专利名称：双级式能量存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子能量管理及存储装置。
背景技术：
便携式电子及电气装置(PED)需要轻质且紧凑的电源。尽管有些功率非常低的装置(例如计算器)可由诸如光伏特电池(PV)等能源直接供能，然而对于许多实际的PED，则需要诸如电化学蓄电池(蓄电池)等更高容量的能量存储装置。许多PED使用可再充电蓄电池作为一种在再充电过程期间存储能量的构件，然后当使用PED时释放所存储的能量。
如所属领域的技术人员所熟知，电化学蓄电池对安全并有效地充电具有特定要求。这些特定要求依据特定蓄电池技术而不同，但是在所有情形中，为安全有效地进行充电，均要求在特定电压及电流电平以内施加能量达一特定时间段。因此，通常用于对蓄电池充电的典型能源一般是来自静止的且大得多的能源，例如(举例来说)发电厂主电源或汽车蓄电池。
在一固定静止位置处使用大型电源这一需要常常不便于实现，因为PED的本质在于PED是便携的且经常在距离给蓄电池充电的大型静止电源一段距离处使用。也如所属领域的技术人员所熟知，有许多可用来给蓄电池再充电的潜在能源。然而，大型固定能源的许多这些替代物常常具有间歇性质，且能量水平可能过低而不能通过传统方法进行转换来满足安全并有效地对蓄电池进行充电所需的特定电压及电流电平。此种潜在替代能源的实例为光伏特电池、手动操作的电磁机械发电机、甚至是短暂地连接至公用电力事业电力网(每当用户可短暂地在此种电力网附近停留时)。
使用诸如光伏特电池等间歇性可变源来给电化学蓄电池充电的各种简单方法在现有技术中已众所周知。此一系统的实例见1975年11月18日颁予Geoffrey Mellors等人的名称为“用于由太阳能电池供能的以蓄电池操作装置的充电电路(ChargingCircuit for Battery-Operated Devices Powered by Solar Cells)”的第3,921,041号美国专利。图1即绘示由Mellors在该专利中使用的电路。
在图1所示的系统中，只有当有足够的光强以使自PV电池106输出的电压超过蓄电池电压与装置104的正向偏置二极管门限电压之和时，才可有效地对蓄电池102充电。在此种情况下，由PV产生的低于所有电压及电流门限值的能量都被浪费掉，因为这些能量不能为蓄电池B1充电。
图1中方法的另一个问题是，如果没有充电管理电子器件来限制进入蓄电池B1的电压及电流电平，那么诸如锂离子技术等有些现代蓄电池技术就不能够安全地充电。此种充电管理电子器件所需要的电压及电流电平可能甚至比直接给蓄电池充电的电压及电流电平更高。出于这个原因，在PV电池与蓄电池之间使用充电管理电子器件是常见的。在图2中图解说明了此一系统的实例。在该附图中，使用一通常为一DC-DC转换器204及相关调整及检测电路(未示出)形式的高效电子电路将来自PV电池阵列202的DC电压转换成一比图1中PV电池与蓄电池之间的直接连接更合适的电压。
虽然图2中的方法是对图1中方法的改进，但是由于以下两个相关的原因，其仍不能有效地利用低光照水平或简短的光照周期1)如果光照水平处于低水平，则由PV电池产生的电压将不足以操作DC-DC转换器，因为任何实际的电子装置均需要远远大于零的电压才能有效地操作。以及，2)如果存在简短周期的极高光照水平，则PV电池所产生的能量可能会多于蓄电池在所述简短光照周期内可安全吸收的量。在此种情况下，由PV电池产生的多余能量将被浪费掉，因为蓄电池无法捕捉及存储这些能量。
2002年4月9日颁予Miguel Timm且名称为“无蓄电池的太阳能系统(Battery-LessSolar Power System)”的第3,921,049号美国专利得出了自例如PV电池源捕捉可变、间歇性能量的值并在电容器中积累此能量。然而，该发明使用所存储的能量来直接操作一装置。当此所存储的能量存储量充分耗尽时，所述装置停止作业。因此，其使用仅限于可允许此种中断的特定应用中。
