CN109690901B - 基于超级电容器的能量存储设备 - Google Patents

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Abstract

一种能量存储设备，其包括电荷存储组件、辅助存储元件和充电控制电路。电荷存储组件包括串联耦合的超级电容器阵列、多个电池和电荷保持电路。多个电池中的每个被电耦合到超级电容器阵列中的对应的超级电容器。电荷保持电路被配置为当至少一个超级电容器处于空闲状态时维持超级电容器阵列中的至少一个超级电容器的充电状态。充电控制电路被配置为选择性地在超级电容器阵列中的至少一个超级电容器与辅助存储元件之间传输电荷。

Description

基于超级电容器的能量存储设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年9月14日提交的美国临时专利申请号62/394,532和2017年4月18日提交的美国非临时专利申请号15/490,409(两者均题为“SUPERCAPACITOR BASEDENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD”)的优先权，每个的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般涉及基于超级电容器的能量存储设备和用于控制基于超级电容器的能量存储设备的方法。更特别地，所公开的***和方法平衡超级电容器组件的电流、降低自放电率并且增强基于超级电容器的能量存储设备的比能。
背景技术
近年来，气候变化和全球变暖已经导致了对能量储存的兴趣增加，该能量存储用于转变到用于整合更大的可再生能源生成并为仍然无法获得电力的数十亿人提供基于可再生能源的电力的电网的电力输送，并将那些依赖基于柴油或煤油的能量的转变为基于可再生能源的能量。化学和非化学以及静电的能量存储在广泛使用的情况下已经存在了一个多世纪。然而，像输送、电网存储和离网供电的应用的需求与目前电池用于的有很大不同，并导致了一系列新的挑战。
在汽车应用的情况下，为了获得汽车消费者的广泛认可，电动车辆必须消除诸如里程焦虑、温度效应、循环寿命和成本的问题。为了有效用于电网存储解决方案，电池必须解决成本(与基于化石燃料的替代品相比)、效率、温度效应、循环寿命、容量衰减、记忆效应、充电率等问题。为了在离网解决方案中进行部署，电池必须解决成本、温度效应、充电率、放电率、循环寿命、安全性、效率和维护的问题。
材料科学、商业模型、制造方法的发展有助于提高电池性能和经济性。这些努力主要集中在化学电池上。但是，进展缓慢并且增量微不足道。为应对气候变化和全球变暖的挑战，指数式提高是必要的。虽然化学存储介质材料的限制阻碍了进展，但是锂离子、高级铅酸、流体、水和氢电池单元(cell)在正在测试和开发的许多不同类型的电池之中。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种能量存储设备，其具有：包括超级电容器阵列的电荷存储组件和辅助存储元件。此外，提供了一种充电控制电路，其被配置为在充电操作期间向超级电容器阵列提供充电电流，其中充电控制电路被配置为选择性地在超级电容器阵列中的至少一个超级电容器和辅助存储元件之间传输电荷。
在另一方面，提供了一种能量存储设备，其具有电荷存储组件，该电荷存储组件具有：串联耦合的超级电容器阵列；和多个电池，其中多个电池中的每个被电耦合到超级电容器阵列中的对应的超级电容器。还提供了一种电荷保持电路，其被配置为当每个超级电容器处于空闲状态时维持超级电容器阵列中的每个超级电容器的充电状态。
并且在又一方面，本发明提供了一种能量存储设备，其具有电荷存储组件，该电荷存储组件具有：串联耦合的超级电容器阵列；和多个电池，其中多个电池中的每个被电耦合到超级电容器阵列中的对应的超级电容器。此外，本发明提供了多个电荷保持电路，其中多个电荷保持电路中的每个耦合到超级电容器阵列中的对应的超级电容器，并且其中多个电荷保持电路中的每个被配置为当对应的超级电容器处于空闲状态时维持超级电容器阵列中的对应的超级电容器的充电状态。还提供了一种辅助存储元件和多个充电控制电路，所述多个充电控制电路被配置为选择性地在超级电容器阵列中的至少一个超级电容器与辅助存储元件之间传输电荷。
附图说明
本发明的特征和优点将在对优选实施例的以下详细描述中更全面地公开或通过其被显而易见地提出，该优选实施例与附图一起考虑，其中相同的标号表示相同的部件，并且进一步地其中：
