专利名称：一种航标蓄电器系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及航标导航领域的一种蓄电器系统，尤其是涉及一种工作 稳定可靠，转换效率高，使用寿命长，环境友好，免维护的航标蓄电器系统。
背景技术：
航海所用的航标导航设施(灯塔、灯桩、灯船、灯浮筒等)往往地处偏 远孤岛(礁)，环境极其恶劣，安装维护极不方便。所用的能源多为再生能 源，最多的是太阳能电池(光伏发电)，也有波浪发电和风力发电。这些能源 的共同问题是极不稳定。有时(如强日光、大风、大浪)输出电压很高，常
常将储能装置冲坏；有时(如阴雨天、无风、无浪)输出电压很低，不能对 储能装置充电，根本就无能源补给。所以在使用中， 一般需要使用蓄电池来 进行储存电能，从而在给航标导航设施供电。
在航标导航领域，蓄电池是极为重要的部件。它不但能直接它不但能直 接作各种航标导航仪器的供电电源，而且是太阳能、风力发电、波浪发电等 再生能源必不可少的配套部件。
请参阅图l所示，其为现有技术航标蓄电池系统的结构示意图。航标导 航所用的能源主要是太阳能，其次还有波浪发电、风力发电；有条件的地方 也有用市电；但也有直接用蓄电池或一次性化学电池的。如图1所示，供电 能源部分通过太阳能、波浪、风力等发电设备所产生的电能经充电控制器对 蓄电池充电，然后由蓄电池对用电航标进行供电，所述用电航标一般包括雷达信标，航标灯，遥测遥控，AIS等。
使用蓄电池具有一些固有的优点，简单来说，蓄电池的优点是在正常 使用范围内，输出电压相对比较稳定。然而，现有的蓄电池也都有很多不足 之处。目前所用的蓄电池基本上是铅酸蓄电池，也有少数隔镍蓄电池、镍氢 蓄电池等。如使用最多的铅酸蓄电池，它就有环境污染、充放电循环次数少 (寿命短)、使用温度限制、充放电程度难以显示、不适宜脉动负载、维护 量大等很多缺点。
超级电容器是利用双层电容原理直接储存电能的新型储能元件，容量可 达数万法拉，能量密度显著高于传统的静电电容器，而功率密度却保持静电 电容器的优点。此外超级电容器还有环境效果友好、充放电循环次数多(寿 命长)、转换效率高、使用温度范围宽、可快速充放电、充放电程度可以显 示、适宜脉动负载、维护量很小等优点。超级电容器作为太阳能、风力发电、 波浪发电等再生能源储能装置，不但能克服蓄电器存在的一些问题，而且能 改善糸统输出电压的质量，提高系统的电压稳定性。
但是超级电容器也有不足之处，它们是单体电压低，容量参数分散。 加之航标导航领域的特殊性，如工作环境恶劣、用电要省、可靠性和稳定性 要高、携带和安装要方便等等。故超级电容器在航海航标导航领域至今仍未 得到应用。要使超级电容器储能装置进入航标导航领域，还需解决一些技术 问题、做很多细致的配套工作。本实用新型(航标电容电池)就是结合航标导 航领域的实际情况，恰当地运用了一些有关技术，使超级电容器储能装置能 有效地用于航标导航领域。
因此需要提供一种航标蓄电器系统，能克服上述现有技术的困难，使得 蓄电器可以稳定，长久地向用电航标提供电能，从而可以保持航标的性能稳 定，减少航标维修人员的工作量。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种可以向航 标设备提供稳定，长久电能的航标蓄电器系统。
为解决上述问题，本实用新型提供一种航标蓄电器系统，用以储存电能 供给航标设备，包括充电控制器及蓄电器，其中所述蓄电器为超级电容器蓄 由器
本实用新型还具有以下技术特征所述超级电容器蓄电器可以由多个超 级电容器组串联形成，而所述超级电容器组由多个单体超级电容器并联形 成；也可以采用下述方式，所述超级电容器蓄电器由多个超级电容器组并联
形成，而所述超级电容器组由多个单体超级电容器串联形成，且所述航标蓄 电器系统还包括电压均衡器，该电压均衡器与所述充电控制器及超级电容器 蓄电器电连接，还包括用电控制器，该用电控制器与超级蓄电器电连接，所 述用电控制器包括采样电路及电压变换电路，所述电压均衡器包括电压检测 电路及过桥电容，每一所述单体超级电容器与一 电压检测电路连接后通过一 转换控制系统控制，每一所述单体超级电容器通过控制开关与过桥电容并 联，所述充电控制器包括保护电路，调整电路及采样电路。