在现有技术中，需要提供用于有效捕捉、积累及使用潜在替代能源(其能量供给是间歇性的且值可变)的方法。此种替代能源包括光伏特电池、手动操作的电磁机械发电机、风能及波浪能。而且，需要提供一种有效的方法来使用此捕捉能量对电气装置的蓄电池电源恰当、有效地再充电。
发明内容
本发明提供一种系统及方法，通过该系统或方法可积累间歇性的、可变的能源并将其用作各种由蓄电池供电的电气装置的有效电源。根据本发明，所述可变的、间歇性能源提供至一中间能量存储级或第一能量存储级。然后，通过一蓄电池充电管理组件将第一能量存储级连接至一为电化学蓄电池形式的第二级存储装置。
并入本说明书中并构成本说明书一部分的附解说明本发明的数个方面且与其说明一起用来解释本发明的原理。附图中图1图解说明一使用PV技术对蓄电池进行再充电的现有技术系统；图2图解说明一使用充电管理电子器件的现有技术PV充电系统。
图3是本发明的整体方块图；及，图4是一图解说明图3所示实施例的控制逻辑组件作业的实例的流程图。
具体实施例方式
图3中绘示本发明的一个实施例。在此图中，在图的顶部显示功能性器件，而对应于这些器件的电路组件则在下面进行显示。如图所示，此实施例包含一作为可变、间歇性能源实例的PV阵列302。本发明的替代实施例允许使用其初始状态(即不具有阵列结构)中的PV材料。自该源收集的能量提供至一第一级软能量存储构件304，例如一高值电容器310-其可通过电性双层电容器实现(也称为超电容器或超级电容器)。本发明并不限于此一双层电容器，因为本发明的其他实施例利用各种呈现电容性或伪电容性且具有低串联电阻(ESR)的电气装置。
所述第一级能量存储构件在本文中称为软存储，以区别于典型蓄电池的硬存储特性。所述第一级能量存储构件的重要特性在于，其可自能源302接受并有效地积累甚至低水平的能量，而不存在门限值及浪费。所述第一级能量存储构件304连接至一可切换的DC-DC转换器306及312。DC-DC转换器中合适的能量调整、变换及调节元件自所述第一级存储装置接受能量并使用这些能量对第二级存储装置有效、安全地充电。
除在图3的电路图中所示的DC-DC转换器312之外，还绘示一控制逻辑组件314。所述控制逻辑组件314监测第一级能量存储构件310上的电压电平，且当电压传感器316识别到电压超过一预设门限值时，其激活一FET开关313及DC-DC转换器312。在本发明的另一实施例中，所述控制逻辑还提供一构件来保护第一级能量存储构件310不会出现可将其损坏的过电压状态。具体而言，使用一开关318来释放多余的能量并从而限制第一级能量存储构件310两端的最高电压。
控制逻辑的另一器件是电流传感器320。所述电流传感器可确定能源302是否足以向能量存储构件310输入电流。假如来自所述源的能量引起电流反向从而对能量存储构件310放电，则电流传感器320向控制逻辑组件314发出信号，以即使在电压低于最佳门限值时也自存储构件310转移能量。
图3中还显示一第二级能量存储装置，一以锂离子蓄电池为实例显示的硬存储装置308。本文将所述硬存储装置定义为以比第一级软存储构件304明显更大的能量容量(更高的密度)进行长期存储的能量存储装置。
应注意的是，尽管图3中绘示单个锂离子蓄电池作为由本发明进行充电的第二存储装置，但本发明涵盖具有各种蓄电池化学性质的其他类型的蓄电池。控制逻辑组件314在特定第二存储装置的充电过程中恰当地控制电压及电流。而且，本发明不限于仅单个第二存储装置，因为本发明还涵盖多个存储装置，其中每一个均潜在地具有不同充电要求。相应地，所述控制逻辑组件恰当地控制与这些第二存储装置中每一者的充电要求相关的电压及电流。
