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1、10申请公布号CN104137207A43申请公布日20141105CN104137207A21申请号201180075883722申请日20111228H01G11/78201301H01G11/84201301G05F1/4620060171申请人英特尔公司地址美国加利福尼亚72发明人SY伯卡尔74专利代理机构永新专利商标代理有限公司72002代理人韩宏陈松涛54发明名称具有电池形状因数的基于超级电容器的能量存储器57摘要基于超级电容器的能量源可代替可再充电电池和传统电池。它可具有传统电池的形状因数，并可模仿被替换的电池的放电特性。85PCT国际申请进入国家阶段日2014062586PCT。
2、国际申请的申请数据PCT/US2011/0674852011122887PCT国际申请的公布数据WO2013/100932EN2013070451INTCL权利要求书2页说明书5页附图7页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图7页10申请公布号CN104137207ACN104137207A1/2页21一种装置，包括具有电池的形状因数的外壳；用于电能量存储的超级电容器；以及在所述外壳中具有电子器件，用以模仿所述电池的放电特性。2根据权利要求1所述的装置，其中所述装置模仿可再充电电池的放电特性。3根据权利要求1所述的装置，其中所述装置模仿一次性电池的放电特性。
3、。4根据权利要求1所述的装置，其中所述电子器件用于为所述装置维持基本恒定的输出电压。5根据权利要求4所述的装置，包括降压、升压、以及组合的电压转换器，用以在所述装置的端子处维持恒定电压。6根据权利要求1所述的装置，所述装置用于将输出电压减小到用以激活电池低电压指示器的水平。7根据权利要求1所述的装置，具有约12V的输出电压。8根据权利要求1所述的装置，具有约15V的输出电压。9根据权利要求1所述的装置，具有小于2V的输出电压。10一种方法，包括以电池的形状因数来容纳超级电容器；以及使用所述超级电容器来模仿所述电池的放电特性。11根据权利要求10所述的方法，其中模仿包括模仿可再充电电池的放电特性。
4、。12根据权利要求10所述的方法，其中模仿包括模仿一次性电池的放电特性。13根据权利要求10所述的方法，包括从所述超级电容器维持基本恒定的输出电压，以在所述电池的端子处维持恒定电压。14根据权利要求13所述的方法，由所述超级电容器产生降低和升高的电压。15根据权利要求10所述的方法，包括将输出电压减小到用以激活电池低电压指示器的水平。16根据权利要求10所述的方法，包括使用所述超级电容器产生约12V的输出电压。17根据权利要求10所述的方法，包括使用所述超级电容器产生约15V的输出电压。18根据权利要求10所述的方法，包括使用所述超级电容器产生小于2V的输出电压。19一种装置，包括具有电池的形。
5、状因数的外壳，所述外壳包括端子；用于电能量存储的超级电容器；以及在所述外壳中具有电子器件，用以在所述装置的端子处维持基本恒定的电压。20根据权利要求19所述的装置，其中所述装置模仿可再充电电池的放电特性。21根据权利要求19所述的装置，其中所述装置模仿一次性电池的放电特性。22根据权利要求19所述的装置，包括降压、升压和组合的电压转换器。23根据权利要求19所述的装置，所述装置用于将输出电压减小到用以激活电池低电压指示器的水平。24根据权利要求19所述的装置，具有约12V的输出电压。25根据权利要求19所述的装置，具有约15V的输出电压。权利要求书CN104137207A2/2页326根据权利。
6、要求19所述的装置，具有小于2V的输出电压。权利要求书CN104137207A1/5页4具有电池形状因数的基于超级电容器的能量存储器背景技术0001这涉及超级电容器供电的设备。0002基于超级电容器的设备通常使用单个电容器或几个电容器的串联/并联组合。当电容器并联连接时，有效电容增加，从而提供较高的存储能量。现今，超级电容器被限制到27伏。因此，为了增加它们的输出电压，电容器被串联连接，这减小了它们的电容。然而，由于存储的能量与电压的平方成比例，结果是在越高的电压下具有越高的存储能量。0003超级电容器ULTRACAPACITOR也被称作超电容器SUPERCAPACITOR、超强电容器SUPE。