图1示出了根据一些实施例的用于控制超级电容器阵列的***。
图2示出了根据一些实施例的包括多个充电控制电路的图1的***的局部但更详细的视图。
图3示出了根据一些实施例的示例充电控制电路。
图4示出了根据一些实施例的示例脉冲宽度调制控制器。
图5示出了根据一些实施例的包括示例不平衡检测电路的图1的***的局部但更详细的视图。
图6示出了根据一些实施例的包括示例电荷保持电路的图1的***的局部但更详细的视图。
图7示出了根据一些实施例的示例通信模块。
图8是根据一些实施例的示出了控制算法的流程图。
图9示出了根据一些实施例的超级电容器。
图10是根据一些实施例的示出了超级电容器阵列中的第一超级电容器的充电操作的时序图。
具体实施方式
以下公开提供了用于实现本主题的不同特征的许多不同实施例或示例。以下描述组件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，而不旨在是限制性的。除非另有明确说明，否则关于电耦合等的术语(诸如“耦合”、“连接”和“互连”)是指其中结构直接地或通过介入结构间接地彼此通信的关系。另外，本公开可以在各种示例中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且本身并不规定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
所公开的***和方法简化了平衡电流、减少了自放电并且优化了各个超级电容器处的能量密度调节。众所周知并且可从各种来源购得的超级电容器是高容量电化学电容器，其具有远高于其他电容器的电容值(但是电压极限较低)，其桥接电解电容器和可充电电池之间的间隙。本文描述的***和方法允许超级电容器用于以前仅可以使用常规电池的情况。由于超级电容器相对于常规电池的固有优点，并且通过并入所公开的***和方法，超级电容器组件为常规电池提供了可行且显著改进的替代方案，致使实现了从化石燃料到可再生能源的广泛部署和转变。
在一些实施例中，多个超级电容器串联连接以形成具有预定VDC(直流电压)输出的阵列。阵列中的每个超级电容器可以嵌入有电池(诸如磷酸铁锂(“LFP”)电池)，其量等于超级电容器的预定百分比的存储容量。在一些实施例中，基于微控制器的硬件连接到每个超级电容器，并且被配置为执行电流平衡、电荷保持和电解质密度的优化和调节。尽管本文讨论了具有特定数量的超级电容器的一些实施例，但是超级电容器的数量不是限制性的，并且所讨论的实施例中的每个可以包括更少或更多的超级电容器，如本领域普通技术人员将理解的。
在一些实施例中，每个超级电容器阵列包括多个串联连接的超级电容器，该超级电容器可在非常高的电流(诸如例如800A-900A)下充电。由于各个超级电容器的制造公差(±20％)，在充电循环期间可能出现不平衡。在一些实施例中，通过耦合到超级电容器阵列的一个或多个电路元件来校正不平衡。例如，在充电循环期间，当充电源连接到超级电容器阵列时，微控制器可以监视每个单独的超级电容器的电压以进行电流平衡。当微控制器检测到已达到完全充电的超级电容器时，多余的能量从完全充电的超级电容器中汲取并传输到辅助缓冲器。多余的能量可以从辅助缓冲器提供给仍在充电的一个或多个超级电容器。该过程有利地在充电循环中没有中断的情况下发生。因此，所公开的***和方法有利地控制了超级电容器的充电以维持充电稳定性、提高充电效率并缩短充电时间。
超级电容器在空闲时具有高自放电率(48小时-80％)。在一些实施例中，为了降低放电率，从电池提供电流，其减少了泄漏电流并降低了自放电率。例如，在一些实施例中，LFP电池可以产生泄漏电流以提供从48小时到14天的自放电增加。在一些实施例中，微控制器被配置为监视和控制电荷保持过程。
与化学电池相比，超级电容器通常具有低比能(每单位质量的能量或Wh/kg)。超级电容器的比能例如在5Wh/kg至30Wh/kg之间变化，其小于一些化学电池的100+Wh/kg。低比能增加超级电容器的占位面积(footprint)并且可以使超级电容器不适合于许多商业应用(包括运输、仪表后面的存储、用于消费设备的存储等)。在一些实施例中，为了增加超级电容器阵列的比能，每个超级电容器在充电循环期间以非常大的能量猝发以及对电解层施加非常短时间的一系列放电脉冲进行充电。这组充电和放电脉动猝发致使实现了每个超级电容器的电解层的最大电荷，从而导致核心模块的比能增加。在一些实施例中，核心模块的比能约为80Wh/Kg。
