专利名称：：超电容器的快速充电器的制作方法
技术领域：
：本发明总的涉及能量存储系统。更具体地说，本发明涉及用于对结合超电容器(ultracapacitor)的能量存储系统进行充电的方法和系统。
背景技术：
：为了有助于读者理解，提供下面的说明。不能将所提供的信息或者所引用的参考看作本发明的现有技术。在许多应用中，超电容器可以是非常好的能量源。它们与诸如电池的其它类型的能量存储系统相比具有几个优点。例如，一旦超电容器耗尽，可以以比电池明显快的速率对其再充电。在理想条件下，再充电速率可以与放电速率一样高。超电容器的现有再充电通常将恒流提供到超电容器中，以提供再充电能量。虽然这提供了恒定再充电速率，但是该速率受到再充电能量源的输出电流的限制。例如，再充电能量源可以是50伏特、20安培的直流源。将再充电电流限制到从该源输出的20安培电流。因此，所述源的输出电流电平决定将超电容器再充电到100％容量的时间。在许多情况下，理想的是实现比以该能量源的电流电平所实现的再充电速率高的再充电速率。
发明内容所公开的本发明实施例提供了一种以比上述恒流配置所允许的速率高的速率对超电容器进行再充电的系统和方法。根据一个方面，本发明提供了一种用于对功率模块充电的装置。该装置包括功率模块，包括一个或者多个超电容器；以及能量源，连接到该功率模块。能量源的正端子连接到功率模块的正端子，而能量源的负端子连接到功率模块的负端子。控制电路适于在功率模块上的电压电平升高时维持功率模块处的恒功率电平。“功率模块”可以是一组超电容器，如串联连接的22个2700法拉的超电容器。功率模块可实施为包含超电容器组的可安装于机架的(rack-mountable)封装。“超电容器”为本领域内的技术人员众所周知。超电容器还被称为双层电容器和超级电容器，但是，在此将被称为超电容器。超电容器通常包括两个集流板，每个具有对应的电极，而且被分隔物(separator)分隔。在分隔的电极上，以电荷的形式存储能量。关于超电容器的更详细内容，可参考第5,621,607号、第5,777,428号、第5,862,035号、第5,907,472号、第6,059,847号、第6,094,788号以及第6,233,135号美国专利，在此引用其全部内容供参考。在一个实施例中，控制电路包括与功率模块串联连接的脉宽调制器和电感器。脉宽调制器可控制电感器的充电电平。充电电平可对应于根据功率模块处的所需功率电平和功率模块上的瞬时电压电平的电流电平。脉宽调制器可适于将通过功率模块的电流电平限制到预定峰值电平。在一个实施例中，控制电路适于在至少部分充电时段期间提供比来自所述能量源的电流电平大的通过功率模块的电流电平。根据另一个方面，本发明提供了一种用于超电容器功率模块的恒功率充电电路。该电路包括脉宽调制器；以及电感器，与脉宽调制器和所述功率模块串联连接。脉宽调制器适于控制电感器的充电电平。根据另一个方面，本发明包括一种用于对超电容器功率模块充电的方法。该方法包括对串联连接在能量源与功率模块之间的电感器充电。电感器的充电电平被控制以实现通过功率模块的所需电流电平。在一个实施例中，控制步骤包括通过脉宽调制器来调制从能量源到电感器的电流。所需电流电平可对应于功率模块处的所需功率电平。在对功率模块充电期间，功率电平可以是恒定的。在一个实施例中，一种用于对功率模块充电的装置包括功率模块，包括一个或者多个电容器；能量源；以及控制电路，耦合到功率模块和能量源，以针对至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平高的电流电平提供给所述功率模块。控制电路可适于在功率模块上的电压电平升高时维持功率模块处的恒功率电平。控制电路可以包括与所述功率模块串联连接的脉宽调制器和电感器。脉宽调制器可以控制所述电感器的充电电平。所述充电电平可以对应于根据所述功率模块处的所需功率电平和所述功率模块上的瞬时电压电平的电流电平。电感器可适于将通过所述功率模块的电流电平限制到预定峰值电平。控制电路可适于在至少部分充电时段期间，提供比来自所述能量源的电流电平高的通过所述功率模块的电流电平。所述一个或者多个电容器可包括超电容器。所述一个或者多个电容器可以包括大于约1法拉的值。在一个实施例中，用于超电容器功率模块的恒功率充电电路包括脉宽调制器；以及电感器，与所述脉宽调制器和所述功率模块串联连接；其中所述脉宽调制器适于控制所述电感器的充电电平。所述充电电平可对应于根据所述功率模块处的所需功率电平和所述功率模块上的瞬时电压电平的电流电平。电感器可适于将通过所述功率模块的电流电平限制到预定峰值电平。