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TWI472120B - 用於對超級電容器充電之方法及充電器 - Google Patents

用於對超級電容器充電之方法及充電器 Download PDF

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TWI472120B TW97129963A TW97129963A TWI472120B TW I472120 B TWI472120 B TW I472120B TW 97129963 A TW97129963 A TW 97129963A TW 97129963 A TW97129963 A TW 97129963A TW I472120 B TWI472120 B TW I472120B
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Description

用於對超級電容器充電之方法及充電器
本發明係關於用以給一超級電容器充電之方法及設備。
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。首先，可再充電循環係有限的。例如，NiCd電池之可再充電循環一般係具有記憶體效應的1000個循環，NiMH電池係具有一較高自我放電速率的500個循環，Li離子電池係300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聯連接。圖1解說超級電容器之一範例性充電模型，其中C 0 ,C 1 ,...及C n 係電容器，R 0 ,R 1 ,...,R n 及R p 係該超級電容器之主要串聯電阻，R s 係該充電器與該超級電容器之間的 接觸電阻，而V 係藉由一電壓計測量出的橫跨該超級電容器之測量電壓。橫跨該超級電容器之電壓可以係計算為：V s－c ＝V －i *R s (1)而橫跨一內部電容器之電壓(例如C 0 )可以係計算為：V c 0 ＝V －i *R s －i 1 *R 0 (2)從等式(1)及(2)，容易知道橫跨該超級電容器及內部電容器之真實電壓應為V s－c 、V c 0 等。而實際的儲存能量()係由C 0 ,C 1 ,...,C n 之電容及對應電壓V c 0 ,V c 1 ,...,V cn 決定。
一般而言，可藉由恆定電流或恆定功率來給該超級電容器充電。該充電在測量出的電壓V 達到一額定電壓V rated 之際停止。圖2繪示該電壓降現象。首先，由於接觸電阻R s 之存在，因此在充電期間在充電停止之際發生一第一電壓降V f 。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V d 。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 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V f 與V d 之存在，因此橫跨該超級電容器及其內部電容器的實際電壓無法達到該額定電壓V rated ，其進一步導致真實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10%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。
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定義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；當該受監視的電壓變化在一預定義週期內超過一預定義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，則在一持續時間內該第一電壓降V f 越大，且該第二電壓降V d 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定義電壓值(例如，該額定電壓)之充電 時間。當橫跨該超級電容器之電壓變化在該預定義週期內超過該預定義臨限時，使用該較小的第二電流來給該超級電容器再充電以達到該預定義電壓值。由於該第二電流相當小，因此橫跨該接觸電阻R s 之電壓(其後係作為該第一電壓降V f 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V d 相當有限。同時，由於受監視的電壓變化遠遠小於該預定義電壓值，因此使用該第二電流之所需充電時間相當短。因此，藉由使用該二相充電方法，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，該預定義臨限係在該預定義電壓值的4%至20%(較佳的係8%)之範圍內。
在一具體實施例中，該預定義週期係在0.1s至5s之範圍內，較佳的係1s。
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之範圍內，較佳的係10。
參考下文中說明的具體實施例將可顯現並闡明本發明之此等及其他態樣、特徵及/或優點。
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300包括一第一步驟S310，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壓。在另一步驟S320中，判定測量出的電壓是否達到一預定義電壓值。 該預定義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定義電壓值，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定義電壓值，則在步驟S330，該充電停止，而同時在一預定義週期內不斷測量橫跨該超級電容器之電壓。決定該預定義週期之因素可以係該第一電流之值、該超級電容器之電容、容忍電壓降等。在步驟S340中，判定測量出的電壓變化在一預定義週期內是否超過一預定義臨限。該測量出的電壓變化係該預定義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。該預定義臨限及該預定義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，則該預定義臨限可能較大，否則其應較小。在一具體實施例中，該預定義臨限可在該預定義電壓值的4%至20%之範圍內，較佳的係8%。例如，若該預定義電壓值係2.5V，則該預定義臨限較佳的可以係0.2V。該預定義監視週期可在0.1s至10秒鐘之範圍內，較佳的係1s，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定義週期內超過該預定義臨限，則其進入步驟S350以藉由一第二電流給該超級電容器再充電。該第一電流與該第二電流之比率可以係5至15之範圍，較佳的係10。若在該預定義週期內，該受監視的電壓變化不達到該預定義臨 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定義電壓值時，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，此快速擴散程序進一步引起一相當大的電壓降V d 。因此，當該超級電容器經再充電而達到該預定義電壓降時，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內是否超過該預定義臨限。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定義週期內該超級電容器480之一電壓變化與一預定義電壓臨限相比較，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480充電。視需要，該充電器400可進一步包括一多工器450，該 多工器450經組態用以對來自該第一充電模組410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430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480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500包括一充電模組510、一電壓計520及一控制器530。其中，該充電模組510經組態用以依據一所接收的控制信號來調適充電電流，以給一超級電容器580充電，該電壓計520經組態用以測量該超級電容器580之一電壓，而該控制器530經組態用以將在一預定義週期內該超級電容器580之一電壓變化與一預定義電壓臨限相比較，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510。在該第一充電階段中，該控制器530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內超過該預定義臨限，該控制器530傳送另一控制信號來通知該充電模組510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 本發明。有諸多替代方案歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內。請求項中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。
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
500‧‧‧充電器
510‧‧‧充電模組
520‧‧‧電壓計
530‧‧‧控制器
580‧‧‧超級電容器
C 0 ,C 1 ,...及C n ‧‧‧電容器
R 0 ,R 1 ,...,R n 及R p ‧‧‧超級電容器之串聯電阻
R s ‧‧‧該充電器與該超級電容器之間的接觸電阻
為了更全面地瞭解本發明及其中之優點，參考以下結合附圖的說明，其中：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之流程圖；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圖。
(無元件符號說明)

