专利名称：基于超级电容器的后备储能模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种储能设备，特别是涉及一种基于超级电容器的后备储能模块。
背景技术：
随着科学的发展和社会的进步，对于例如计算机、医疗器械、通信设备之类的电气设备，一方面需要向其提供高质量、干扰少的交流电源，另一方面也要求当正常的市网供电中断后，能够立即启动后备电源系统向该电气设备提供电源一段时间(一般为几秒至几十分钟)，维持电气设备继续工作一段时间，以执行数据保存、正常关机等相关操作，这样可以避免突然断电时导致电气设备的数据丢失以及非正常关机对电气设备的损坏。为了满足这两方面的要求，已研发了多种基于容量为法拉级的超级电容器(Supercapacitor orUltracapacitor)的后备储能电源应用于供电系统。传统的后备储能电源一般使用铅酸蓄电池作为储能元件，但铅酸蓄电池存的应用可靠性和稳定性都不高，难以满足长时间、稳定工作的需要。特别是，铅酸蓄电池的使用寿命(包括充放电寿命和浮充电寿命)短、大电流放电特性差、维护工作量大、使用环境要求闻等。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于超级电容器的储能模块，能够提供稳定的输出电源。根据本发明的一个方面，提供一种基于超级电容器的后备储能模块，包括可充电的超级电容器组，包括多个串联连接的子电容器组；充电器，被构造成为所述超级电容器组提供充电电流；以及均衡模块，被构造成使所述超级电容器组中的具有最高电压的第一子电容器组对具有最低电压的第二子电容器组放电，直至第一子电容器组和第二子电容器组的电压大致相同。在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所述均衡模块包括多个电压检测器，被构造成检测每个子电容器组两端的电压；控制器，被构造成根据所述电压检测器检测的电压识别出具有最高电压的第一子电容器组和具有最低电压的第二子电容器组；以及放电单元，被构造成根据来自所述控制器的驱动信号将所述第一子电容器组和第二子电容器组电连接，以使所述第一子电容器组对所述第二子电容器组放电。在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所述放电单元包括第一切换开关，被构造成接受所述控制器的驱动信号以执行切换操作；以及第一变换器，被构造成根据所述第一切换开关的切换操作使所述第一子电容器组通过所述第一变换器对所述第二子电容器组放电。上述基于超级电容器的后备储能模块进一步包括第二切换开关，所述充电器的输入端通过所述第二切换开关与市电电源或直流电源电连接。上述基于超级电容器的后备储能模块进一步包括连接至所述超级电容器组的输出端的第三变换器，以产生直流输出电源。上述基于超级电容器的后备储能模块进一步包括连接至所述超级电容器组的输出端的第二变换器和第三切换开关，由所述超级电容器组输出的直流电压经所述第二变换器转换成交流电压之后经第三切换开关输出交流电源。上述基于超级电容器的后备储能模块进一步包括连接在所述第二切换开关和第三切换开关之间的稳压器。在上述基于超级电容器的后备储能模块中，每个子电容器组由至少一个超级电容器通过串联、并联和串并联的方式组合而成。在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所述超级电容为C/C对称型超级电容器、C/Ni (OH)2F对称型超级电容器、C/LiMn204不对称型超级电容器、锂离子超级电容器、和C/Pb02不对型超级电容器中的一种。在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所述充电器对所述超级电容器组充电的模式包括对所述超级电容器组以小于或等于IOA电流进行慢速充电；以及对所述超级电容器组以大于IOA电流进行快速充电。上述基于超级电容器的后备储能模块进一步包括用于与其它储能模块串联或并联连接的扩展接口。根据本发明的基于超级电容器的后备储能模块，可以根据应用场合的要求，设计成不同的后备储能模块，来满足不同放电功率、不同放电持续时间的要求；本发明将长寿命、大电流充放电特性好的超级电容器应用于后备储能模块中，可以确保该储能模块作为后备电源长期、稳定、高效地工作。
本发明将参照附图来进一步详细说明，其中图1是根据本发明的示例性实施例的储能模块的原理方框图；图2是图1中所示的均衡模块的示例性实施例的原理方框图；以及图3是图2中所示的均衡模块的执行均衡过程时的原理方框图。