控制电路可适于在至少部分充电时段期间，提供比来自所述能量源的电流电平高的通过所述功率模块的电流电平。在一个实施例中，用于对电容器功率模块充电的方法包括对串联连接在能量源与所述功率模块之间的电感器充电；以及控制所述电感器的充电电平，以实现通过所述功率模块的所需电流电平。所述控制可以包括通过脉宽调制器来调制从所述能量源到所述电感器的电流。所需电流电平可以对应于所述功率模块处的所需功率电平。在对所述功率模块充电期间，功率电平可以是恒定的。在至少部分充电时段期间，通过所述功率模块的所需电流电平可以大于来自所述能量源的电流电平。在一个实施例中，恒功率充电模块包括功率模块，包括一个或者多个电容器；能量源；电压感测电路，该电压感测电路适于感测能量源的电压，而且在感测到该电压时，输出信号；以及控制电路，其适于针对恒功率充电模块的至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平和所述信号高的电流电平提供给所述功率模块。所述一个或者多个电容器可以包括约1法拉或者以上的电容。在一个实施例中，恒功率充电模块包括一个或者多个电容器；能量源装置，用于提供信号；以及控制电路装置，用于针对恒功率充电模块的至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平和所述信号高的电流电平提供给所述电热器。在一个实施例中，用于对电容器充电的方法包括步骤提供能量源，用于在充电时段内对该电容器充电；以及针对至少部分充电时段对该电容器提供比能量源输出的电流高的电流。在一个实施例中，再生式设备(regenerativeapparatus)包括一个或者多个电容器；能量源；电压感测电路，该电压感测电路适于感测能量源的电压，而且在感测到该电压时，输出信号；以及控制电路，其适于针对所述一个或多个电容器的至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平和所述信号高的电流电平提供给所述一个或多个电容器。所述电容器可以包括超电容器。能量源可以包括再生式制动马达。该制动马达可以包括混合型车辆制动马达。尽管在此对本发明的好处、方面和实施例进行了说明，但是应该明白，这些描述是当前描述的充电系统和方法的示例性用途和方面，并且其内容不应受到限制。图1A是现有技术的恒流充电电路的示意图；图1B是示出使用图1A所示充电电路的超电容器功率模块的充电分布的曲线图；图2A是根据本发明的恒功率充电电路的实施例的示意图；图2B是示出使用图2A所示充电电路的超电容器功率模块的充电分布的曲线图；图3详细示出图2A所示恒功率充电电路的一个实施例；以及图4示出其中燃料电池被提供为能量源的实施例。具体实施例方式本发明总的涉及用于对超电容器功率模块再充电的快速充电系统和方法。就此而言，本发明允许对超电容器快速充电，从而显著减少了对例如一组超电容器或者其它存储器件再充电所需的时间。在本发明的一个实施例中，用于以比源电流高的电流对电荷存储器件进行充电的系统和方法允许缩短再充电时间。尽管在此在实施例中进一步说明了超电容器，显然本发明的范围可以扩展到其它类型的存储器件，例如，常规电容器和可再充电电池。作为有效的能量存储系统，本领域内的技术人员对超电容器众所周知。超电容器典型地被提供有大约1法拉和以上的值。超电容器功率模块可以包括串联连接的超电容器组，以对特定应用提供所需的电压电平。超电容器(以及一般的电容器)作为能量源的一个吸引人的特点是，一旦超电容器完全或者部分耗尽，则可以在相对短的时间段内被再充电的能力。超电容器可以以小形状因子提供大电容，例如，D单元大小的电容器可以提供大约500法拉。本领域内的技术人明白，例如，与能够具有微法电容值的电解电容器相比，对超电容器充分充电所需的时间将较大。在此说明的本发明的一个或者多个实施例使得对电容器可以实现较快速的充电，由此当与诸如超电容器的大电容电容器一起使用时，可以导致充电时间的明显减少。下面的等式可以说明功率模块中的电容器、超电容器或者超电容器组的再充电速率dV/dt＝I/C，其中dV/dt是超电容器中的电压升高速率，I是通过超电容器的电流，而C是超电容器的电容。如上所述，本充电电路采用恒流配置，如图1A的示意图所示。在该装置中，提供能量源102用于对功率模块104再充电。就此而言，源102的正端子连接到功率模块104的正端子，而源102的负端子连接到功率模块104的负端子。提供恒流电路106，以调节供给功率模块104的电流。就此而言，功率模块104接收典型地等于源102的输出电流的恒流。