时的一个时间段期间测量该电容器的一个电荷变化, 其中该时间段在该第一时间点之后发生, 在同一时间段期间测量跨该电容器的一个第一电压变化,以及 确定该电容值作为所测量的电荷变化和所测量的第一电压变化之间的一个比率。
10. 根据权利要求9所述的方法,其中,该充电电流或该放电电流在该第一时间点具有 一个已知的电流值,该方法进一步包括: 测量在该第一时间点发生的一个第二电压变化,该第二电压变化与跨该电容器中的一 个电阻组件由该充电电流或该放电电流引起的一个电压相关,以及 确定该电容器的一个电导率值作为该已知电流值和所测量的第二电压变化之间的比 率。
11. 根据权利要求9所述的方法,其中,该充电电流或该放电电流对应于一个恒定电流 值,并且其中,所述确定该电容值作为一个比率的动作包括确定该电容器的充电或放电期 间跨该电容器的一个测量电压的一个梯度。
12. 根据权利要求8所述的方法,其中,所述接收该电容器的一个电容值的动作包括 接收与该电容值的变化相关的信息,该变化作为来自一条曲线或一个表的时间和/或 温度的一个函数, 确定该电容器的该电容值作为该曲线或表中的与一个当前时间和/或温度相对应的 电容值。
13. -种用于调节系统中的电容器的充电电压的控制单元,该系统具有一个与该充电 电压相关联的充电部件和一个具有一个所需能量水平的放电部件,该充电电压与所述 电容器中所存储的一个能量水平相关,该控制单元包括: 一个接收器,被安排成用于接收该电容器的一个电容值;以及该所需能量水平的 一个值; 一个处理单元,被安排成用于基于所述电容值和该能量水平Wfls的所述值调节该电容 器的该充电电压,从而使得所述电容器中所存储的该能量水平被保持基本不变;以及 一个传输器,被安排成用于传输与所调节的充电电压相关的一个信号。
14. 一种用于调节系统中的电容器的充电电压的安排,该系统具有一个与该充电电压 相关联的充电部件,以及 一个根据权利要求13所述的控制单元,以及 一个可调电压调节器,该调节器被安排成用于从该控制单元接收与所调节的充电电压 相关的信号,并且用于跨该电容器施加一个与所调节的充电电压相对应的一个电压电平。
15. -种存储在非易失性计算机可读介质上的计算机程序产品,包括被适配成用于当 在一台计算机上被加载和执行时执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的多个计 算机程序代码部分。
【文档编号】H02J7/04GK104054233SQ201280066968
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年1月16日 优先权日:2012年1月16日
【发明者】弗雷德里克·戈特 申请人:施耐德电气建筑有限公司
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