[发明专利]一种陶瓷电容器的充电方法

摘要

一种针对具有电量锁存功能的AFF陶瓷电容器进行充电的技术方法。这种充电方法至少包括：使AFF电容器实现开状态(ON)和关状态(OFF)之间的转换，以及采取反向偏压技术和串联SW/PCSS组合开关技术，实现AFF电容器在低损耗下的电量锁存功能。

主权项

1.一种陶瓷电容器充电电路暨装置的方法。这种装置(图1)至少包括：开关控制及监测单元100，以AC-DC，或DC-DC方式提供的充电电源110，充电电缆120，散热装置130，组态开关模块140，至少一个(或一组)AFF辅助电容器150，至少一个(或一组)AFF电容器(电量存储体)160，放电170模块；其中开关控制及监测单元100，包括对组态开关模块140内的所有开关器件进行器件关断的同步信号控制及充电过程的监测，以及必要的备用电源；其中充电电缆120和散热装置130模块，至少在进行大功率快速充电时，充电电缆120需要采用制冷措施，如使用水冷电缆，由散热装置130提供制冷器以及制冷循环控制装置；其中组态开关模块140，至少包括充电电缆端头141，充电/放电开关142，正向偏压开关143，反向偏压开关144，低感抗开关通道145，放电电缆端接146等；其中反向偏压开关144，至少包括关断时间在10ns以内的独立高速开关器件，或串联组合的高速开关器件；其中串联组合的高速开关器件至少包括一个以上的光导开关(PCSS)与一个以上的常规开关器件串联；其中低感抗开关通道145包括；在反向偏压作用过程中，从高速开关器件到至少一个(或一组)AFF辅助电容器150和至少一个(或一组)AFF电容器(电量存储体)160的正、负端电极之间的器件和电路通道；其中放电模块170包括，DC-DC和DC-AC类型的电源转换模块171，以及放电负载172；电路特性及方法如下，①、AFF辅助电容器150和AFF电容器160遵循铁电材料电滞回线基本规律和要求，基本电路如图2所示；充电方法描述如下，充电前，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl”发出开关K”断开信号，使触点11-12，和13-14断开；在充电时，Ctrl发出开关K闭合信号，使触点7-8，和9-10闭合；同时，开关控制及监测单元100信号控制源Ctrl’发出开关K’右向闭合信号，使触点1-3，和2-4闭合；此时充电器的电场U对AFF辅助电容器150和AFF电容器160同时充电；当充电完成后，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl发出开关K断开信号，使触点7-8，和9-10断开；然后，信号Ctrl’发出开关K’左闭合信号，使触点3-5，和4-6闭合；此时，AFF辅助电容器150与AFF电容器160充电电压互为对方的反向偏压，短时间后，信号Ctrl’再次发出开关K’断开信号，使触点3-5，和4-6断开，此时，AFF辅助电容器150和AFF电容器160同时完成电量锁存；当进行放电时，开关控制及监测单元100的控制信号Ctrl”发出开关K”闭合信号，使触点11-12，和13-14闭合，AFF电容器从正电极，经触点11-12，负载R，触点13-14，负电极形成回路，实现基本的负载应用。②、充电前准备，连接AC-DC，或DC-DC方式提供的充电电源110与组态开关140之间的充电电缆120，该电缆120经充电电缆端头141，开关K，K’分别与AFF电容器160和AFF辅助电容器150的正，负电极的输出端，同极性两两连接；可对两个以上相同参数的AFF电容器单元同极性并联连接，实现更大容量的AFF电容器组同时充电；③、当AFF电容器160处于无存储，或非饱和，或满电量状态时，可以进行充电，直至将电容器电量充满；充电时，如果AFF处于关(OFF)状态，在直流充电正向偏压开关143的作用下，将AFF电容器160和AFF辅助电容器150反转为开(ON)状态，此时，由于AFF电容器和AFF辅助电容器150内电介质薄膜磁电阻陡然下降，使电介质材料内部电荷容易并迅速聚集到电极表面端，并使其电极表面电能密度显著增加，上升至饱和状态；④、对于低压下的AFF电容器160和AFF辅助电容器150，组态开关模块140内，可以直接选用高速开关器件，使得反向偏压时间关断最短，如市场上的ns级的高速开关；⑤、对于高压下的AFF电容器160和AFF辅助电容器150，组态开关模块140内，可以选用串联组合的开关器件，在这种组合中，其中至少包括一个以上PCSS和一个以上开关器件SW，并且这种组合能够承受2倍以上最大充电电压的；这种组合可以使得反向偏压时间关断最短，如(图3-a)示意的串联开关K1，如继电器开关JS，和ns级光导PCSS开关K2组合的开关控制，实际有效导通时间为ns级的光导PCSS开关时间(图3-b)；在ns级的组合开关控制时，可将反向偏压导致的热释放降到很低的程度，而不需要特殊的散热处理；这种技术方法主要在AFF电容器进行电量锁存时应用；⑥、在反向偏压作用进程中，从施加偏压的高速开关器件，到AFF辅助电容器150和AFF电容器160的正、负端电极之间，器件和电路通道均采用尽量宽的，相互平行的，片式线路，并使器件、触点、电容器之间距离最短，在电路拐弯处有足够的R角，具有抗外干扰的结构，达到低感抗效果；这种结构对于实现高电压下的高速反向偏压信号的正常开关非常重要；⑦、未能使AFF状态处于关(OFF)状态的AFF电容器，如停电或设备故障等原因导致未能完成AFF关(OFF)状态过程，不具有电量锁存功能，将可能发生较大的漏电现象；⑧、开关控制及监测单元100可以对组态开关模块140内的各个开关进行同步信号控制，发出时序精确组合的状态控制信号，检测必要的控制点，判断充电各个进程，对上述过程进行全程指令控制和监测，并以智能或人机交互方式，如确定充电，放电和电量锁存的全进程，检测AFF电容器电压升降的快慢，漏电流的大小，确定AFF电容器的ON/OFF状态，以及充电锁存是否成功等；⑨、反向偏压施加时间时间越长，导致AFF电容器电量损耗越大，甚至耗尽；⑩、施加足够短时间的反向偏压，造成AFF电容器极板表面的一部分电荷能量的流失，表现为电量锁存之前和之后的电压相比有一定程度的下降(图3-c)，并且相同参数的AFF电容器160和AFF辅助电容器150电压同等下降，如充电时，电容器达到2000V的直流电压，反向偏压后，它们可能会下降到1800-1980V之间，但是AFF电容器160和AFF辅助电容器150的电极表面依然可以保持大部分的电量；当AFF电容器160和AFF辅助电容器150超过使用温度临界范围，将导致AFF电容器电量锁存失效；当AFF电容器160和AFF辅助电容器150从温度临界范围外回到临界值内范围时，须重新进行AFF特性充电，确定极性，其电量锁存功能随其恢复；两个完成充电的AFF电容器一般不能带电直接串联使用，如果实现串联应用，须事先将AFF电容器存储的电量放净；有些充电情况下，如多个AFF电容器并联组成的电池，由于制冷/散热条件的限制，或过大的用电参数，可能超过电网的规定范围，可采用小电流的充电方式，慢速充电；慢速充电要花费很长时间，如果在充电中会由于某种原因，如停电，终止充电，此时，AFF充电装置将自动启动备用电源，并且完成锁存功能；备用电源可以由另外的AFF电容器组成；在充电，放电和存放时，考虑到AFF特性，AFF充电器和AFF电容器应该避免在高频的电磁和强磁场环境下，以及强烈振动，(硬物的)撞击等条件下进行，即使采取了一定的防范措施；放电170模式，具有AFF电量锁存功能的电容器(或电池)可以与应用负载电阻171组成一个基本的放电电路；在AFF电容器自身电压作用下，电荷经过应用负载171形成回路，经过放电，电容器极板电量密度逐渐降低，直至为零；有些放电情况下，如过高的AFF电压参数不能满足实际应用的电压规定要求，需要将电压，如直流2000V，转换为电子产品和汽车等常用的直流电压3V、5V、6V、12V、24V、36V等，可采用高压转换到低压的(DC-DC)技术方法，同理，在实际应用中会遇到将直流高压逆变并降压为交流电压(DC-AC)情况，如直流2000V变为交流220V；这样会增加充电器应用后端转换模块中的成本和技术复杂程度；充电器可以对一个或一组AFF电容器160进行单路充电，在充电时，要与充电器内部的AFF辅助电容器150同时充电，当充电工作进程结束后，进入电量锁存工作进程时，充电器内部设计的AFF辅助电容器150作为反向偏压源，对AFF电容器160施加短暂的反向偏压，完成电量锁存；充电器也可以对两个或两组AFF电容器分别进行双路充电，此时AFF电容器160代表其中一个或一组AFF电容器，AFF辅助电容器150代表另一个或另一组AFF电容器，当充电工作进程结束后，进入电量锁存工作进程，此时将两个或两组AFF电容器的电极端通过组态开关控制，各自将自身充电电压互为对方电容器的反向偏压，经过施加短暂的反向偏压后，同时断开两组AFF电容器之间的反向偏压连接，完成各自的电量锁存，并且这两组AFF电容器剩余电压相等。