[发明专利]用于超级电容器的快速充电器

说明书

技术领域

本发明涉及用于对超级电容器进行充电的方法和设备。

背景技术

在当前的日常生活中，电池广泛用于向消费品，特别是向便携式产品提供能量。在这些电池中，包括NiCd、NiMh、锂离子和铅酸电池在内的可再充电电池由于其再充电能力的优点而受到欢迎。然而，这些可再充电电池仍然具有若干缺点。首先，再充电周期是有限的。例如，具有记忆效果的NiCd电池一般具有1000个再充电周期，NiMH电池具有500个再充电周期以及高自放电率，锂离子电池具有300-500个再充电周期。其次，所需的充电时间相当长。通常，需要一到几个小时来对电池完全充电。由于需要电池和固定能量源之间的连接，这限制了特别是便携式设备的移动性。

开发了另一种能量存储器，即超级电容器，其具有显著的优点，特别是接近不受限制的数量的再充电周期和即时充电能力。例如，超级电容器具有超过500000个再充电周期，对于每次充电，只需要几秒到几分钟。

然而，超级电容器经受与充电器断开时电压快速下降的困扰。超级电容器通常是多个电容器的并联。图1说明了超级电容器的示例电荷模型，其中C₀，C₁，…，和C_n为电容器，R₀，R₁，…，R_n和R_p为超级电容器的主串联电阻，R_s为充电器和超级电容器之间的接触电阻，以及V为由电压表测量的、在超级电容器两端的电压。超级电容器两端的电压可以计算为：

                     （1）

并且内部电容器（例如为C₀）两端的电压可以计算为：

                 （2）

根据等式（1）和（2）易知，超级电容器和内部电容器两端的真实电压应当为V_s-c、V_c0等。并且实际存储的能量由C₀，C₁，…，C_n的电容和对应的电压V_C0，V_C1，…，V_Cn所确定。

通常，超级电容器可以用恒定电流或者恒定功率来充电。一旦测量电压V达到额定电压V_rated时，则停止充电。图2描述了压降现象。首先，由于在充电期间存在接触电阻R_s，因而当充电停止时出现第一电压降V_f。其次，由于伴随诸如过量离子浓度的平衡之类的扩散过程，因而在充电停止之后的短时段之内出现第二快速电压降V_d。为了更好地进行理解，下面描述扩散过程。当对超级电容器充电时，在碳表面附近发生至少两个过程。第一个过程是在碳表面处形成双层的离子的数量增加。第二个过程是在碳表面处或附近的离子浓度的局部增加，其不与所述双层直接相关。当超级电容器从充电电路断开并且然后经历自放电时，除了由于双层中的缺陷和杂质引起的电荷泄漏之外，双层电荷将停留在原处，但是碳表面附近的过量离子浓度将扩散至平衡状态。这些离子中的一些将扩散进电解液中，并且其他离子将扩散到碳表面，其中它们将减小碳中过量电荷的数量，因而降低电容器的开路电压。

由于V_f和V_d的存在，超级电容器及其内部电容器两端的实际电压不能达到额定电压V_rated，这进一步导致实际存储的能量小于超级电容器的额定能量。当总电压下降大约10%时，存储的能量比额定能量少19%。

因此，有必要改善对超级电容器进行充电的充电效率。

发明内容

依照本发明的一个实施例，目的是改善对超级电容器进行充电的充电效率。

依照一个实施例，提供了用于对超级电容器进行充电的方法。该方法包括步骤：利用第一电流对超级电容器进行充电；测量超级电容器的电压；当测量电压达到预定义电压值时停止提供第一电流；监视超级电容器的电压变化；当预定义时段内被监视的电压变化超过预定义阈值时利用第二电流对超级电容器进行充电。