TW201008073A - Fast charger for super-capacitor - Google Patents

Description

201008073 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以給一超級電容器充電之方法及設備。 【先前技術】 在目前的日常生活中’電池係廣泛使用於提供能量至消 費性產品（尤其係針對可攜式產品）。其中，可再充電式電 池（包括NiCd、NiMh、Li離子及鉛酸電池）因其可再充電性 而較普遍。但是，此等可再充電電池仍具有數個缺點。首 ❹ 先’ 可再充電#環係有限的。例如，NiCd電池之可再充電 循環一般係具有記憶體效應的1〇〇〇個循環，NiMH電池係 具有一較高自我放電速率的5〇〇個循環’ Li離子電池係3〇〇 至500個循環。其次，所需要的充電時間相當長。一般需 要一至數小時來給一電池完全充電。此限制遷移率，尤其 係對於可攜式裝置而言，因為在電池與一固定能量來源之 間需要連接。 已開發出具有明顯優點（尤其係接近無限的再充電循環 ® 及瞬時充電能力）之另一類之能量儲存器，即超級電容 器。例如’一超級電容器具有多於500,000個再充電循 -環，對於每一充電僅需要數秒鐘至數分鐘。 但是，在與一充電器斷開之際的快速電壓降現象係超級 電容器之缺陷。 一超級電容器一般係複數個電容器之一並

器之主要串聯電阻， -器’及〇，及！，…，及及p係該超級電容 及s係該充電器與該超級電容器之間的 133642.doc 201008073 接觸電阻，而r係藉由一電壓 器之測量電壓。橫跨該超級電容^出的橫跨該超級電容 電谷器之電壓可以係計算為： K-c = v-i*Rt (1) 而橫跨-内部電容器之例如ς)可以係計算為： 從等式（1)及（2)，容易知道橫跨 價跨该超級電容器及内部電容 器之真實電屋應為匕c、 係由C0, Cl，…，Cw之電等容及::際的儲存能量 2 €夺及對應電壓Fc0, Fcl，...，