7、RCONDENSER、或者双电荷层电容器。它们区别于其它电容器，这是因为它们在两个板之间具有隔板，这有效地创造了双联电容器。附图说明0004针对下面的附图描述了一些实施例0005图1是根据一个实施例的基于电容器的能量存储器的透视图；0006图2是一个实施例的示意性视图；0007图3A是用于可再充电电池的电压相对能量的曲线图；0008图3B是用于电容器的电压相对能量的曲线图；0009图4是根据一个实施例的充电电路的视图；0010图5是根据一个实施例的参考电压产生器的电路示意图；0011图6是根据一个实施例的用于产生感测电压的感测块的电路示意图；0012图7是根据一个实施例的在用于图2所示的限度检。
8、测中的升压降压控制的电路示意图；0013图8是根据一个实施例的用于关闭电路24中使用的电压转换器的电路；0014图9是用于使用图10的电路的一个实施例的电压相对能量的曲线图；0015图10是用于一个实施例的低电压检测电路；0016图11是用于使用图12的电路的一个实施例的电压相对能量的曲线图；0017图12是用于另一个实施例的低电压检测电路；0018图13是升压/降压转换器的一个实施例；以及0019图14示出了根据一个实施例的电压转换器的操作的波形图。具体实施方式0020传统的可再充电电池或标准的一次性电池中使用的化学制品可由超级电容器有时也称为超电容器和支持性电子器件来代替。形状因数保持不变。
9、。电子器件被用来为电容器充电和可控放电，以获得能量，从而用来模仿典型的电池行为。因此，使用这些新电池的现有设备在形状因数或放电特性上没有任何实质区别。0021具有电子器件的超级电容器可代替传统的可再充电电池，如NICD、NIMH、或LIION，或者甚至是普通的一次性电池。超级电容器和电子器件被容纳在传统的电池外壳说明书CN104137207A2/5页5中，从而模仿标准尺寸的电池，如AA、AAA、等，在一些实施例中用户设备看不出实质的区别。内置的电子器件控制电容器的充电和放电，以使设备表现类似于电池，因此用户体验这些设备，就好像它们是电池，不仅仅在外观上，而且在放电行为上。仅有的明显区别在于对这。
10、些新“电池”的充电不能持续得像普通的电池那样长。然而，对于一些使用不是则长时间的应用，该充电将是足够的，并且电容器被定期再充电。0022一些实施例也被应用到目前使用内置电池的设备，其中在一个设备中的电子器件被设计用于传统的电池。因此仅用超级电容器代替电池可能是不够的，因为电池与电容器相比具有不同的放电特性。相反，电子器件可模仿电池放电行为，以更加无缝地使用这些电子器件而加强的超级电容器来代替电池。0023每个超级电容器壳容纳一个或多个串联/并联组合的超级电容器，并具有用于可控充电的充电电路。在充电操作期间，该电路检测施加的电压高于被替换的电池的电压，就进入充电模式。该电路还检测何时电容器被放电。
11、，并基于当前电容器的电压以升压或降压转换模式来激活电压转换器。在一些实施例中，产生可再充电电池替代物的约为12V的输出电压以及标准一次性电池替代物的约为15V的输出电压。当电容器电压充分减小，仅有备用能量剩下时，该电路可产生输出电压，以模仿被替换的电池的低电压行为，从而激活设备中现有的低电压指示器。0024一些实施例的潜在应用包括在诸如现有的无绳电话、电动剃须刀、真空吸尘器等的应用中的标准电池形状因数，A、B、AA、AAA等、可再充电电池以及单个使用的一次性电池的替代物、可代替的非标准常规形状因数电池、以及电池模块替代物，例如以模块形式的两个或三个或更多个电池。0025与具有大约两至三年寿命的。
12、可再充电电池相比，超级电容器具有很长的寿命，大约30年左右。标准一次性电池具有甚至更短的寿命。在一些实施例中，这种电池替代物将节省费用。0026超级电容器不使用像电池所使用的有毒化学物质，从而使它们在一些实施例中更“绿色”。0027在一些情况下超级电容器在重量上可能更轻。0028与可再充电电池相比，随着工艺的成熟，基于超级电容器的解决方案价格便宜。0029如图1所示，电池外壳容纳超级电容器和用于模仿电池行为的相关联的电子器件。电子电路连接到电池端子仅示出了一个，并在充电模式期间为超级电容器充电，并且在不充电时，向电池端子提供电能，从而模仿由超级电容器替代的典型电池。0030在图3A中示出可再充。