在一些实施例中，可以在多个协议上通信的通信模块被附接到每个超级电容器以及控制逻辑，并提供每个超级电容器的数据。数据可以包括但不限于电压、电流、温度和平衡，并且以使得另一自动化***能够读取该数据的方式提供。另外，由通信模块收集的数据可以包括过充电、反极性，过温、短路、电容器不平衡和/或其他数据。通信模块被配置为如果在一个或多个预设限制之外发生任何一个或多个事件则用信号发送警报。
所公开的***和方法利用超级电容器在不影响超级电容器的循环寿命的情况下在少于30秒内进行充电的能力，并且可以部署在电动车辆或实用级频率调节中。快速充电站的网络还使得在基于超级电容器的存储库上运行的电动车辆能够在这样的站处快速充电(类似于汽车在加油站加油的方式)，从而消除了由于它们不能快速充电而当前存在于电动车辆中的增程的问题，这需要使用大型电池组。
在电网中存储电力(例如，“电网存储”)要求电池能够快速响应频率的变化。所公开的***和方法可以部署在这样的***中，以便满足快速频率响应的需要。此外，所公开的***和方法使得能够深度循环和长持续时间放电，并且可以部署在要求深度循环放电的应用中，诸如长持续时间电网存储。
所公开的***和方法还使得能够降低资本投资。例如，在放电深度(“DOD”)为100％且DC到DC往返效率为99.1％的情况下，所公开***的输送容量和额定容量几乎相同，当与使用化学电池的***相比时，这允许显著减少所需的容量。
在可忽略的容量衰减和充电/放电率的影响的情况下，本发明的***的循环寿命在100％DOD下为100万次循环。结合非常低的维护要求，本发明的***以每循环无与伦比的成本递送电力和能量。
所公开的***和方法还使得能够在大多数环境中使用。例如，在温度容差范围高于大多数化学电池的情况下，所公开的***可以在非常恶劣的环境中部署而不冷却或加热，从而导致较少的照管和维护。此外，电荷保持电路可控制小比例的嵌入式LFP电池供电，以减少电荷泄漏并增加自放电时间。
根据详细描述和附图，所公开的***和方法的这些和其他目的、优点和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。然而，应当理解的是，详细描述和附图虽然指示优选实施例，但是是以说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。
图1示出了根据一些实施例的用于控制超级电容器阵列的***的一个示例。如图1所示，***100包括电荷存储组件102，其包括超级电容器106-1：106-n(下文中称为“超级电容器106”)的阵列104。阵列104耦合到电荷保持电路108。每个超级电容器106还耦合到电池110-1：110-n(下文中称为“电池110”)。在一些实施例中，电池110中的每个是磷酸铁锂(LFP)电池，但是本领域普通技术人员将理解可以实现其他类型的电池。
在一些实施例中，电荷保持电路108被配置为检测来自超级电容器106的电压泄漏并产生泄漏电流以抵消这种泄漏。电荷保持电路108可以使用电池110中的一个或多个来产生泄漏电流。在一些实施例中，电池110中的每个被配置为具有等于超级电容器106中的相关联的一个的存储容量的预定百分比的存储容量。例如，在一些实施例中，电池110中的每个包括等于超级电容器106中相关联的一个的存储容量的约6％的存储容量，但是将理解的是，电池110中的每个可以具有更大和/或更小的存储容量。
在一些实施例中，充电控制电路114和不平衡检测电路116耦合到电荷存储组件102。虽然充电控制电路114和不平衡检测电路116被示出为单独的电路，但是本领域普通技术人员将认识到充电控制电路114和不平衡检测电路116可以在公共基板(例如印刷电路板或硅)上或在单独基板上实现。充电控制电路114耦合到辅助存储器118，辅助存储器118可以包括辅助电荷存储设备(诸如辅助超级电容器和/或其他电荷存储设备)。
控制逻辑112与充电控制电路114、辅助存储器118和通信控制器120处于信号通信(与其通信地耦合)。如下面更详细描述的，在一些实施例中，控制逻辑112被配置为执行电流平衡算法和/或电荷保持算法。如本领域普通技术人员将理解的，电流平衡算法和电荷保持算法可以通过由控制逻辑112所执行的软件命令实现和/或在一个或多个硬件电路中实现。在一些实施例中，控制逻辑112可以包括微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器、任何其他合适的控制逻辑和/或其任何组合。