Φ

Vcn洪定。 -般而言，可藉由恆定電流或值定功率來給該超級電容 器充電。肖充電在測*出的電計連到一額定電壓。之 際停止。圖2繪示該電壓降現象。首先，由於接觸電阻& 之存在，因此在充電期間在充電停止之際發生一第一電堡 降^。其次，由於作為過量離子濃度的平衡之擴散程序， 因此在該充電停止後之一短暫週期中發生一第二快速電壓 降為更好地瞭解，下面說明該擴散程序。當正在給一 超級電容器充電時’在該碳表面附近發生至少兩個程序。 該第一程序係在該碳表面處形成雙層之離子數目之一增 加。該第二程序係在該碳表面處或其附近離子濃度之一局 部增加，此與該雙層並不直接相關。當該超級電容器與該 充電電路斷開並經歷自我放電時，則除因該雙層中的缺陷 與雜質所致之電荷洩漏外，該雙層電荷將停留於適當位置 但在該碳表面附近的過量離子濃度將擴散至一平衡狀態。 該等離子中的某些離子將擴散進該電解質，而其他離子將 133642.doc 201008073 擴散至該碳表面，在該碳表面處將減少該碳中的過量電荷 之數目，而因此，減小該電容器之開放電路電壓。 由於F/與匕之存在，因此橫跨該超級電容器及其内部電 容器的實際電壓無法達到該額定電壓，其進一步導致 真實1的儲存能量係小於該超級電容器之一額定能量 。當總電壓降約1〇%時，儲存的能量比額定能 量少約19%。 因此’需要改善給超級電容器充電之充電效率。 _ 【發明内容】 依據本發明之一具體實施例，一目的係改善給一超級電 容器充電之充電效率。 依據一具體實施例，提供一種用以給一超級電容器充電 之方法。該方法包括下列步驟：藉由一第一電流給該超級 電容器充電；測量該超級電容器之一電壓；當該測量出的 電壓達到一預律定電壓值時停止該第一電流；監視該超級 電容器之一電壓變化；當該受監視的電麼變化在一預律定 週期内超過一預律定臨限時藉由一第二電流給該超級電容 器充電。 ' 該方法之基本概念係使用兩個不同電流於兩個不同階段 給該超級電容器充電；特定言之該第二電流係小於該第一 電流。本發明者瞭解到，該充電電流越大’則在一持續時 間内該第一電壓降匕越大，且該第二電壓降G越大。為保 持該超級電容器"瞬時充電能力"之優點，使用該較大的第 一電流來縮短達到該預律定電壓值（例如’該額定電壓）之 133642.doc 201008073 充電時間。當橫跨該超級電容器之電壓變化在該預律定週 期内超㈣預律定臨限時，使用該較小的第二電流來給該 超級電谷器再充電以達到該預律定電壓值。由於該第二電 流相當小，因此橫跨該接觸電阻以電壓（其後係作為該 第-電壓降[而出現）相當有限’而擴散程序之擴散速度相 當緩慢，從而進一步導致該第二電壓降匕相當有限。同 - 冑’由於受監視的„變化遠遠小於該預律定電屋值因 此使用該第二電流之所需充電時間相當短。因此，藉由使 φ ㈣二相充電方法，可有效而高效率地給該超級電容器充 電’尤其係以充電電壓及儲存能量之形式。 在一具體實施例中，該預律定臨限係在該預律定電壓值 的4%至20%(較佳的係8。/0)之範圍内。 在一具體實施例中，該預律定週期係在〇13至53之範圍 内，較佳的係1 s。 在一具體實施例中，該等第一與第二電流之比率係在5 至15之範圍内，較佳的係1〇。 ❹ 參考下文中說明的具體實施例將可顯現並闞明本發明之 此等及其他態樣、特徵及/或優點。 【實施方式】 依據一具體實施例’為改善充電效率，提供一種稱為二 相充電策略之充電方法。該方法30〇包括一第一步驟 S3 10，其中藉由一第一電流來給該超級電容器充電。在該 充電程序期間，測量橫跨該超級電容器之電麼。在另一步 驟S320中，判定測量出的電壓是否達到一預律定電壓值。 133642.doc 201008073 該預律定電壓值可以係該超級電容器之額定電壓；亦可以 係大於該額定電壓之一電壓而存在縮短該超級電容器的使 用期之風險’或係低於該額定電壓之一電壓而存在延長該 使用期之益處。若測量出的電壓係低於該預律定電壓值， 則該充電以該第一電流繼續。若該測量電壓達到或大於該 預律定電壓值’則在步驟S330，該充電停止，而同時在一 預律定週期内不斷測量橫跨該超級電容器之電壓。決定該 預律定週期之因素可以係該第一電流之值、該超級電容器 瘳 之電容、容忍電壓降等。在步驟S340中，判定測量出的電 壓變化在一預律定週期内是否超過一預律定臨限。該測量 出的電壓變化係該預律定電壓值與橫跨該超級電容器之當 前測量出的電壓之間的變化。該預律定臨限及該預律定週 期受使用者對該超級電容器的不足充電之容忍及充電所耗 用時間之影響。若該使用者對該充足充電狀態不太敏感， 則該預律定臨限可能較大，否則其應較小。在一具體實施 例中，該預律定臨限可在該預律定電壓值的4%至20%之範 ® 圍内’較佳的係8%。例如，若該預律定電壓值係2 5 v， 則該預律定臨限較佳的可以係0.2 V。該預律定監視週期 • 可在0, Is至10秒鐘之範圍内，較佳的係ls，其保持超級電 容器之"瞬時充電能力"之優點。若受監視的電壓變化在該 預律定週期内超過該預律定臨限，則其進入步驟S35〇以藉 由一第一電流給該超級電容器再充電。該第一電流與該第 一電流之比率可以係5至15之範圍’較佳的係1〇。若在該 預律定週期内’該受監視的電壓變化不達到該預律定臨 133642.doc 201008073 限，則該充電程序在步驟S360中停止。在該第二充電相位 中，亦測量橫跨該超級電容器之電壓。當在步驟S355中經 再充電的超級電容器達到該預律定電壓值時，該充電程序 停止。 可將該二相充電策略延伸至三相或四相。例如，對於需 要一相當大的電流來給其充電之一具有一很大電容的超級 - 電容器而言’可使用三相充電方法。其中，在該第二充電 階段中，一相當大的第二電流引起對應的快速擴散程序， φ 此快速擴散程序進一步引起一相當大的電壓降匕。因此， 當該超級電容器經再充電而達到該預律定電壓降時，仍需 要類似於S330及S340之步驟來判定受監視的電壓變化在該 預定週期内是否超過該預律定臨限。若如此，則藉由小於 該第二充電電流之一第三電流起始一第三充電相位。 圖4解說依據一具體實施例用以給一超級電容器充電之 一充電器之一方塊圖。該充電器400包括一第一充電模組 410、一第二充電模組420、一電壓計430及一處理器440。 ® 其中，該第一充電模組410經組態用以藉由一第一電流給 該超級電容器480充電，該第二充電模組420經組態用以藉 由一第二電流給該超級電容器480充電，該電壓計430經組 態用以測量該超級電容器480之一電壓，而該處理器440經 組態用以將在一預律定週期内該超級電容器480之一電壓 變化與一預律定電壓臨限相比較，並選擇該第一充電模組 410與該第二充電模組420之一者來給該超級電容器4 80充 電。視需要’該充電器400可進一步包括一多工器450，該 133642.doc •10· 201008073 多工器450經組態用以對來自該第一充電模組41〇與該第二 充電模組420的介面進行多工，以便將一單一介面提供給 該超級電容器480 »還可以將該電壓計43〇與該超級電容器 480之間的介面連同該等兩個充電模組與該超級電容器48〇 之間的介面進行多工。 圖5解說依據一具體實施例用以給一超級電容器充電之 、 一充電器之一方塊圖。該充電器5〇〇包括一充電模組510、 一電壓計520及一控制器53〇。其中，該充電模組510經組 Φ 態用以依據一所接收的控制信號來調適充電電流，以給一 超級電容器580充電，該電壓計52〇經組態用以測量該超級 電容器580之一電壓，而該控制器53〇經組態用以將在一預 律定週期内該超級電容器580之一電壓變化與一預律定電 壓臨限相比較’並輸出該控制信號來控制選擇一對應充電 電流之充電模組5 10。在該第一充電階段中，該控制器53〇 可輸出一控制信號來通知該充電模組510藉由一第一電流 給該超級.電容器580充電。而在該第二充電階段中，亦即 ^ 測量出的電壓變化在該預定週期内超過該預律定臨限，該 控制器530傳送另一控制信號來通知該充電模組51〇藉由一 第二電流給該超級電容器充電。 熟習此項技術者會明白，在本發明之各項具體實施例中 提供的相關方法及設備中可進行各種修改而不脫離本發明 之精神或範疇。因此，本發明之範疇應受隨附申請專利範 圍限制。 前文所作之評注表明參考圖式之詳細說明解說而非限制 133642.doc 201008073 本發明。有諸多替代方案歸屬於隨附申請專利範圍之範鳴 内。請求項令的任何參考符號不應係解釋為限制該請求 項。用語"包括"並不排除在一請求項中所列之其他元件或 步驟之外的元件或步驟之存在。元件或步驟前之冠詞"一" 或•'一個"並不排除複數個此類元件或步驟之存在。 【圖式簡單說明】 為了更全面地瞭解本發明及其中之優點，參考以下結入 附圖的說明，其中： α ❹ 圖1解說一超級電容器之一充電模型； 圖2解說電壓降之現象； 圖3解說依據本發明之一具體實施例之一所建議方法 流程圖； 圖4解說依據本發明之一具體實施例之一所建議充電器 之方塊圖； 圖5解說依據本發明之一具體實施例之一所建議充電器 之方塊囷。 ® 【主要元件符號說明】 400 充電器 410 第一充電模組 420 第二充電模組 430 電壓計 440 處理器 450 多工器 480 超級電容器 133642.doc -12- 201008073 500 充電器 510 充電模組 520 電壓計 530 控制器 580 超級電容器 C〇，Ci，…及 CM 電容器 R〇, R\, ..., R„^lRp 超級電容器之串聯電阻 Rs 該充電器與該超級電容器之間的接 翁 觸電阻 133642.doc -13-