参考上面的等式，对于恒流I以及功率模块104的恒定电容，显然充电速率dV/dt也是恒定的。图1B示出这种装置的示例充电分布。为了提高充电速率，应该增加通过功率模块的电流。根据本发明的一个实施例，将恒功率提供到功率模块的电路实现了该目标。图2A和2B示出一个这样的实施例。装置200包括用于对超电容器功率模块204再充电的能量源202。能量源202的正端子连接到功率模块204的正端子，而能量源202的负端子连接到功率模块204的负端子。例如，能量源202可以是燃料电池、电池或者其它电源。在一个实施例中，能量源202包括AC电网，其具有DC转换器以提供直流。在所示的实施例中，能量源202是20安培、50伏特的电源。本领域内的技术人员将理解，可以根据需要改变能量源的大小。例如，超电容器功率模块204可以是单个超电容器或者串联连接的超电容器组。在一个实施例中，功率模块包括一组串联连接的22个2700法拉的超电容器。当功率模块204被充分充电时，功率模块204典型地具有额定电压。恒功率电路206将恒功率提供到功率模块204。本领域内的技术人员众所周知，功率是电流与电压的乘积。因此，当功率模块204基本耗尽(即，具有低压)时，如果功率恒定，则电流电平相对高。因此，如图2B所示，在较低电压区域，与恒流充电相比，恒功率充电提供了比恒流充电明显快的再充电。图3提供了恒功率充电电路206的一个实施例的示意图。在该实施例中，充电电路206包括电流测量器件208，例如霍尔效应器件，其对脉宽调制器210提供输入。如同还被称为脉冲持续时间调制器的脉宽调制器，本领域内的技术人员对电流测量或者检测器件208众所周知。脉宽调制器210激励开关212，脉宽调制器使电流脉冲通过该开关。可以调制脉冲宽度，以提供与功率模块的所需功率电平相关的电流分布。提供了电容器218跨接来自源202的输入。电容器218优选地能够存储少量能量，并且应该将大小设置成实现所需输出结果。电容器218用于防止源202在脉宽调制器210的工作期间经历波动。与功率模块204串联提供电感器216。优选地将该电感器的大小设置成使消耗的电压最小。电感器216用于在脉宽调制器210工作的同时提供通过功率模块204的平均电流，如下所述。在工作中，首先将电感器216充电到与功率模块204上的瞬时电压电平和所需的恒功率电平相关的电流电平。例如，如果功率模块204上的当前电压是40伏特，而所需的恒功率电平是1000瓦，则电感器216被充电到25安培的峰值电流。在许多情况下，功率模块204上的初始电压可以很低，或者是零。在这种情况下，恒功率电平决定极高的峰值电流电平。这样的电平对系统中的某些元件可能是危险的。为了保护这种元件，可以将该峰值电流电平限制到预选的电平，如50安培。因此，对于1000瓦的恒功率电平，可以将电感器充电到50安培的电平，直到功率模块204上的电压达到20伏特。脉宽调制器210断开和闭合开关212，以控制电感器216的充电电平，并因此控制通过功率模块204的电流电平。当开关212闭合时，来自源202的能量导向电感器216，从而对电感器216充电。当开关212断开时，电感器216的电流流过二极管214，以继续对功率模块204提供充电电流。因此，在所示的例子中，脉宽调制器210的工作提供可以被限制到例如50安培的峰值电流电平。来自电感器的能量的耗尽允许比源电流高的峰值电流。随着功率模块204上的电压电平的升高，通过降低电感器216的充电电平，脉宽调制器210可以减小通过功率模块204的电流电平。因此，在开始充电时，可以向电感器提供高电流电平充电。通过提供来自源202的能量，可通过脉宽调制器来维持高电平。随着功率模块204上的电压电平升高，需要通过功率模块204的较低电流电平。为了此效果，脉宽调制器210将来自源202的恒定能量提供到电感器216，使得随着功率模块电压的升高，该电感器的电流电平降低。电容器充电电压与源电压的比值设置脉宽调制器的占空度。结果是进入功率模块204的充电电流增加，而充电时间减小。例如，如果源是50V，而功率模块204上的电压是25V，则脉宽调制器以50％的占空度工作。在该例子中，电感器将充电到40A，其中50％的时间从源汲取20A。该40A将流进功率模块204。从脉宽调制器210的工作得到的电流分布是一系列电流脉冲。在一个实施例中，脉宽调制器210以50KHz的频率工作。因此，电流脉冲的持续时间在零与20微秒之间。脉冲的总平均等于来自所述源的电流，或者在所示的例子中为20安培。开始时的电流可以基本上比源电流大，而当功率模块上的电压相对高时，以后的电流可以基本上较低。