在一些实施例中，通信控制器120被配置为经由一个或多个通信端口控制控制逻辑112与一个或多个其他设备或电路之间的数据的发送和接收。通信端口的示例包括但不限于具有MODBUS RTU作为通信协议的以太网端口、RS232端口和RS485端口等。本领域普通技术人员将理解可以实现其他通信端口和/或协议。
图2示出了根据一些实施例的包括多个充电控制电路的***100的局部但更详细的视图。如图2所示，在一些实施例中，***100a包括多个充电控制电路114a-1：114a-n(统称为“充电控制电路114a”)。充电控制电路114a中的每个与阵列104中的超级电容器106中的一个相关联并与其耦合。每个充电控制电路114a电耦合到控制逻辑112并且电耦合到辅助存储器118。在所示实施例中，辅助存储器118是超级电容器106-o，但是将理解的是，可以使用其他实施例和/或存储设备。
充电控制电路114a被配置为在超级电容器106中相关联的一个和辅助存储器118之间传输电荷。在一些实施例中，充电控制电路114a被配置为传输电荷以校正超级电容器106之间的一个或多个不平衡。例如，在一些实施例中，充电控制电路114a可以被配置为从辅助存储器118传输电荷以校正超级电容器106中的相关联的一个的充电不足(undercharge)不平衡和/或可以被配置为将电荷传输到辅助存储器118以校正超级电容器106中的相关联的一个的过充电不平衡。
图3示出了根据一些实施例的充电控制电路的一个示例。如图3所示，充电控制电路114b可以包括过充电部分124和充电不足部分126。过充电部分124和充电不足部分126中的每个至少包括：脉冲宽度调制(PMW)控制器128a、128b；变压器130a、130b；以及一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)142a-1：142d-2(统称为“IGBT 142”)。过充电部分124和/或充电不足部分126可以每个都包括一个或多个附加元件(诸如电容器、电阻器、开关和/或任何其他合适的电路元件)。充电控制电路114b的过充电部分124和充电不足部分126中的每个耦合到超级电容器106中的至少一个(诸如超级电容器106-1)。
充电控制电路114b被配置为平衡超级电容器106-1的充电，使得超级电容器106-1相对于阵列104中的其他超级电容器106不被过充电和/或充电不足。例如，当控制逻辑112确定超级电容器106-1相对于阵列104中的其他超级电容器106过充电时，控制逻辑112可以激活充电控制电路114b的过充电部分124中的PWM控制器128a以从超级电容器106-1排出电荷并将电荷传输到辅助存储器118中。选择来自超级电容器106-1的排出速率以校正超级电容器106-1相对于阵列104中的其他超级电容器106的过充电不平衡。
类似地，当控制逻辑112确定超级电容器106-1相对于其他超级电容器106充电不足时，控制逻辑112激活充电控制电路114b的充电不足部分126中的PWM控制器128b，以将电荷从辅助存储器118传输到超级电容器106-1。超级电容器106-1从辅助存储器118接收附加电荷，这加速了超级电容器106-1的充电并且校正了相对于阵列104中的其他超级电容器106的充电不足不平衡。
图4示出了根据一些实施例的PWM控制器的示例。PWM控制器128c包括耦合到电压反馈输入端134的第一模拟噪声滤波器132a和耦合到电流反馈输入端136的第二模拟噪声滤波器132b。模拟噪声滤波器132a、132b被配置为对相应的输入信号134、136进行滤波，并将电压和/或电流反馈信号提供给数字信号处理器(DSP)138。DSP 138可以包括任何合适的电路，诸如微控制器、FPGA、PLA、嵌入式***和/或任何其他合适的电路。DSP 138被配置为接收经滤波的电压和电流反馈信号，并针对一个或多个IGBT控制器140a、140b生成一个或多个控制信号。
在一些实施例中，IGBT控制器140a、140b被配置为针对充电控制电路114b中的一个或多个IGBT 142生成控制信号144a-144d。例如，在所示实施例中，第一IGBT控制器140a生成第一低侧IGBT控制信号144a和第二低侧IGBT控制信号144b。类似地，在所示实施例中，第二IGBT控制器140b生成第一高侧IGBT控制信号146a和第二高侧IGBT控制信号146b。低侧控制信号144a、144b和高侧控制信号146a、146b中的每个被提供给过充电部分124或充电不足部分126中的一个中的IGBT 142中的一个。