13、电电池的典型放电特性。一次性电池具有相同的特性，除了电压等级不同，即15V之外。随着能量从电池消耗掉X轴，在电池端子处的电压比较恒定在约12V，直到当电压快速下降时它到达某个能量阈值。0031图3B示出典型电容器的特性，其中随着能量的消耗，电压持续下降。因此，使用用于存储能量的电容器将不能模仿电池行为；超级电容器需要电子器件来模仿所替换的电池的放电行为。电子器件可被用来模仿在该模仿的电池的端子处的基本恒定的电压。0032随着电容器中存储的能量达到某个阈值，电子器件可减小端子处的电压，从而模仿典型电池行为，来警告设备中的现有电子器件能量储备变低了。例如，在无绳电话中，当电池能量级低时，红灯开始闪。
14、烁。利用电容器替代物可发生相同的结果。说明书CN104137207A3/5页60033超级电容器存储电能。它可以是单个电容器或者几个电容器的串联/并联组合。当电容器并联连接时，有效电容值增加，从而提供较高的存储能量。现今，超级电容器被限制到27伏。因此，为了增加电压，电容器被串联连接，这减小了电容。然而，由于所存储的能量与电压的平方成比例，因此在较高的电压能提供较高的存储能量。0034图2示出了用于控制超级电容器18产生的电压以使其放电模仿传统电池的特性的设备10。超级电容器显示出由RLEAK20表示的漏泄，从而导致放电。同样，当电容器被串联组合使用以增加电压时，漏泄电阻器被故意地增加，以使串。
15、联组中所有电容器的放电均衡。如果该漏泄未被均衡，不均衡的放电可能使电容器两端的电压上升超过其最大标称电压，从而损坏电容器。0035通过在电池端子两端施加较高的电压在该情况下的操作超过12V，典型的可再充电电池被充电。在充电操作期间，由于能量被提供给电池，其余的电子器件被禁止。感测块30感测到所施加的电压高于正常，关闭转换器24，并启用充电电路22，以给电容器18充电。0036当充电电压被移除时，感测块30检测到充电已经停止，关闭充电电路，并启动升压/降压转换器，以将电容器两端的电压转换成电池的端电压。检测块28感测电容器电压，以看它是否高于标称电压，并设定升压/降压转换器24的方向，即，将电容。
16、器两端的电压进行升压还是降压转换。当电容器在充电电压下被完全充电时，通常而言高于12V，该电压需要被降压转换到12V。0037当来自电容器的能量被使用时，电压降低，并且当它降到12V以下时，检测块28改变转换器24的方向以升压转换，从而将电容器电压转换成呈现在端子14和16处的较高值。结果，即使电容器两端的电压从充电时的高于12V变化到具有能量消耗时的低于12V，设备10的端子也能够获得基本恒定的12V。在此处使用时基本恒定意味着10。0038随着电容器中的能量下降，检测电路28检测阈值，在该阈值处，它需要模仿电池的低电压，并且该检测电路28将信号发送给转换器24，以通过降低设备10的输出电压。
17、来模仿电池的低电压。最后，当电容器两端的电压对于转换器的正常操作而言变得太低时，限度检测电路28检测限度并关闭转换器。0039参考电压产生器26使用端电压和电容器电压产生恒定的参考电压。该参考电压被整个系统使用，以将电压与该参考电压比较。0040图4所示的充电电路使用带有电阻器92的PMOS晶体管90，电阻器92用来限制充电电流。当控制信号“充电”被感测块30判断为低时，表示充电电压被施加，PMOS晶体管被打开，以给电容器18充电。电容器两端的电压几乎线性增加，首先快速充电，并随后它渐近地稳定到所施加的充电电压。0041图5示出了使用正向偏置二极管36的简单参考电压产生器26。二极管两端的电压。
18、从端子V以及电容器VC经过电阻器32、34产生。二极管两端的电压可能相当恒定，在一个实施例中约06V。几个其它正确的参考电压电路在本领域中是公知的，并也可被使用。0042开关42被用来选择模仿何种电池。如果开关接通，则整个二极管电压被提供作为参考电压VREF，以在端子处模仿较高的电压用于一次性电池的15V。如果开关被关断，则两个电阻器38和40用作分压器，从而提供低于06V的电压作为参考，以模仿较低的电说明书CN104137207A4/5页7池电压，例如用于可再充电电池的12V。这仅是实施可再充电电池相对于一次性电池的一种可能方式，并具有多种方式来实施该特征。0043图6示出了块30中用来感测。
19、电压的电路。在该电路中，运算放大器48比较端子处的端电压和参考电压VREF的比由电阻器44和46产生。如果端电压较高，则表示电容器被充电。运算放大器发出“充电”信号50，以启用充电电路22，并关闭升压/降压转换器24。如果电压为低，则关闭充电电路，并启用升压/降压转换器。0044图7示出了加载检测电路28中实施的升压降压控制。该电路通过比较电容器电压和端子电压来确定转换的升压或降压模式。0045比较器是实施有滞后性的运算放大器58，以用于在输出时稳定地判断而没有任何振荡。这些输入将由电阻器44和46产生的端电压的固定比和由电阻器54和56产生的在电容器两端的电压的比相比较。如果在电容器两端的电。
