[发明专利]串联模块中电容器寿命的最大化

说明书

背景技术

电容器，特别是超级电容器，近年来开始用于各种高功率应用，特别地，在用于电化学电池时，提供协同作用。用于这种应用的电容器一般布置在串联模块中，每个串联模块包含某一固定数量的串联电容器。

在电容器串联模块中，如果一个电容器比其相邻电容器更早出现故障，则可能不得不移除该模块。非常期望每个电容器的寿命通过某种方式与其相邻电容器中寿命最长的电容器的寿命匹配。

同样，在具有多个电容器串联模块的系统中，如果一个模块比其相邻模块更早出现故障，则可能不得不取出该故障模块。非常期望每个模块的寿命通过某种方式与其相邻模块中寿命最长的模块的寿命匹配。

为了达到这个目的，花费了大量的时间和精力，但效果非常有限。一个示例为，可尝试测量这类电容器的特性（例如，精确电容）并将其“装箱（bin）”，即，根据测量出的特性将电容器分组（将其置于箱（bin）中）。将电容器装箱之后，使用单个箱中的电容器制造每个模块。装箱是有益的，但由于多种原因，包括后续事件会使一个电容器的老化比另一个快的原因，不足以解决问题。

为了尝试使电化学电池达到相似结果，同样花费了大量时间和精力，取得了不同程度的成功。人们希望对电化学电池有效果的任何方法会对电容器产生同样效果，反之亦然。但是，电容器与电化学电池之间的多种差别使这种设想成为不可能。首先，电化学电池（electrochemical cell）与静电单元（electrostatic cell）之间的单元寿命模型不同。其次，储存电荷与电压之间的关系对于电容器来说一般为线性，而对电化学电池来说明显为非线性。

具有可能的历史价值的参考文献包括以下专利和公开的专利申请：Brainard的US5479083、Rouillard的US5952815、Jacobs的US5764037、Okamura的US5713426、Turner的US6087799、Gunn的US3602795、Okamura的US5726552A、Kalenowsky的US5063340A、Rufer的EP1081824、Ridder的US2008/197806、Roessler的US2008/0272735A1、Oh的WO2007/145460A1、Oh的WO2007/145463A1、Oh的WO2007/145464A1、Yano的US2004/251934、Daboussi的US2006/221516、Harvey的US2007/001651、Herke的DE102008056962A1和Ohta的EP1035627A1。

经验表明，由超级电容器的容量的减小和其内电阻的增加而定义的或以其为特征的超级电容器的老化，会由于施加在其端子上的电压、充电期间其温度的上升、或其在模块内的环境温度而加速。换句话说，开发了至少部分取决于施加电压历史和单元温度历史的单元寿命模型（cell-life model）。

因此，细心的读者能理解的是，尽可能地监测温度和电压并尽可能地控制每个超级电容器上施加的电压负载会非常有用。在串联或并联的模块的组件中，一方面，这些因素在构成组件的不同模块之间可能有所不同，另一方面，在构成特定模块的不同超级电容器之间可能有所不同。需要尝试使这些因素在模块内或模块之间统一，以防止超级电容器的过早老化造成模块的过早老化，从而造成组件的过早老化。

为了达到这些目的，已知方法，特别是在超级电容器充电期间控制其端子上的电压的方法包括：

·被动平衡；

·降低（clip）接近超级电容器的最大指定电压的预定电压值；以及

·相对于相邻的超级电容器对超级电容器进行电压或电荷平衡。

后两种技术一般使用模拟电子板。与超级电容器有关的任何模拟电子装置的一个缺点为，其一般无法进行自诊断。系统越复杂，部件数量越大，这意味着，模拟电子装置的故障之间的平均时间会缩短。

应理解的是，在电容器中，储存电荷Q与电压V之间的关系为（在某个动态范围内）为非常接近线性的关系，方程Q=CV中系数为的C。我们可以使用该方程对大量超级电容器串联在模块内的特定情况建模。根据基尔霍夫定律（Kirchhof’s Law），我们可知，在简单充电状态下，经过串联串（series string）中的每个电容器的电流相同，因此，施加到串联串中的每个电容器上的电荷（电流的时间积分）相同。如果每个电容器的电容C与其相邻电容器相等，在任何特定瞬间下，预期每个电容器上积累的电压几乎相同。