专利名称：电能储存装置及应用电能储存装置的工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电能储存装置及应用电能储存装置的工具，尤其是涉及一种可充电的且可应用于脉冲式负载电流输出的电能储存装置及应用该电能储存装置的工具。
目前可携式的充电电动工具如电钻、电锯或电动打钉机等，需要一种电能储存装置作为电能供应来源。如
图1所示，习知的电能储存装置1，包含多个串联的电池2以及电能输出端3，串联多个电池2是用以达到工作电压的要求。目前该电池2主要使用镍镉电池，因为镍镉电池可作大电流放电，瞬间可以输出大约相当于容量值的20倍左右的大电流输出，适用于脉冲式负载电流的输出，但是因镍镉电池能量密度不足，故重量大且工作时间短。锂电池虽然具有重量轻、能量密度高等优点，但是不适合做大电流放电，故不适用于脉冲式负载电流的输出应用。因此，目前无论是电能贮存装置或应用电能贮存装置的可携式电动工具都具有重量大且工作时间短的缺点。
再者，习知电能贮存装置及可携式电动工具还被二次电池的特性所限制，除了无法快速释放电能且功率输出受到限制以外，当其应用在需要瞬间大电池输出时，还会产生更多问题，诸如高电量输出会导致二次电池电能降低以及循环寿命的降低，而且往往因为放电不完全而将电池充电，导致具有记忆效应的电池容量很快衰减，终至寿命减短。
为了满足瞬间大电流输出的要求，电池结合电容是一可行的解决方案。电池可以储存大量电能，但无法迅速释放电能，且输出功率也有限，另一方面，电容可以提供大电流，但无法持续长时间，且能量密度比电池小许多。其中超级电容由于具有较普通电容高的功率、电压以及能量密度，特别适合脉冲式负载电流的输出应用。在电池与超级电容结合所组成的电能储存装置中，电池主要负责对超级电容充电，而大电流输出则由超级电容供应；如此，不同的电池都可以使用，而且还可以确保电池的寿命及效用。
习知电池连接超级电容的方式如图2及3所示。电池2与超级电容4并联前，必须如图2所示设置一换流器5、或如图3所示设置二极管6、限流开关7以及限流电阻8，以防止超级电容爆炸，该等电能贮存装置的缺点是成本高、装置复杂且困难。
本发明的目的在于提供一种高效能、寿命长的电能储存装置，其能够提供瞬间高功率输出，同时兼顾延长使用时间的要求，不仅使电池容量能充分利用也使电池寿命得以延长，而且成本低、装置简单。
本发明的另一目的在于提供一种电能储存装置，其增加了适用高功率输出的电池种类，不局限于使用镍镉电池，也使镍氢电池、锂离子电池、锂高分子电池等高能量密度的高性能电池可直接使用，而不需做任何的设计更改；即使是一般电池也不需要为了提高功率密度，而牲牺其能量密度。
本发明的另一目的在于提供一种电能贮存装置，其重量轻、容量高、使用次数多且可以避免记忆效应。
本发明的再一目的是提供一种应用电能储存装置的可携式电动工具，其主要利用上述的电能储存装置，并且具有电能储存装置所提供的好处。
为实现上述目的，本发明的电能储存装置，包含有至少一个电池，至少一个超级电容，及一电能输出端，该超级电容电压被充足时的内阻小于该电池的内阻，该超级电容以并联的方式与该电池相连接。
所述的电能储存装置，该电池由多个电池彼此串联组成。
所述的电能储存装置，该电池为锂电池。
所述的电能储存装置，该电池为镍镉电池。
所述的电能储存装置，该电池为镍锌电池。
所述的电能储存装置，该电池为镍氢电池。
所述的电能储存装置，还包含一电池保护控制机构及一与该电池串联的双向电流电源开关。
所述的电能储存装置，还包含一与该超级电容并联的齐纳二极管。
本发明的一种应用电能储存装置的工具，包含一工具本体；以及一用以供应电能予该工具本体的电能储存装置，该电能储存装置包含至少一个电池、至少一个超级电容及一电能输出端，该超级电容于电压被充足时的内阻小于该电池的内阻，该超级电容以并联的方式与该电池池相连接。
所述的应用电能储存装置的工具，该电池由多个电池彼此串联组成。
所述的应用电能储存装置的工具，该电池为锂电池。
所述的应用电能储存装置的工具，该电池为镍镉电池。
所述的应用电能储存装置的工具，该电池为镍锌电池。