具体实施例方式虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充分描述本发明，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施例。本发明的储能模块可应用于例如计算机、医疗器械、通信设备、家用电器之类的电气设备，当正常的市网供电中断后，能够立即启动作为后备电源系统的本发明的储能模块向该电气设备提供电源，维持电气设备继续工作一段时间，以执行数据保存、正常关机等相关操作。图1是根据本发明的示例性实施例的储能模块的原理方框图，图2是图1中所示的均衡模块的示例性实施例的原理方框图，以及图3是图2中所示的均衡模块的执行均衡过程时的原理方框图。该储能模块，包括可充电的超级电容器组，包括多个串联连接的子电容器组Cp C2、Clri和Cn ;充电器，被构造成为所述超级电容器组提供充电电流；以及均衡模块，被构造成使多个超级电容器组Cp C2, Clri和Cn中的具有最高电压的第一子电容器组(例如第i个电容器组Ci)对具有最低电压的第二子电容器组(例如第j个电容器组cp放电，直至第一子电容器组Ci和第二子电容器组的电压大致相同。在本发明基于超级电容器的后备储能模块的进一步实施例中，均衡模块包括例如电压表之类的多个电压检测器，被构造成检测每个子电容器组两端的电压；控制器，该控制器接收每个电压检测器检测的电压，并根据所述电压检测器检测的电压识别出具有最高电压的第一子电容器组Ci和具有最低电压的第二子电容器组Cy以及放电单元，被构造成根据来自所述控制器的驱动信号将第一子电容器组Ci和第二子电容器组Cj电连接，以使所述第一子电容器组Ci对所述第二子电容器组Cj放电。在本发明中，超级电容器(Supercapacitor or Ultracapacitor)的容量为法拉级。根据超级电容器容量的大小，每个子电容器组可以由至少一个超级电容器通过串联、并联和串并联的方式组合而成。更进一步地，放电单元包括第一切换开关，被构造成接受所述控制器的驱动信号以执行切换操作；以及第一变换器，被构造成根据所述第一切换开关的切换操作使所述第一子电容器组通过所述第一变换器对所述第二子电容器组放电。第一变换器为DC/DC(直流-直流)变换器。可以理解，在本发明的串联连接的子电容器组C1X2Xlri和Cn中，第一子电容器组并不一定是第一个子电容器组C1，而可以是任一一个子电容器组Ci ;同样地，第二子电容器组并不一定是第二个子电容器组C2,而可以是除第一子电容器组Ci之外的任一一个子电容器组Cr在本发明的基于超级电容器的后备储能模块中，经充电器对超级电容器组进行充电之后，只要通过电压检测器检测出存在充电电压不相同的两个子电容器组，平衡模块中的控制器就会控制放电单元在储能模块内部实现这两个子电容器组之间的充放电操作，以使得这两个子电容器组的电压相等。这样，平衡模块可以在储能模块内部实现各个子电容器组之间的电压平衡，从而使储能模块输出稳定的供电电源。本发明的基于超级电容器的储能模块进一步包括第二切换开关，所述充电器的输入端通过所述第二切换开关与例如交流电压为220伏的市电电源或直流电源电连接，这样本发明的储能模块即可以采用市电电源也可以采用直流电源进行充电。本发明的基于超级电容器的储能模块进一步包括连接至所述超级电容器组的输出端的第三变换器，以产生直流输出电源。第三变换器为DC/DC(直流-直流)变换器。另夕卜，超级电容器组的输出端还连接有第二变换器和第三切换开关，由所述超级电容器组输出的直流电压经所述第二变换器转换成交流电压之后经第三切换开关输出交流电源。第二变换器为DC/AC(直流-交流)变换器。这样，本发明的储能模块可以根据实际需要向电气设备提供直流或者交流电源。进一步地，在所述第二切换开关和第三切换开关之间连接稳压器，以使储能模块输出稳定的电压。在本发明的储能模块中，所述超级电容为C/C对称型超级电容器、C/Ni (OH)2不对称型超级电容器、C/LiMn204不对称型超级电容器、锂离子超级电容器和C/Pb02不对型超级电容器中的一种。充电器对所述超级电容器组充电的模式包括对所述超级电容器组以小于或等于IOA电流进行慢速充电的慢速模式；以及对所述超级电容器组以大于IOA电流进行快速充电的快速模式。根据后备储能模块的放电功率及持续时间的不同，可选用相应的超级电容器。若放电功率高、持续时间在几十秒钟之内的，可选用C/C对称型超级电容器；若放电功率中等、持续时间在几十分钟之内，可选用C/Ni (OH)2不对称型超级电容器；若放电功率低、持续时间在几小时至数十小时之内，可选用CzliMn2O4不对称型超级电容器单体、锂离子超级电容器和C/Pb02不对型超级电容器。