本实用新型提供的航标蓄电器系统因为采用超级电容，所以可以提供稳 定长久的电能，且具有环境友好，充放电循环次数多(寿命长)、转换效率 高、使用温度范围宽、可快速充放电、充放电程度可以显示、适宜脉动负载、 维护量很小等优点。
为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下面
将结合附图对本实用新型的较佳实施例详细说明图1为现有技术的航标蓄电器系统的结构示意图。
图2为本实用新型的航标蓄电器系统的结构示意图。 图3为本实用新型的航标蓄电器系统的的一个实施例的超级电容器蓄电 器的电路示意图。
图4为本实用新型的航标蓄电器系统的的另一实施例的超级电容器蓄电 器的电路示意图。
图5为本实用新型的航标蓄电器系统的充电控制器的结构示意图。 图6为本实用新型的航标蓄电器系统的电压均衡器的结构示意图。 图7为本实用新型的航标蓄电器系统的用电控制器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2所示，本实用新型的航标蓄电器系统一端与供电能源1进行 连接，该供电能源1可以为太阳能发电系统，波浪发电系统，风力发电系统， 也可以直接连接电力网或其它能够提供电能的设备，且航标蓄电器系统的另 一端向用电航标6提供电能，该用电航标6—般包括雷达信标，航标灯，遥 测遥控，AIS等。所述航标蓄电器系统包括充电控制器2，其与供电能源1 相连接，超级电容器蓄电器3—端与所述充电控制器2相连， 一端与用电控 制器5相连， 一电压均衡器4一端与充电控制器2相连， 一端连接于超级电 容器蓄电器3。
图3为本实用新型的航标蓄电器系统的超级电容器蓄电器3的一个实施 例的结构示意图。航海所用的航标导航设施(灯塔、灯桩、灯船、灯浮筒等) 往往地处偏远孤岛(礁)，环境极其恶劣，安装维护极不方便。所用的能源 多为再生能源，最多的是太阳能电池(光伏发电)，也有波浪发电和风力发电。 这些能源的共同问题是极不稳定。有时(如强日光、大风、大浪)输出电压很高，常常将储能装置冲坏；有时(如阴雨天、无风、无浪)输出电压很低， 不能对储能装置充电，根本就无能源补给。由于超级电容器的单体电压低、 容量毕竞有限。所以在实际应用时，要将多个超级电容器的单体进行串、并 联组合成模块。请参阅图2及图3所示，超级电容器蓄电器由多个超级电容 器单体组成，是本实用新型的主体，其功能就是存储电能。由于超级电容器 具有超大的电容量，故能存储很多的电能。根据航标导航领域的实际情况， 选用恰当的超级电容器，并配以有效的控制管理电路，即可组成稳定、可靠、 实用的航标电容电池。由于单个超级电容器的电压和电容量仍然有限，所以 "超级电容器蓄电器"是由多个超级电容器组串联而成，每一个超级电容器 组组又是由多个超级电容器的单体进行并联组合而成。图3中 Cla...C2a...Cna及Clb...C2b...Cnb直到Cla...C2n...Cnn均并联组成一个超 级电容器组，各超级电容器组之间又通过串联连接，共同组成一个超级电容 器蓄由器3
图4是本实用新型的超级电容器蓄电器3的另一实施例的结构示意图。 请参阅图2及图4所示，所示"超级电容器蓄电器"是由多个超级电容器组 并联而成，每一个超级电容器组又是由多个超级电容器单体进行串联组合而 成。图4中Cla...Clb...Cln及C2a…C2b…C2n直到Cna…Cnb…直至U Cnn 均串联组成一个超级电容器组，各超级电容器组之间又通过并联连接，共同 组成一个超级电容器蓄电器3 。
由于航标导航领域所用的能源主要是太阳能，其次还有波浪发电、风力 发电等，其提供的电压和电量都极不稳定。充电控制器2的作用是保证在不
论是电压电量过高还是在电压电量过低时均能工作。请参阅图2及图5所示， 图5为本实用新型的充电控制器2的结构示意图，充电控制器2包括调整电 路21，保护电路22及采样电路23，其中调整电路21及保护电路22均与供电电源l相连接，而采样电路23则与调整电路21相连。当供电电源l传输在高电压、大电量时(即或是所谓的飞车状态时)，调整电路21也能对超级电容器正常充电而不损坏系统结构，充分利用供电电源l所提供的电能。在供电电压特别高时，保护电路22将分流，保护后面的电路不损坏。当供电电源l提供的电能在低电压、极小电量时(如太阳能电池的阴雨天，波浪发电的小浪状态，风力发电的微风时)，本实用新型用"充电控制器2"也能对超级电容器蓄电器正常充电。从而充分地利用供电电源l所提供的电能。一般地，当供电电压较低时，用充电控制器2升压后进行充电；若升压后仍不能对整个超级电容器蓄电器充电，则对减少串联级后的电容器蓄电器部分充电；当供电电压更低时，用"过桥电容器Cf'(参见后述)实施转换控制，进行逐级(组)充电。