提供了二极管214跨接功率模块204。二极管214为电感器电流提供电流路径，以在开关212断开时继续流动。本领域内的技术人员将理解，尽管优选实施例使用恒功率充电分布，但是其它实施例可以不包括这样的分布。例如，一些实施例可以在再充电的较早阶段提供处于比源电流高的电平的电流。在以后阶段，该电流电平可降低，而不维持恒功率分布。图4示出其中燃料电池被提供为能量源的实施例。在一些实施例中，可能有必要利用不具有全电流能力的能量源202来工作，例如，恒功率充电电路211的全电流需求。在到全功率的能量源202上电周期期间，充电电路的电流需求可以加载能量源202以使它输出比正常输出电压低的电压。例如，在例如其中将燃料电池用作能量源202的一些实施例中，在上电周期期间，燃料电池可以变为被加载，以使它们降低到低于某个最小输出电压。如果燃料电池变为被这样加载，以致它输出低于某个最小电压的电压，则可对它的正常工作产生负面影响。为了防止能量源202不理想的加载，恒功率充电电路211的一个实施例包括电压感测电路213。在一个实施例中，电压感测电路213包括采用电压比较器的欠电压电路。电压感测电路213可以被配置成减小提供到超电容器功率模块204的充电电流，直到能量源202的输出电压高于某个最小阈电压。在一个实施例中，电压感测电路213被配置成检测能量源202的输出电压，而且根据该输出电压而导致脉宽调制器210的工作的变化。在一个实施例中，根据能量源202的输出电压的检测来改变调制器210的占空度。在一个实施例中，通过改变调制器210的占空度，减小提供到超电容器功率模块204的充电电流，直到能量源202达到某个阈电压，此时，恒功率充电电路211恢复先前在以上所述的工作。显然，本发明可在再生式应用中得到利用。例如，公知的是混合型车辆利用互连到车轮的马达和/或发电机所产生的反EMF(backEMF)。因此，在以比先前的可能方式快的方式制动期间，轮子的旋转可以用于对一个或者多个电容器或者电池再/充电。因此，尽管在此详细示出和详细说明的特定系统和方法完全可以实现本发明的上述目的，但是，应理解在此提供的描述和附图代表本发明的某些实施例，而不是全部实施例，因此它们表示本发明广泛预期的主题。尽管对优选实施例和方法进行了说明和描述，但是本
技术领域：
内的普通技术人员明白，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以进行许多变更。例如，尽管在一个实施例中公开了超电容器，但是，应理解本发明可以利用其它类型的器件，例如，包括电解电容器等的常规电容器；和二次电池。而且，燃料电池和再生式应用仅表示一些应用，而不是使用本发明实施例的所设想的所有应用。此外，利用本领域内的技术人员公知的表面安装，通孔以及其它元件，可以实现在此公开的电阻器、电容器、电感器以及二极管；利用本领域内的技术人员公知的其它电路、放大器、晶体管、电阻器以及其它元件，本领域的技术人员可以实现比较器、运算放大器、控制电路；并且利用本领域内的技术人员公知的放大器、FET、NPN、PNP以及其它元件，可以实现晶体管。还可以预期，可以以包括诸如PLD、固件或者软件实施的模拟形式或者数字形式，实现在此公开的一个或者多个元件。未提供具体电路实施以便于阅读和理解，这是因为在此说明的用于实现本发明的实施例的设计和实现在本领域内的技术人员的经验和能力范围之内。因此，只能根据下列的权利要求及其法律等效物来限制本发明。权利要求1.一种用于对功率模块充电的装置，包括功率模块，包括一个或者多个电容器；能量源；以及控制电路，耦合到功率模块和能量源，以针对至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平高的电流电平提供给所述功率模块。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路适于在功率模块上的电压电平增加时，维持功率模块处的恒功率电平。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路包括与所述功率模块串联连接的脉宽调制器和电感器。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述脉宽调制器控制所述电感器的充电电平。5.根据权利要求4所述的装置，其中所述充电电平对应于根据所述功率模块处的所需功率电平和所述功率模块上的瞬时电压电平的电流电平。6.根据权利要求3所述的装置，其中所述电感器适于将通过所述功率模块的电流电平限制到预定峰值电平。