20、压高于端子电压，则在输出时进行降压转换，反之亦然。输出信号控制转换器，以将电容器的电压进行升压或降压转换，以在端子处产生恒定电压。0046随着电容器的能量被消耗，电容器两端的电压降低，并且该电压到达剩下受限能量的点处，并且端电压达到所替换的电池的低电压。由设备10检测的这一低电压是剩下受限能量的指示。在几个应用中，例如通过点亮红灯通知用户。图10和12示出两个这种实施方式，以模仿电池的低电压。0047随着电容器电压由于能量消耗而持续降低，当它到达电压转换器无法可靠操作的限度时，图8中所示的电路在该点关闭电压转换器24。两个电阻器44和46产生与参考电压相比较的电容器电压的比，并且如果电压太低，。
21、则运算放大器48发信号给转换器以关闭。0048图9示出具有图10中实施的电路的端电压中的逐步变化，并且图11示出当利用图12中的电路实施时的突然变化。随着电容器电压由于能量消耗持续降低，并当它到达电压转换器无法可靠操作的限度时，图8所示的电路关闭电压转换器。0049在图10中，运算放大器被用作模拟加法器电路，使用电阻器60将电容器电压VC的部分增加到参考68电压VREF。所产生的信号VS70是由电压转换器使用以调节端电压的感测电压。由于该感测电压被随着能量消耗而减小的电容器电压偏置，因此引入电压转换器随着电容器电压的降低而在端子处转换较低的电压。电阻器的值确定在端子处输出电压的下降比率，并应被。
22、相应地选择。0050图12示出对该电路的轻微改变，该电路具有施密特触发器前端，用以检测电容器电压何时达到储备的限度，则它突然改变感测电压，并且电压转换器突然改变端电压，以指示电池的低电压。0051图13示出使用MOS晶体管84作为开关的转换器24图2的操作。当电容器两端的电压高于端电压时，转换器使用晶体管84A和84C降低电压。当电容器两端的电压下降到端电压以下时，开关84B和84D进行升压转换。0052图14示出典型的切换时序图，其示出具有脉冲宽度调制的转换器的操作。垂直轴是电压，而水平轴是时间。标称的脉冲宽度T和标称的周期T被示出在图15A中。然后在图15B中，标称的脉冲宽度T被减小。这是。
23、由于出现感测电压大于参考电压的情况，因此具有较高的端电压。这导致图14中所示的升压/降压转换器的电感器86中的电流的减小。为了适应这种情况，脉冲宽度被减小。在图15C中，脉冲宽度T被增加，因为感测电压小于说明书CN104137207A5/5页8参考电压。这意味着具有较低的端电压，并因此必需增加电感器86图13中的电流。0053上述所有有源电路可用分立或集成的电子器件来实施。集成形式无疑将更小型和有效。诸如电容器和电感器的无源元件相当小，它们可以是分立的，或者它们也可以与电子器件集成在一起。与典型电池外壳的体积相比，电子器件的尺寸非常小。并且大部分体积可专用于超级电容器来存储能量。0054虽然示。
24、出的是MOS晶体管，但是可用双极晶体管来替换。对于单个的电池替换物，MOS晶体管可能更适用，因为它们比双极晶体管的正向偏置电压VBE具有更低的阈值电压VT，从而使电路更易于设计并且更有效。对于较高的电压，例如电池模块，MOS或者双极晶体管同样适用。0055贯穿该说明书的参考语句“一个实施例”或“一种实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明中包含的至少一个实施例中。因此，短语“一个实施例”或“一种实施例”的出现不是必需指相同的实施例。而且，除了特定实施例中描述的，该特定的特征、结构或特性可被设置成其它适当的形式，并且所有这些形式都被包含在本申请的权利要求中。0056虽然。
25、关于有限个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将从中理解出大量修改和变化。目的在于所附权利要求覆盖所有这种修改和变化，只要它们落在本发明的实质精神和范围内。说明书CN104137207A1/7页9图1图2说明书附图CN104137207A2/7页10图3A图3B说明书附图CN104137207A103/7页11图4图5图6图7说明书附图CN104137207A114/7页12图8图9说明书附图CN104137207A125/7页13图10图11说明书附图CN104137207A136/7页14图12图13说明书附图CN104137207A147/7页15图14说明书附图CN104137207A15。