Claims (1)

1. 201008073 十、申請專利範面： κ 一種用以給一超級電容器充電之方法，該方法包括以下 步驟： a) 利用一第一電流給該超級電容器充電； b) 測量該超級電容器之一電壓； ' c)當該測量出的電壓達到一預律定電壓值時停止該第 一電流； d) ❿ e) 監视該超級電容器之一電壓變化； 當該受監視的電壓變化在一預律定週期内超過一預 律定臨限時，利用一第二電流給該超級電容器充 電。 2.如凊求項丨之方法，其進一步包括以下之一步驟： f)當該測量出的電壓達到該預律定電壓值時停止該第 二電流。 3如請求項1之方法，其中該預律定週期係在0.1s至10s之 範圍内。 參4.如明求項3之方法，其中該預律定週期較佳的係5s。 5.如4求項丨之方法，其中該第一電流與該第二電流之比 率係在5至15之範圍内。 6’如請求項5之方法，其中該第—電流與該第二電流之該 比率較佳的係1 〇 » 如请求項1之方法，其中該預律定臨限與該預律定電壓 8 比率係、在4%〜2G%之1^圍内，而—較佳值係8%。 8·如請求項7$古、土 ^ 万法，其中該預律定臨限與該預律定電麼 133642.doc 201008073 值之該比率較佳的係8°/〇。 9. 一種用以給一超級電容器充電之充電器，該充電器包 括： 一第一充電模組（410)，其經組態用以利用一第一電流 給該超級電容器（480)充電； '一第二充電模組（420)，其經組態用以利用一第二電流 ‘給該超級電容器充電； 一電壓計（430)，其經組態用以測量該超級電容器之一 0 電壓； 一處理器（440) ’其經組態用以將在一預律定週期内該 超級電容器之一電壓變化與一預律定電壓臨限相比較， 並選擇該第一充電模組（410)與該第二充電模組（420)之 一者來給該超級電容器充電。 10. 如請求項9之充電器，其進一步包括： 一多工器（450)，其經組態用以將來自該第一充電模組 與該第二充電模組之該等介面多工，以便將一單一介面 提供給該超級電容器。 11. 一種用以給一超級電容器充電之充電器，該充電器包 括： 充電模組（5 1 0)’其經組態用以依據一所接收的控制 信號來調適充電電流以給該超級電容器（580)充電； 一電壓計（520)，其經組態用以測量該超級電容器之_ 電壓；以及 控制器（530)，其經組態用以將在一預律定週期内該 133642.doc -2- 201008073 超級電容器之一電壓變化與一預律定電壓臨限相比較， 並輸出該控制信號以控制選擇一對應充電電流之該充電 模組（510)。

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