所述的应用电能储存装置的工具，该电池为镍氢电池。
所述的应用电能储存装置的工具，还包含一电池保护控制机构及一与该电池串联的双向电流电源开关。
所述的应用电能储存装置的工具，还包含一与该超级电容并联的齐纳二极管。
采用了上述结构后，本发明的电能储存装置中，超级电容电压被充饱时的内阻小于该电池的内阻，且是以并联的方式与电池相连接，并由一输出端输出电能；由此，该超级电容是瞬间大电流输出的主要电能供应者，该电池用以产生电能供应于该超级电容，以及于大电流输出时作为次要的电能供应者。该电池与该超级电容的并联之间不需要换流器或限流电阻，所以使本电能储存装置效能高，寿命长且装置简单。
在本发明中，该电池不受种类限制，可以是镍镉电池、镍氢电池或锂电池，较佳者为锂电池，其重量轻、容量高、使用时间长、使用次数多且避免记忆效应。
本发明的电能储存装置还包含一电池保护控制机构以及一与该电池串联的双向电流电源开关，且该电池保护控制机构是用以控制该双向电流电源开关的开与关，用以防止电池受到过充电、过放电、以及避免在大放电电流下操作。
本发明的电能储存装置还包含一与该超级电容并联的齐纳二级管，用以防止超级电容于过电压情况下操作、以及防止该电能储存装置在过电流情况下操作。
在常见瞬间大电流放电且与该电能储存装置利用上不可分离的情况下，本发明还提供了一种应用电能储存装置的工具，其包含一工具本体以及一用以供应给该工具本体电能的上述电能贮存装置，该应用设备具有前述电能储存装置的各种优点。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述图1是习知使用镍镉电池的电能储存装置的电路示意图。
图2是习知电能储存装置中电池与超级电容的连接方式电路示意图。
图3是习知电能储存装置中电池与超级电容的连接方式电路示意图。
图4是超级电容的电路示意图。
图5是电池的电路示意图。
图6是本发明电能储存装置的一较佳实施例的电路示意图。
图7是本发明的电能贮存装置用于电动工具中，当转动螺丝出来时电能贮存装置的电压及整个电能贮存装置的输出电流随时间变化的波形图。
图8是本发明的电能贮存装置用于电动工具中当转动螺丝出来时电能贮存装置的电压及电池的输出电流随时间变化的波形图。
图9是本发明的电能贮存装置应用于电动工具中，当转动螺丝进去时电能贮存装置的电压及输出电流随时间变化的波形图。
图10是本发明的电能贮存装置应用于电动工具中当转动螺丝进去时电能贮存装置的电压及电池的输出电流随时间变化的波形图。
所谓超级电容是指应用双层结构，且将电极以特殊制程形成，例如形成为蜂巢状组织，用以提高单位重量的表面积；其电容值常达到一个或数个法拉值，远超过一般电子电泳中采用的电容器的容量，故也称为法拉电容器或双层超高电容器。其储存的能量可在瞬间释放，一般认为超级电容的内部阻抗很低，若直接与电池并联的话，将会产生极大的充电电流，导致电池或电容受到损害甚至爆炸。
一般的电容器，例如电解质电容器，可视为一理想电容器分别串联一串联电阻以及并联电阻，若因电容器瞬间通过的电流过大，因焦尔效应所产生的热量使得电容器中电解液被加温，导致并联电阻值下降，因而材料劣化而爆炸。
事实上，通过本发明的实施例可以知道，超级电容器因结构不同于一般电容器，且较接近于锂电池，故其内阻随使用条件的变化而调整，对适当搭配的电池系统不会产生一般预料中的电池爆炸的结果。根据一设计准则，电池和超级电容可以直接并联，不需要换流器或限流机构；超级电容的内部阻抗随着超级电容的放电而会有所改变，其在电路上如图4所示，当超级电容的电压被充满时，内阻几乎等于R1，但当超级电容开始放电后，图4中各个电阻R2至R5的效应会显现出来，超级电容的内阻将渐渐上升。
相对于超级电容来说，电池的内阻RB在放电的期间几乎为固定的，在电路上可以如图5的模型来说明。
该设计准则显示，如图4所示，R1代表超级电容4在充饱时的内阻，只要R1小于电池2的内阻RB，参阅图5，则超级电容4可以直接与电池2并联，不需要换流器或限流机构。在放电的初期，大部分的放电电流会由超级电容来供应，但在放电一段时间以后，超级电容的总内阻会上升，使得其放电电流变小，当超级电容的总内阻上升到超过电池的内阻RB时，电池会自动对超级电容充电。