现在将更详细地论述控制逻辑组件314。再次参照图3中所描述的实施例，在工作中，电流检测电阻器315探测到来自PV阵列302的电流，且由此生成的电压信号由运算放大器320以线性方式进行放大。所产生的经放大信号馈送入控制逻辑组件314中的模拟-数字转换器。控制逻辑组件允许设定各种门限值，以包括该系统中所含的各种软或硬能量存储组件的操作参数。本发明的此种特征是通过可编程软件代码、可编程逻辑芯片(即固件)、硬件引脚连接器、及其组合来实现。硬存储材料往往在性质上是基于化学组成的并呈现出更大的电能存储密度。软存储材料根据可用表面积来存储电子，因此呈现出低的电能存储密度。
根据信号分析，控制逻辑组件314可确定所述系统中电能流的大小和方向。因此，其可影响上述各种功能(例如，对存储构件310而言，探测到过高的电压或反向电流)。而且，然后，控制逻辑组件310可应用该能量来操作任何可能期望的需要电能的应用，例如便携式电子装置(手机、手持式计算装置等)。
如上文所提及，本发明的一个重要特征是其能够对一个或多个有不同蓄电池化学组成的蓄电池进行再充电。图4根据两种蓄电池类型来图解说明此特征一种可再充电的碱性锰(RAM)蓄电池及一种镍金属氢氧化物(NMh)蓄电池。在起始位置(项400)处，实施各种初始化步骤以包括将充电标记设定为Off(关闭)状态。所述充电标记指示系统开始/继续蓄电池的充电操作。所描绘的演算法是在计时器的控制下循环实施。每个此种循环均在点401处开始。
在每个循环的开始处，均在步骤(401)中判定是否有可用的充电电流。参照图3，此将对应于电压传感器316识别所述第一能量存储构件已积累了足够的电压。在没有此种可用电压的情况下，充电标记被设定为OFF(步骤422)且所述系统只是等待到下一个循环。
当存在可用充电电压时，则系统开始(步骤404)针对已指定由该系统进行充电的每个可用蓄电池进行至适当的充电决策分支。在此实例中，存在两个此种蓄电池。首先来看RAM蓄电池实例，系统判定(步骤406)该蓄电池是否处于其最高电压(即Vmax_ram)。如果是，则所述充电标记设定为OFF。如果否，由于系统随后检查(步骤414)蓄电池电压是否已减小到一门限电压值(即V_enable_ram)，则充电不会开始。作为举例方式，此门限值可设定为最大值的90％并防止无谓地对不需要充电的蓄电池进行充电。如果所述蓄电池还没有降低到所述水平，则所述演算法仅仅等待另一循环的开始。如果蓄电池的确降到了门限值之下，则充电标记设定为ON。然后，充电将继续经过连续的循环，直到蓄电池已达到其最高电压(步骤406)或充电电压不再可用(步骤402)。
如在图4中所绘示，如果在步骤404中探测到NMh蓄电池，则以相同的方式实施其充电操作，但针对不同的门限参数进行比较(例如步骤408及416)。应注意，图4中所图解说明的演算法允许两种蓄电池同时充电。
上文中对本发明的说明旨在用于图解说明及描述之目的。其并非打算作为穷尽性说明或将本发明限定于所揭示的确切形式。根据上述教示，所属领域的技术人员将易知许多种替代、修改及变化形式。因此，本发明打算囊括仍归属于随附权利要求书的精神及宽广范围内的所有替代、修改及变化形式。
权利要求
1.一种电子装置，其在一软存储构件中捕捉并积累可变水平的电能，直到所述所积累的能量达到一使其可有效地转移至一硬存储构件的水平为止，所述装置包括a)一可变且间歇性的能量的源；b)一第一级能量存储构件，其适合捕捉并积累来自所述源的能量；c)一第二级能量存储构件，其能够接收一电荷并存储此电荷以供以后使用；及，d)一电子构件，其检测并监测在所述第一级存储构件中积累的所述能量，且然后当在所述第一级存储构件中有足够的能量来有效地对所述第二级能量存储构件充电时激活一充电管理电子构件。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一级能量存储构件包括一电气装置，所述电气装置呈现出电容或伪电容行为且具有一低的电气上串联的电阻(ESR)。
3.如权利要求1所述的装置，其进一步包括一控制电路，所述控制电路检测所述第一级能量存储构件中的一过电压状态并将所述电压限制至一安全水平。