Claims (11)

  1. 一種用以對一超級電容器充電之方法，該方法包括以下步驟：a)利用一第一電流對該超級電容器充電；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定義電壓值時停止該第一電流；d)監控該超級電容器之一電壓變化；e)當該受監控的電壓變化在一預定義期間內超過一預定義臨限時，利用一第二電流對該超級電容器充電。
  2. 如請求項1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定義電壓值時停止該第二電流。
  3. 如請求項1之方法，其中該預定義週期係在0.1s至10s之範圍內。
  4. 如請求項3之方法，其中該預定義週期較佳的係5s。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一電流與該第二電流之比率係在5至15之範圍內。
  6. 如請求項5之方法，其中該第一電流與該第二電流之該比率較佳的係10。
  7. 如請求項1之方法，其中該預定義臨限與該預定義電壓值之該比率係在4%~20%之範圍內，而一較佳值係8%。
  8. 如請求項7之方法，其中該預定義臨限與該預定義電壓 值之該比率較佳的係8%。
  9. 一種用以對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對該超級電容器(480)充電；一第二充電模組(420)，其經組態用以利用一第二電流對該超級電容器充電；一電壓計(430)，其經組態用以測量該超級電容器之一電壓；一處理器(440)，其經組態用以將在一預定義期間內該超級電容器之一電壓變化與一預定義電壓臨限相比較，並選擇該第一充電模組(410)與該第二充電模組(420)之一者來對該超級電容器充電。
  10. 如請求項9之充電器，其進一步包括：一多工器(450)，其經組態用以對來自該第一充電模組與該第二充電模組之介面進行多工，以便將一單一介面提供給該超級電容器。
  11. 一種用以對一超級電容器充電之充電器，該充電器包括：一充電模組(510)，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對該超級電容器(580)充電；一電壓計(520)，其經組態用以測量該超級電容器之一電壓；以及一控制器(530)，其經組態用以將在一預定義期間內該 超級電容器之一電壓變化與一預定義電壓臨限相比較，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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