IGBT 142被配置为控制超级电容器106-1和辅助存储器118之间的电荷传输。例如，在一个实施例中，当检测到过充电情况时，第一PWM控制器128a接收来自控制逻辑112的一个或多个控制信号。第一PWM控制器128a生成如上所讨论的多个IGBT控制信号144a-146b。IGBT控制信号144a-146b中的每个被提供给充电控制电路114b的过充电部分124中的IGBT 142a-1：142a-4(统称为“IGBT 142a”)中的一个。激活IGBT 142a以将电荷从超级电容器106-1传输到辅助存储器118，直到过充电不平衡已经被校正为止。类似地，当检测到充电不足情况时，第二PWM控制器128b接收来自控制逻辑112的一个或多个控制信号。第二PWM控制器128b生成多个IGBT控制信号144a-146b，并将IGBT控制信号144a-146b中的每个提供给充电不足部分126中的IGBT 142b-1：142b-4(统称为“IGBT 142b”)中的一个。IGBT 142b被控制信号144a-146b激活，以将电荷从辅助存储器118传输到超级电容器106-1，直到充电不足不平衡已经被校正为止。
图5示出了根据一些实施例的***100的局部但更详细的视图，***100包括耦合到阵列104中的超级电容器106中的每个的示例不平衡检测电路。如图5所示，不平衡检测电路116a耦合到超级电容器106中的每个。不平衡检测电路116a被配置为监视超级电容器106的充电状态，并确定超级电容器106中所选择的一个相对于阵列104中的其他超级电容器106的充电状态。例如，在一些实施例中，不平衡检测电路116a被配置为检测超级电容器106中的过充电不平衡和/或充电不足不平衡。不平衡检测电路116a可以控制充电控制电路114和/或可以向控制逻辑112提供反馈，以针对充电控制电路114生成控制信号。
图6示出了根据一些实施例的包括示例电荷保持电路的***100的局部但更详细的视图。如图6所示，在一些实施例中，***100a包括多个电荷保持电路108a-1：108-n(统称为“电荷保持电路108”)。电荷保持电路108中的每个耦合到阵列104中的超级电容器106中的相关联的一个。
电荷保持电路108a中的每个还耦合到与电荷保持电路108a相同的超级电容器106相关联的电池110中的一个。电池110被配置为当检测到超级电容器106中的所选择的一个的未使用/空闲状态时，向超级电容器106中的相关联的一个提供泄漏电流。例如，在一些实施例中，当检测到一个或多个超级电容器106的空闲状态时，控制逻辑112激活与空闲超级电容器106相关联的电荷保持电路108a。激活的电荷保持电路108a从相关联的电池110汲取泄漏电流并将泄漏电流提供给超级电容器106中的相关联的一个。泄漏电流是在超级电容器106的制造期间指定的预定电流，其被配置为将超级电容器106维持在当前电荷水平。
在一些实施例中，电荷保持电路108a中的每个被配置为通过切换两个或更多个电路元件(诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管))来产生泄漏电流。电荷保持电路108a中的每个还可以被配置用于在等于产生的泄漏电流的电流下进行PWM电流调节。PWM可以被配置为补偿超级电容器106中的每个中的电路特定的方差。电荷保持电路108a中的每个被配置为调节泄漏电流以将泄漏电流维持在预定的最大泄漏电流以下并防止超级电容器106转变为充电状态。
在一些实施例中，当超级电容器106从空闲状态转变到活动状态(例如，有效充电和/或放电)时，电荷保持电路108a中的相关联的一个停止从电池110提供泄漏电流。电荷保持电路108a可以直接检测从空闲到活动的转变和/或可以接收来自控制逻辑112的指示相关联的超级电容器106处于活动状态的一个或多个信号。