对于超级电容与电池的直接并联，本发明提出的方法为，在超级电容与电池并联之前，先对超级电容充电，使超级电容电压上升到接近电池电压，之后再与电池并联。电池可以是一个，也可以是串联数个组成，具体视工作电压而定。因为超级电容的电压与电池电压很接近，电池对超级电容的充电电流不会很大，两者之间根本不需外接换流器或限流电阻。换言之，只要先对超级电容充电，使电池与超级电容并联瞬间不会产生极高电流之后，两者间的电流关系即会达到一个平衡，不需要在两者之间加入习知的换流器等其他电路。
只要对超级电容与电池的内阻RB做适当的选择，使R1小于RB，则瞬间大电流会自动由超级电容来供应，当超级电容所储存的电能快放完时，电池会自动对超级电容充电，整个系统可以做瞬间大电流的输出，且电池可以把所储存的电能完全释放。
本发明电能储存装置的一个较佳实施例，如图6所示。在电能储存装置应用于如可携式电钻等可充电电动工具时，其负载状况多需脉冲式的大电流。当负载需要大电流的时候，由电能储存装置1中的超级电容4来供应负载一段时间，二次锂电池2则用来储存电能，当超级电容4把大部分电能放尽时，同时由二次锂电池2对超级电容4充电，以储存电能供应下一波脉冲大电流，因锂电池2并不做大电流瞬间放电，故可以增加锂电池的使用寿命。
因锂电池的能量密度较高，故电能储存装置中锂电池重量比习用的镍镉电池轻，因此本发明的电能储存装置的总功率密度(单位重量下所输出的功率)将提高许多。
本行业中一般技术人员均知，该电能储存装置中的电池可包括各种形式的二次电池，以及一般不可充电式电池。
考虑电池的保护，本发明的另一较佳实施例中还可包含一电池保护控制机构10以及一与该锂电池2串联的双向电流电源开关11，该等机构可保护锂电池2不会受到过度充电。当电能储存装置1在充电时，若有任何锂电池2的电压超过额定，控制机构10便会送出信号至双向电流电源开关1，将充电电流的路径切断，使锂电池2不再受到充电；再者，该等装置还可保护锂电池2不会受到过度放电，当电能储存装置在放电时，若有任何锂电池2的电压低过额定电压，控制机构10会送出信号至双向电流电源开关11，将放电电流的路径切断，使锂电池2不再放电；以及，该等机构还可保护锂电池不会在大放电电流下操作，当电能储存装置，在放电时，若放电电流超过额定，控制机构10会送出信号至双向电流电源开关11，将放电电流的路径切断，使锂电池不再放电。
考虑超级电容4的保护，本发明的较佳实施例还包含一齐纳二极管9与自复保险丝12，其保护超级电容4不会在过电压情况下操作若超级电容4的电压超过齐纳二极管9的额定电压时，齐纳二极管9将会导通，使电流均流经齐纳二极管9，以确保超级电容4不会在过电压情况下操作；以及，其保护电能储存装置1不会在过电流情况下操作自复保险丝12为一种正温度系数的电阻，当电能储存装置1的电流太大时，自复保险丝12的温度将会升高，电阻变得很大而把电流切断，如此可确保电能储存装置不会在过电流及过温度情况下操作。
上述的电能储存装置，可以电钻转动螺丝旋出以及旋入木板，测量电池的电压及电流以波形。
一、实验用仪器及工具如下KUMAS KD3643A DC7.2V可携式电钻18650电池ELNA 2.5V 50F超级电容TEKTRONIX电流探测器YOGOGAWA震荡器观测仪连接方式使用如图6所示的连接方式，电池组由两个18650电池串接而成，电容组由三个2.5V、50F的超级电容串接而成，并加入保护机构。
二、实验结果如下A．螺丝旋出转动螺丝出来消耗的电流波形如图7所示，其中，滤波器的滤波为无，带宽为全部；偏置在第一信道为0、00V，在第二信道为0、00V；记录长度基本为10K，其图象放大为10K；触发器的模式为单个，其打字在第二信道边，延迟为0毫微秒，间距为最小；时间间隔为每格0.5秒，上半图为电能储存装置电压，每格5伏特；下半图为整个电能储存装置的输出电流，每格10安培。电流在开始时为最高，当螺丝已经转出来时，所需要的转矩已经降低，因此消耗电流越来越小。