本发明的基于超级电容器的储能模块进一步包括用于与其它储能模块串联或并联连接的扩展接口，通过这种扩展接口可以将多个储能模块串联或者并联起来。实例I如图1所示，在超级电容为C/C对称型超级电容器的情况下，可以将18只C/C对称型超级电容串联组合起来形成超级电容器组，即每个子电容器组包括一个C/C对称型超级电容器。每个C/C对称型超级电容的额定电压为2. 7V，静电容量为3000F(法拉)。在这种结构的储能模块中，均衡模块能将每个超级电容器的实际电压偏离所有超级电容器的平均电压的偏差值控制在±80mV以内，将充电器调节为快速充电模式，充电电流为200A，充电时间只需20秒。这样，基于C/C对称型超级电容器的储能模块的具体参数如下表I所示
权利要求
1.一种基于超级电容器的后备储能模块，包括 可充电的超级电容器组，包括多个串联连接的子电容器组； 充电器，被构造成为所述超级电容器组提供充电电流；以及 均衡模块，被构造成使所述超级电容器组中的具有最高电压的第一子电容器组对具有最低电压的第二子电容器组放电，直至第一子电容器组和第二子电容器组的电压大致相同。
2.如权利要求1所述的基于超级电容器的后备储能模块，其中，所述均衡模块包括 多个电压检测器，被构造成检测每个子电容器组两端的电压； 控制器，被构造成根据所述电压检测器检测的电压识别出具有最高电压的第一子电容器组和具有最低电压的第二子电容器组；以及 放电单元，被构造成根据来自所述控制器的驱动信号将所述第一子电容器组和第二子电容器组电连接，以使所述第一子电容器组对所述第二子电容器组放电。
3.如权利要求2所述的基于超级电容器的后备储能模块，其中，所述放电单元包括 第一切换开关，被构造成接受所述控制器的驱动信号以执行切换操作；以及 第一变换器，被构造成根据所述第一切换开关的切换操作使所述第一子电容器组通过所述第一变换器对所述第二子电容器组放电。
4.如权利要求1所述的基于超级电容器的后备储能模块，进一步包括第二切换开关，所述充电器的输入端通过所述第二切换开关与市电电源或直流电源电连接。
5.如权利要求4所述的基于超级电容器的后备储能模块，进一步包括连接至所述超级电容器组的输出端的第三变换器，以产生直流输出电源。
6.如权利要求4所述的基于超级电容器的后备储能模块，进一步包括连接至所述超级电容器组的输出端的第二变换器和第三切换开关，由所述超级电容器组输出的直流电压经所述第二变换器转换成交流电压之后经第三切换开关输出交流电源。
7.如权利要求6所述的基于超级电容器的后备储能模块，进一步包括连接在所述第二切换开关和第三切换开关之间的稳压器。
8.如权利要求1所述的基于超级电容器的后备储能模块，其中，每个子电容器组由至少一个超级电容器通过串联、并联和串并联的方式组合而成。
9.如权利要求8所述的基于超级电容器的后备储能模块，其中，所述超级电容为C/C对称型超级电容器、C/Ni (OH)2不对称型超级电容器、C/LiMn204不对称型超级电容器、锂离子超级电容器、和C/Pb02不对型超级电容器中的一种。
10.如权利要求1所述的基于超级电容器的后备储能模块，其中，所述充电器对所述超级电容器组充电的模式包括对所述超级电容器组以小于或等于IOA电流进行慢速充电；以及对所述超级电容器组以大于IOA电流进行快速充电。
11.如权利要求1所述的基于超级电容器的后备储能模块，进一步包括用于与其它储能模块串联或并联连接的扩展接口。
全文摘要
一种基于超级电容器的后备储能模块，包括可充电的超级电容器组，包括多个串联连接的子电容器组；充电器，被构造成为所述超级电容器组提供充电电流；以及均衡模块，被构造成使所述超级电容器组中的具有最高电压的第一子电容器组对具有最低电压的第二子电容器组放电，直至第一子电容器组和第二子电容器组的电压大致相同。根据本发明的基于超级电容器的后备储能模块，可以根据应用场合的要求，设计成不同的后备储能模块，来满足不同放电功率、不同放电持续时间的要求；本发明将长寿命、大电流充放电特性好的超级电容器应用于后备储能模块中，可以确保该储能模块作为后备电源长期、稳定、高效地工作。
文档编号H02J15/00GK103066704SQ201110317559
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者许检红, 杨恩东, 廖书田, 龚正大, 钱辉, 颜亮亮 申请人:上海奥威科技开发有限公司