图7示出了根据一些实施例的通信控制器的一个示例。如图5所示，在一些实施例中，通信控制器120a包括控制器160，其被配置为控制外部硬件(诸如充电器、逆变器和/或其他电力管理设备)与***100之间的通信。控制器160可以包括任何合适的控制器(诸如例如微控制器、FPGA、PLA、嵌入式电路和/或任何其他合适的控制器)。控制器160耦合到多个端口控制器162a-162d(统称为“端口控制器162”)。端口控制器162中的每个耦合到相应的通信端口164a-164d(统称为“通信端口164”)。尽管示出了四个端口控制器162和四个通信端口164，但是将理解的是，通信控制器120a可以包括更多和/或更少数量的端口控制器162和/或通信端口164。
在各种实施例中，端口控制器162和通信端口164可以被配置用于任何合适的通信协议(诸如例如以太网通信、RS485、RS232、4路干接触(4-way dry contact)和/或任何其他合适的通信协议)。在一些实施例中，4路干接触是预先可编程的隔离的4路干接触。
在一些实施例中，控制器160在内部集成电路(“I2C”)协议上从控制逻辑112提取数据，但是将理解的是，可以使用其他协议。提取的数据可以包括但不限于RTC(实时通信)、温度，每个超级电容器的电压、电流、瓦时、SOC、过充电、反极性、过温、短路、电容器不平衡和/或任何其他合适的数据。在一些实施例中，控制器160将提取的数据中继到一个或多个通信端口164。控制器160和/或控制逻辑112可以被配置为如果在一个或多个预定限制之外发生任何事件和/或多个事件则用信号发送警报。
在一些实施例中，可以将信息提供给一个或多个外部设备。外部设备可以提供例如对以下的分析：存储容量、存储器中可用的能量、存储器与温度相关的行为、存储器的健康状况和***的预期寿命和/或致使以最高效的方式优化存储器的其他环境条件。与外部设备的通信可以进一步实现对可用的能量备份的监视和/或主动管理。在一些实施例中，通信模块120使得充电器能够与***100通信，以确保以最高效和最优化的方式对***100进行关键操作和充电。
图8是根据一些实施例的控制算法200的一个示例的流程图，该控制算法200可以由诸如控制逻辑112的控制逻辑执行。尽管本文示出了特定的流程图，但是将理解的是，控制算法200的一些步骤可以以替代顺序和/或并行执行。
在框202处，算法开始。在判定框204，做出判定以确定是否需要对超级电容器106中的一个进行充电。该判定基于***的当前状态(例如，耦合到充电器/未处于放电状态)、超级电容器106的当前状态(例如，低于最大电荷水平)和/或任何其他合适的因素。如果需要对超级电容器106中的一个充电，则控制算法200前进到框206。
在判定框206处，控制算法200确定超级电容器106中的一个的电池单元电流和电荷是否不平衡。如上所讨论的，超级电容器106可以相对于阵列中的其他超级电容器106过充电和/或充电不足。如果检测到不平衡，则控制算法200在框212处记录超级电容器的电池单元电压，在框214处记录超级电容器106的电池单元电流，并在方框216处将该信息发送到一个或多个电路元件(诸如控制逻辑112)。如果未检测到不平衡，则控制算法200前进到框210并开始对超级电容器106充电。
如果在框204处确定不需要对超级电容器106中的一个进行充电，则算法200前进到框208。在判定框208处，电荷平衡算法200确定超级电容器106是否需要放电。该判定可以基于一个或多个因素，诸如***的当前状态(例如，未耦合到充电器/不处于充电状态)、超级电容器106的当前状态(例如，当前处于完全充电)、负载的当前状态(例如，负载正汲取功率)和/或任何其他合适的因素。如果要求对超级电容器中的一个进行放电，则控制算法200前进到框222。
在框222处，控制算法200检查电池单元电压和电流，并且分别在框224和226处记录电池单元电压和电池单元电流中的每个。在框228处，控制算法200将该信息提供给一个或多个电路元件或外部元件。
如果在框208处确定不要求对超级电容器106中的一个进行放电，则算法200前进到框218。在框218处，算法200检测电池110中的一个或多个的当前状态并且在框220处激活电荷保持电路108以产生泄漏电流来维持超级电容器106上的电荷。
在一些实施例中，为了减少充电时间并增强超级电容器106的比能，在针对超级电容器106中的每个的单独的超级电容器级别实现电解层充电。图9是超级电容器300的一个实施例的分解视图。超级电容器300包括围绕多个内部层的外部保护层302。内部层包括一个或多个微导线302、多个碳层304a-304d(统称为“碳层304”)以及多个电解层306a-306b(统称为“电解层306”)。如在超级电容器300的制造期间所确定的，多个微导线302、碳层304和电解层306可以以预定模式散布。多条引线308a-308c(统称为“引线308”)从微导线302和导电层304轴向延伸到电容器C12和C23。