4.如权利要求1所述的装置，其进一步包括一控制电路，所述控制电路检测“流进”与“流出”所述第一能量级存储构件的电流方向，并激活任意有用能量自所述第一级存储构件向所述第二级存储构件的所述转移，即便所述第一级存储构件中的所述电压对此一转移来说不是最优化的。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述能源是从由下列组成的群组中选出光伏特电池，手动操作的电磁机械发电机，风能，波浪能，发电厂主电源，AC变压器，DC变压器，及其组合。
6.如权利要求1所述的装置，其进一步包括至少两个第一级能量存储构件。
7.如权利要求1所述的装置，其进一步包括至少两个第二级能量存储构件。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述充电管理电子构件包括一用于设定参数的可编程构件，所述参数用于实现对所述第二级存储构件的所述有效充电。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述可编程构件是从由下列组成的群组中选出可编程软件代码，可编程逻辑芯片，硬件引脚连接器，及其组合。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述充电管理电子构件允许对所述至少两个第二级存储构件中的至少某些进行独立充电。
11.一种用于在一第一级能量存储构件中捕捉并积累可变水平的电能直到所述所积累的能量达到一使其可转移至一第二级能量存储构件的水平的方法，所述方法包括a)将所述能量捕捉并积累进所述第一级能量存储构件；b)检测并监测在所述第一级存储构件中所积累的所述能量；及，c)当所述第一级存储构件中有足够的能量来有效地对所述第二级能量存储构件进行充电时，激活一充电管理电子构件。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一级能量存储构件包含一电气装置，所述电气装置呈现出电容或伪电容行为且具有一电气上串联的电阻(ESR)。
13.如权利要求11所述的方法，其进一步包括检测所述第一级能量存储构件中的一过电压状态；及，将所述电压限制至一安全水平。
14.如权利要求11所述的方法，其进一步包括检测“流进”与“流出”所述第一能量级存储构件的电流方向；及，激活任何有用能量自所述第一级存储构件向所述第二级存储构件的所述转移，即便所述第一级存储构件中的所述电压对此一转移来说不是最优化的。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述能源是从由下列组成的群组中选出光伏特电池，手动操作的电磁机械发电机，风能，波浪能，发电厂主电源，AC变压器，DC变压器，及其组合。
16.如权利要求11所述的方法，其进一步包括至少两个第一级能量存储构件。
17.如权利要求11所述的方法，其进一步包括至少两个第二级能量存储构件。
18.如权利要求17所述的方法，其进一步包括利用一可编程构件来设定用于实现对所述第二级存储构件的所述有效充电的参数。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述可编程构件是从由下列组成的群组中选出可编程软件代码，可编程逻辑芯片，硬件引脚连接器，及其组合。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述充电管理电子构件允许对所述至少两个第二级存储构件中的至少某些进行独立充电。
全文摘要
本发明揭示一种电子装置，其在合适的短期存储构件中捕捉并积累变化水平的电能，直到所述能量达到一使其可有效地转移至至少一个长期存储装置构件(例如电化学蓄电池等)的水平为止。本发明进一步允许同时转移至各种各样的可具有不同存储化学组成的电化学蓄电池。
文档编号G03B7/08GK1836348SQ200480022944
公开日2006年9月20日 申请日期2004年6月17日 优先权日2003年6月17日
发明者安德鲁·C·库拉, 朱左航 申请人:益环科技公司