图6所示为本实用新型的电压均衡器4的结构示意图。电压均衡器4的作用是使组成超级电容器蓄电器的每个超级电容器的电压都能保持一致。由于超级电容器的容量参数分散，当多个串、并联超级电容器在充电过程中必将出现电压不均。因此必须使用电压均衡器4，才能保障超级电容器蓄电器的正常、安全工作。为此，本实用新型根据航标导航领域的实际应用情况，设计、制造出了能交付实际应用的电压均衡器4。请参阅图2及图6所示，在每一个超级电容器C1、 C2、 ...Cn之上连接一个电压检测的电路，并通过上述电压检测的电路与转换控制系统，Cf为过桥电容，Cl、 C2、 ...Cn均为超级电容，Sl、 S2、 ...SN为转换控制开关。当转换控制系统通过电压检测电路检测出电压最高电容Cmax和电压最低电容Cmin后，先通过对应的转换控制开关将过桥电容Cf并接到Cmax;在过桥电容Cf的电压与Cmax同样高后，过桥电容Cf脱开Cmax并接到Cmin，过桥电容Cf对Cmin充电，使Cmin电压提高。经多次重复上述过程后，使Cmax与Cmin间的电压差縮小，最终实现电压均衡。所有转换过程都由转换控制系统操作转换控制开
关S1、 S2、 ...SN来实施。该方法就是用过桥电容Cf将电压最高电容器的能量直接转移到电压最低的电容器中，具有均衡速度快、效率高的特点。
用电控制器5的作用是给用电航标6提供所需的稳定供电。超级电容器蓄电器的特性是输出电压随超级电容器蓄电器存储电能的多少而变化。而航标导航仪器对供电电压都有比较稳定的要求。为此，根据航标导航领域的实际应用情况，本实用新型设计、制造出了能交付实际应用的"用电控制器5"，以保证对各种航标导航仪器稳定供电。图7即为所述用电控制器5的结构示意图。
图7为所述用电控制器5的结构示意图.请参阅图2及图7所示，用电控制器5包括电压变换电路51及采样电路52，其中电压变换电路51与超级电容器蓄电器3及用电航标6相连，而采样电路52与所述电压变换电路52相连。
将本实用新型(航标电容电池)用于航标领域，替代目前航标领域所用的蓄电器，能克服一般的蓄电器的一些缺点，将大大提高航标导航仪器的工作可靠性。无疑，这是航标导航领域的重大革新。两者性能对比可参看表l。
由表1可见，本实用新型的航标蓄电器系统的的性能远优于铅酸蓄电器构成的现行航标蓄电池系统。
1、 充放电循环次数极高
超级电容器蓄电器的充放电循环次数约为500000次，是铅酸蓄电器的250 500倍。此数字己相当于太阳能电池的寿命。其它蓄电器的充放电循环次数也远低于超级电容器蓄电器。
2、 充放电效率较高
超级电容器蓄电器的充放电效率优于铅酸蓄电器。3、 充放电程度显示可显示
铅酸蓄电器(含其它蓄电器)的充电放电程度根本无法测出。而电容器储
电因其能量W=l /2CU2，故只需测出电压即可知道当时的储能多少。
4、 充放电时间可秒级
铅酸蓄电器(含其它蓄电器)的充电时间最少要几小时(太快将损坏电
池)；而航标电容电池在有需要时，只需几分钟即可充足。
这一点对航标导航领域很重要。我们将可以在航标巡检船或汽车上配备
快速充电装置，当某航标出现紧急情况无供电时，即可快速赶往充电。
表l:超级电容器蓄电器与铅酸蓄电器性能对比
序项目铅酸蓄电器超级电容器电池备注
1充放电循环次数謂0~2000>500000相当太阳能的20 年
2充放电效率70%~90%》90%
3充放电程度显示无法显示可由电压显示储倉旨W = 1 / 2CU2
4充放电时间几个小时秒级
5过充是否损坏易损坏不损坏
6放电至O能否恢复至某电压不能恢 复可恢复
7能量密度/ w.h.kg25~455~10较好
8功率密度/ kw.kg0.1~0.52~10高
9宜脉动负载与否不宜能
10环境污染较大极小
11使用温度范围室温-25°C~+75°C
12电极头可否焊接不可可以解决电接触不良
13维护量大大几乎无需维护
105、 过充不损坏
航标电容电池不会因过充电而损坏。而铅酸蓄电器(含其它蓄电器)会由于过充电而导致损坏，不能恢复。