在充电循环期间，充电控制电路114持续监视超级电容器106的电压。当已经实现超级电容器106中的所选择的一个的完全充电电压时，介电层被完全充电。当这发生时，充电控制电路114向外部充电器发信号以断开充电电流，并且然后其分析电压降。电压降指示电解层的充电状态。如果电压降大于0V，则充电控制电路114向外部充电器发信号以将快速序列的充电、放电和静止脉冲(rest pulse)施加到超级电容器106中的所选择的一个。充电控制电路114监视该过程期间的电压降。当充电控制电路114检测到超级电容器106中的所选择的一个的电压降为0V时，电解层完全充电至其最大可用容量，并且充电控制电路114向充电器发信号以停止对超级电容器106中的所选择的一个充电。电解层上的快速充电/放电/静止脉冲的这种重复序列确保电解层比通过常规充电方法实现的充电时间更快地充电。它还确保其充电至其最大可用电荷保持容量，该容量高于通过常规充电方法实现的容量。
在一些实施例中，类似和/或相同的充电/放电/静止脉冲被施加到连接到超级电容器106中的每个的电池110。类似的脉冲模式比通过常规充电更快地对电池110进行充电，并且类似地将电池110充电到比通过常规充电更高的容量。
图10示出了根据一些实施例的时序图400，其示出了用于对超级电容器106中的一个进行充电的充电、放电和静止脉冲的序列。如图10所示，在时间t0处，第一充电脉冲402a被施加到超级电容器(诸如超级电容器106-1)。第一充电脉冲402a可以具有足以快速对超级电容器106-1充电的任何合适的电流。例如，在所示实施例中，第一充电脉冲具有约4,500安培的电流，但是将理解的是，更大和/或更小的充电脉冲可以用于其他超级电容器。
第一充电脉冲402a在预定时间段内维持在预定电流处。例如，在一些实施例中，从t0到t1的时间可以是约20ms，但是将理解的是，可以使用更长和/或更短的充电时间。在时间t1处，充电控制电路114将充电电流从第一充电脉冲402a转变为第一静止脉冲404a。
第一静止脉冲404a在预定时间段内将充电电流设定为0安培。例如，在一些实施例中，第一静止脉冲404a维持约第一充电脉冲402a的周期的一半，但是将理解的是，可以使用更长和/或更短的静止脉冲。在所示实施例中，静止脉冲从t1到t2保持约10ms。
在时间t2处，放电脉冲406被施加到超级电容器106-1。放电脉冲406是负电流脉冲，其将超级电容器106-1中存储的一部分电荷放电。在一些实施例中，放电脉冲406具有约-1000安培的电流值，但是将理解的是，可以使用更高和/或更低的放电电流值。放电脉冲406维持了预定的放电周期。在所示实施例中，放电周期从t2到t3约为5ms。
在时间t3处，充电控制电路114将充电电流转变为第二静止脉冲404b。第二静止脉冲404b在预定时间段内将充电电流设定为0安培。例如，在所示实施例中，第二静止脉冲从t3到t4维持了约20ms。
在时间t4处，充电控制电路114将充电电流转变为第二充电脉冲402b。第二充电脉冲402b被配置为对超级电容器106-1完全充电。第二充电脉冲402b在电流和持续时间上类似于第一充电脉冲402a，但是将理解的是，第二充电脉冲可以具有比第一充电脉冲402a更大和/或更小的电流值和/或持续时间。在所示实施例中，第二充电脉冲402a将充电电流维持在4,500安培20ms。在时间t5处，超级电容器106-1被完全充电，并且充电控制电路将充电电流转变为0安培。
虽然已经结合详细示出和描述的当前优选实施例说明和描述了本发明，但是并不旨在限于所示的细节，这是因为可以在不以任何方式背离本发明的精神的情况下进行各种修改和结构改变。选择和描述实施例以便最好地解释本发明的原理和实际应用，从而使得本领域技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。

Claims (13)

1.一种能量存储设备，包括：
电荷存储组件，其包括超级电容器阵列；
辅助存储元件；
充电控制电路，其被配置为在充电操作期间向所述超级电容器阵列提供充电电流，其中所述充电控制电路被配置为选择性地在所述超级电容器阵列中的至少一个超级电容器与所述辅助存储元件之间传输电荷，其特征在于，所述充电控制电路包括多个充电控制电路，其中所述多个充电控制电路中的每个被耦合到所述超级电容器阵列中的超级电容器中的一个，