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路适于在至少部分充电时段期间，提供比来自所述能量源的电流电平高的通过所述功率模块的电流电平。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或者多个电容器包括超电容器。9.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或者多个电容器包括大于约1法拉的值。10.一种用于超电容器功率模块的恒功率充电电路，包括脉宽调制器，以及电感器，串联连接到所述脉宽调制器和所述功率模块；其中所述脉宽调制器适于控制所述电感器的充电电平。11.根据权利要求10所述的电路，其中所述充电电平对应于根据所述功率模块处的所需功率电平和所述功率模块上的瞬时电压电平的电流电平。12.根据权利要求10所述的装置，其中所述电感器适于将通过所述功率模块的电流电平限制到预定峰值电平。13.根据权利要求10所述的装置，其中所述控制电路适于在至少部分充电时段期间，提供比来自所述能量源的电流电平高的通过所述功率模块的电流电平。14.一种用于对电容器功率模块充电的方法，包括对串联连接在能量源与所述功率模块之间的电感器充电；以及控制所述电感器的充电电平，以实现通过所述功率模块的所需电流电平。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述控制包括提供脉宽调制器来调制从所述能量源到所述电感器的电流。16.根据权利要求14所述的方法，其中所述所需电流电平对应于所述功率模块处的所需功率电平。17.根据权利要求16所述的方法，其中在对所述功率模块充电期间，所述功率电平是恒定的。18.根据权利要求14所述的方法，其中在至少部分充电时段期间，通过所述功率模块的所述所需电流电平大于来自所述能量源的电流电平。20.一种恒功率充电模块，包括功率模块，包括一个或者多个电容器；能量源；电压感测电路，该电压感测电路适于感测能量源的电压，并且在感测到该电压时，输出信号；以及控制电路，其适于针对恒功率充电模块的至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平和所述信号高的电流电平提供给所述功率模块。21.根据权利要求20所述的模块，其中所述一个或者多个电容器包括约1法拉或者以上的电容。22.一种恒功率充电模块，包括一个或者多个电容器；能量源装置，用于提供信号；以及控制电路装置，用于针对恒功率充电模块的至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平和所述信号高的电流电平提供给所述电容器。23.一种用于对电容器充电的方法，包括步骤提供能量源，用于在充电时段内对所述电容器充电；以及针对至少部分充电时段将比能量源输出的电流高的电流提供给所述电容器。24.一种再生式设备，包括一个或者多个电容器；能量源；电压感测电路，该电压检测电路适于感测能量源的电压，并且在感测到该电压时，输出信号；以及控制电路，其适于针对所述一个或多个电容器的至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平和所述信号高的电流电平提供给所述一个或多个电容器。25.根据权利要求24所述的设备，其中所述电容器包括超电容器。26.根据权利要求25所述的设备，其中所述能量源包括再生式制动马达。全文摘要本发明公开了一种用于对功率模块(104)充电的快速充电电路(106)。该功率模块(104)包括一个或者多个电容器(218)。利用连接到功率模块(104)的能量源(102)对功率模块充电。该充电电路(106)包括控制电路，其适于在充电期间，在功率模块上的电压电平升高时维持功率模块(104)处的恒功率电平。该控制电路包括与功率模块串联连接的脉宽调制器(210)和电感(216)。脉宽调制(210)可以控制电感器(216)的充电电平。该充电电平对应于根据功率模块处的所需功率电平和功率模块(204)上的瞬时电压电平的电流电平。电感器(216)可适于将通过功率模块(204)的电流电平限制到预定峰值电平。控制电路可适于在至少部分充电时段期间，提供比来自所述能量源(102)的电流电平高的通过功率模块(204)的电流电平。文档编号H02J1/00GK1813385SQ200480018223公开日2006年8月2日申请日期2004年6月29日优先权日2003年6月30日发明者盖伊·C·特拉普申请人:麦斯韦尔技术股份有限公司