6、 可放电至O电压
航标电电池可放电至0电压。在放电至0电压后、下次照常充电、工作。
7、 能量密度
相对铅酸蓄电器，航标电容电池的能量密度较低。因此，要储存相同的能量，航标电容电池的体积要大。
8、 功率密度
与铅酸蓄电器相比、航标电容电池的功率密度要大。因此，储存相同的能量时，航标电容电池的重量要小得多。
9、 适宜脉动负载工作
而铅酸蓄电器不适于脉动负载的情况下工作。
10、 环境污染
与铅酸蓄电器(含其它蓄电器)不同，超级电容器蓄电器的能量储存与释放的过程是完全的物理过程，无化学物质参与反应。故几乎无环境污梁问题。
11、 使用温度范围大
航标电容电池的使用温度范围为-25°C +75°C。铅酸蓄电器一般只宜于室温下工作。
12、 电极头可以焊接
航标电容电池的电极头可以与电线焊接，这样不但减少接触电阻，而且不存在容易被海水腐蚀接头的问题。而铅酸蓄电器的电极头不能焊接。
13、 维护量很小
a，由于航标电容电池的电容器可循环充放电500000次，是铅酸蓄电器的250 500倍，此数字己相当于太阳能电池的寿命；
b，航标电容电池一般不会因充放电而损坏；C，航标电容电池的能量储存与释放的过程是完全的物理过程，无化学物质参与反应，不存在化学物质的流失，故无需经常补充、更换化学物质
的问题；
d，航标电容电池的电极头可以与电线焊接,这样不但减少接触电阻，而且不存在容易被海水腐蚀而损接头的问题。
由以上几点可知航标电容电池是免维护的。
综上所述，航标电容电池的最大优点是使用寿命长、稳定可靠、免维护。而这些，在航标导航领域是致关重要的。
航海所用的航标导航设施(灯塔、灯桩、灯船、灯浮筒等)往往地处偏远孤岛(礁)，环境极其恶劣，有的灯桩高达数十米，攀爬、安装、维护极不方便。很多航标导航设备还是水面浮筒， 一直摇摆旋转不停。航标工人上去工作十几分钟，就会头暈呕吐。此外，安装、维护、捡査都要动用船只，甚至直升飞机。每动用一次，往往就得花费万元、数万元、拾几万元。归纳起来，对航标导航设施及其辅助设备主要有以下几点要求
1、稳定性要好，可靠性要高； 2、体积要小，重量要轻；
3、耗电要省； 4、使用寿命要长；
5、安装维护要方便，最好是免维护。
由此可见，航标电容电池有使用寿命长、稳定可靠、免维护等突出优点，完全符合对航标导航设施及其辅助设备的各项要求。将它替代蓄电器，必定会大幅度地提高航标导航设施的稳定、可靠性，增加其使用寿命，减少航标工人的劳动强度和危险性，减少维护量，为航标导航领域的管理部门节省大量的人力、物力、财力。
权利要求1. 一种航标蓄电器系统，用以储存电能供给航标设备，包括充电控制器及蓄电器，其特征在于所述蓄电器为超级电容器蓄电器。
2. 如权利要求1所述的航标蓄电器系统，其特征在于所述超级电容 器蓄电器由多个超级电容器组串联形成，而所述超级电容器组由多个单体超 级电容器并联形成。
3. 如权利要求1所述的航标蓄电器系统，其特征在于所述超级电容 器蓄电器由多个超级电容器组并联形成，而所述超级电容器组由多个单体超 级电容器串联形成。
4. 如权利要求1或2或3所述的航标蓄电器系统，其特征在于还包 括电压均衡器，该电压均衡器与所述充电控制器及超级电容器蓄电器电连 接。
5. 如权利要求4所述的航标蓄电器系统，其特征在于还包括用电控 制器，该用电控制器与超级蓄电器电连接。
6. 如权利要求5所述的航标蓄电器系统，其特征在于所述用电控制 器包括采样电路及电压变换电路。
7. 如权利要求4所述的航标蓄电器系统，其特征在于所述电压均衡 器包括电压检测电路及过桥电容，每一所述单体超级电容器与一电压检测电 路电连接后通过一转换控制系统控制，每一所述单体超级电容器通过控制开 关与过桥电容并联。
8. 如权利要求4所述的航标蓄电器系统，其特征在于所述充电控制 器包括保护电路，调整电路及采样电路。
专利摘要本实用新型提供一种航标蓄电器系统，用以储存电能供给航标设备，包括充电控制器、用电控制器、电压均衡器及蓄电器，其中所述蓄电器为超级电容器蓄电器。本实用新型是一种极其稳定、可靠、使用寿命长、无环境污染、免维护的电能存储装置。
文档编号B63B51/00GK201280217SQ20082015163
公开日2009年7月29日 申请日期2008年8月4日 优先权日2008年8月4日
发明者李定楚, 昕 蔡 申请人:蔡 昕;李定楚