所述电荷存储组件还包括多个电池，其中所述多个电池中的每个与所述超级电容器阵列中的对应的超级电容器耦合。
2.根据权利要求1所述的能量存储设备，还包括不平衡检测电路，其中所述充电控制电路被配置为：当所述不平衡检测电路检测到阵列中的至少一个超级电容器与所述阵列中的一个或多个剩余超级电容器之间的电荷不平衡时，在所述至少一个超级电容器和所述辅助存储元件之间传输电荷。
3.根据权利要求2所述的能量存储设备，其中，所述不平衡检测电路被配置为检测过充电不平衡或充电不足不平衡中的一个，并且其中所述充电控制电路被配置为当检测到过充电不平衡时将电荷从所述至少一个超级电容器传输到辅助存储元件，并且其中所述充电控制电路被配置为当检测到充电不足不平衡时将电荷从所述辅助存储元件传输到所述至少一个超级电容器。
4.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述充电控制电路包括：
至少一个脉冲宽度调制控制器；
多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其被电耦合到所述至少一个脉冲宽度调制控制器，并且
其中，所述至少一个脉冲宽度调制控制器包括数字信号处理器和至少一个IGBT控制器，所述至少一个IGBT控制器被电耦合到所述数字信号处理器并且被配置为生成用于多个IGBT的第一控制信号和第二控制信号。
5.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述多个电池中的每个包括锂离子电池。
6.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述辅助存储元件包括超级电容器。
7.根据权利要求1所述的能量存储设备，包括电荷保持电路，其被配置为：当每个超级电容器空闲时维持所述超级电容器阵列中的每个超级电容器的充电状态，其中，所述电荷保持电路被配置为生成预定的泄漏电流。
8.根据权利要求1所述的能量存储设备，还包括控制逻辑元件，其被耦合到所述充电控制电路，其中所述控制逻辑被配置为生成用于所述充电控制电路的一个或多个控制信号。
9.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中所述超级电容器阵列被串联耦合；并且还包括：
电荷保持电路，其被配置为当每个超级电容器处于空闲状态时维持所述超级电容器阵列中的每个超级电容器的充电状态，
所述电荷保持电路包括多个电荷保持电路，并且其中所述多个电荷保持电路中的每个被耦合到所述超级电容器阵列中的对应的超级电容器，并且其中，
所述电荷保持电路被配置为从与空闲超级电容器相关联的多个电池中的所选择的一个生成泄漏电流，其中所述泄漏电流维持所述空闲超级电容器的充电状态。
10.根据权利要求9所述的能量存储设备，其中，所述多个电池中的每个包括锂离子电池。
11.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述超级电容器阵列被串联耦合；并且还包括：
多个电荷保持电路，其中所述多个电荷保持电路中的每个被耦合到所述超级电容器阵列中的对应的超级电容器，并且其中所述多个电荷保持电路中的每个被配置为：当所述对应的超级电容器处于空闲状态时维持所述超级电容器阵列中的所述对应的超级电容器的充电状态。
12.根据权利要求11所述的能量存储设备，还包括不平衡检测电路，其中所述充电控制电路被配置为：当所述不平衡检测电路检测到阵列中的至少一个超级电容器与所述阵列中的一个或多个剩余超级电容器之间的电荷不平衡时，在所述至少一个超级电容器和所述辅助存储元件之间传输电荷。
13.根据权利要求12所述的能量存储设备，其中，所述不平衡检测电路被配置为检测过充电不平衡或充电不足不平衡中的一个，所述充电控制电路包括：
至少一个脉冲宽度调制控制器；
多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其被电耦合到所述至少一个脉冲宽度调制控制器，并且
所述充电控制电路被配置为当检测到过充电不平衡时将电荷从所述至少一个超级电容器传输到所述辅助存储元件，并且其中所述充电控制电路被配置为当检测到充电不足不平衡时将电荷从所述辅助存储元件传输到所述至少一个超级电容器。
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