锂电池2的输出电流如图8所示，其中，滤波器的滤波为无，带宽为全部；偏置在第一信道为0、00V，在第二信道为0、00V；记录长度基本为10K，其图象放大为10K；触发器的模式为单个，其打字在第二信道边，延迟为0毫微秒，间距为最小；时间间隔为每格0.5秒，上半图为电能储存装置的电压(每格5伏特)；下半图为锂电池2的输出电流(每格10安培)。可看出锂电池2的输出电流平均不到2A，表明超级电容4供应了大部分整个电能储存装置1的输出电流。
B．螺丝旋入转动螺丝进去消耗的电流波形如图9所示，其中，滤波器的滤波为无，带宽为全部；偏置在第一信道为0、00V，在第二信道为0、00V；记录长度基本为10K，其图象放大为10K；触发器的模式为单个，其打字在第二信道边，延迟为0毫微秒，间距为最小；时间间隔为每格0.5秒，上半图为电能储存装置1的电压，每格5伏特；下半图为整个电能储存装置1的输出电流，每格10安培。一开始要启动电钻的马达，因此有一瞬间起始大电流，之后当螺丝要转进去时，所需要的转矩越来越大，因此消耗电流越来越大。
锂电池2的输出电流如图10所示，其中，滤波器的滤波为无，带宽为全部；偏置在第一信道为0、00V，在第二信道为0、00V；记录长度基本为10K，其图象放大为10K；触发器的模式为单个，其打字在第二信道边，延迟为0毫微秒，间距为最小；时间间隔为每格0.5秒，上半图为电能储存装置1的是电压；每格5伏特，下半图为锂电池2的输出电流，每格10安培。可看出锂电池2的输出电流平均不到2A，显示超级电容供应了大部分整个电能储存装置1的输出电流。
权利要求
1.一种电能储存装置，包含有至少一个电池，至少一个超级电容，及一电能输出端，其特征在于该超级电容电压被充足时的内阻小于该电池的内阻，该超级电容以并联的方式与该电池相连接。
2.如权利要求1所述的电能储存装置，其特征在于该电池由多个电池彼此串联组成。
3.如权利要求1或2所述的电能储存装置，其特征在于该电池为锂电池。
4.如权利要求1或2所述的电能储存装置，其特征在于该电池为镍镉电池。
5.如权利要求1或2所述的电能储存装置，其特征在于该电池为镍锌电池。
6.如权利要求1或2所述的电能储存装置，其特征在于该电池为镍氢电池。
7.如权利要求1所述的电能储存装置，其特征在于还包含一电池保护控制机构及一与该电池串联的双向电流电源开关。
8.如权利要求1所述的电能储存装置，其特征在于还包含一与该超级电容并联的齐纳二极管。
9.一种应用电能储存装置的工具，包含一工具本体；以及一用以供应电能予该工具本体的电能储存装置，该电能储存装置包含至少一个电池、至少一个超级电容及一电能输出端，其特征在于该超级电容于电压被充足时的内阻小于该电池的内阻，该超级电容以并联的方式与该电池池相连接。
10.如权利要求9所述的应用电能储存装置的工具，其特征在于该电池由多个电池彼此串联组成。
11.如权利要求9或10所述的的应用电能储存装置工具，其特征在于该电池为锂电池。
12.如权利要求9或10所述的的应用电能储存装置的工具，其特征在于该电池为镍镉电池。
13.如权利要求9或10所述的应用电能储存装置的工具，其特征在于该电池为镍锌电池。
14.如权利要求9或10所述的应用电能储存装置的工具，其特征在于该电池为镍氢电池。
15.如权利要求9所述的应用电能储存装置的工具，其特征在于还包含一电池保护控制机构及一与该电池串联的双向电流电源开关。
16.如权利要求9所述的应用电能储存装置的工具，其特征在于还包含一与该超级电容并联的齐纳二极管。
全文摘要
一种电能储存装置及应用电能储存装置的工具,该电能储存装置包含:至少一个电池;至少一个超级电容,其电压被充足时的内阻小于该电池的内阻,该超级电容以并联的方式与该电池相连接;以及一输出端,用以输出电能。由此,该超级电容为瞬间大电流输出的主要电能供应者,该电池用以产生电能供应至该超级电容,并于大电流输出时作为次要的电能供应者,该电池与该超级电容的并联之间不需要换流器或限流电阻。
文档编号H02J7/00GK1302108SQ9912737
公开日2001年7月4日 申请日期1999年12月29日 优先权日1999年12月29日
发明者王培仁, 黄舜明, 吴伟臣 申请人:兴能高科技股份有限公司