本发明涉及一种储能设备， 特别是涉及一种基于超级电容器的后备 储能模块。 背景技术

随着科学的发展和社会的进歩， 对于例如计算机、 医疗器械、 通信 设备之类的电气设备， 一方面需要向其提供高质量、 干扰少的交流电源， 另一方面也要求当正常的市网供电中断后，能 够立即启动后备电源系统向 该电气设备提供电源一段时间 （一般为几秒至几十分钟）， 维持电气设备 继续工作一段时间， 以执行数据保存、正常关机等相关操作， 这样可以避 免突然断电时导致电气设备的数据丢失以及非 正常关机对电气设备的损 坏。为了满足这两方面的要求， 已研发了多种基于容量为法拉级的超级电 容器 (Supercapacitor or Ultracapacitor)的后备储能电源应用于供电系统。

传统的后备储能电源一般使用铅酸蓄电池作为 储能元件， 但铅酸蓄 电池存的应用可靠性和稳定性都不高，难以满 足长时间、稳定工作的需要。 特别是， 铅酸蓄电池的使用寿命（包括充放电寿命和浮 充电寿命）短、 大 电流放电特性差、 维护工作量大、 使用环境要求高等。 发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于超 级电容器的储能 模块， 能够提供稳定的输出电源。

根据本发明的一个方面， 提供一种基于超级电容器的后备储能模块， 包括：可充电的超级电容器组，包括多个串联 连接的子电容器组；充电器， 被构造成为所述超级电容器组提供充电电流； 以及均衡模块，被构造成使 所述超级电容器组中的具有最高电压的第一子 电容器组对具有最低电压 的第二子电容器组放电，直至第一子电容器组 和第二子电容器组的电压大 致相同。

在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所 述均衡模块包括：多个 电压检测器， 被构造成检测每个子电容器组两端的电压； 控制器， 被构造 成根据所述电压检测器检测的电压识别出具有 最高电压的第一子电容器 组和具有最低电压的第二子电容器组； 以及放电单元，被构造成根据来自 所述控制器的驱动信号将所述第一子电容器组 和第二子电容器组电连接， 以使所述第一子电容器组对所述第二子电容器 组放电。

在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所 述放电单元包括：第一 切换开关，被构造成接受所述控制器的驱动信 号以执行切换操作； 以及第 一变换器，被构造成根据所述第一切换开关的 切换操作使所述第一子电容 器组通过所述第一变换器对所述第二子电容器 组放电。

上述基于超级电容器的后备储能模块进一歩包 括：第二切换开关，所 述充电器的输入端通过所述第二切换开关与市 电电源或直流电源电连接。

上述基于超级电容器的后备储能模块进一歩包 括：连接至所述超级电 容器组的输出端的第三变换器， 以产生直流输出电源。

上述基于超级电容器的后备储能模块进一歩包 括：连接至所述超级电 容器组的输出端的第二变换器和第三切换开关 ，由所述超级电容器组输出 的直流电压经所述第二变换器转换成交流电压 之后经第三切换开关输出 交流电源。

上述基于超级电容器的后备储能模块进一歩包 括：连接在所述第二切 换开关和第三切换开关之间的稳压器。

在上述基于超级电容器的后备储能模块中，每 个子电容器组由至少一 个超级电容器通过串联、 并联和串并联的方式组合而成。

在上述基于超级电容器的后备储能模块中， 所述超级电容为 C/C对 称型超级电容器、 C/Ni OH^不对称型超级电容器、 C/LiMn ₂ 0 ₄ 不对称型 超级电容器、锂离子超级电容器、和 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器中的一种。

在上述基于超级电容器的后备储能模块中，所 述充电器对所述超级电 容器组充电的模式包括： 对所述超级电容器组以小于或等于 10A电流进 行慢速充电； 以及对所述超级电容器组以大于 10A电流进行快速充电。

上述基于超级电容器的后备储能模块进一歩包 括：用于与其它储能模 块串联或并联连接的扩展接口。

根据本发明的基于超级电容器的后备储能模块 ，可以根据应用场合的 要求， 设计成不同的后备储能模块， 来满足不同放电功率、不同放电持续 时间的要求；本发明将长寿命、大电流充放电 特性好的超级电容器应用于 后备储能模块中， 可以确保该储能模块作为后备电源长期、稳定 、高效地 工作。 附图说明

本发明将参照附图来进一歩详细说明， 其中：

图 1是根据本发明的示例性实施例的储能模块的� �理方框图； 图 2是图 1中所示的均衡模块的示例性实施例的原理方� �图； 以及 图 3是图 2中所示的均衡模块的执行均衡过程时的原理� �框图。 具体实施方式

虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充 分描述本发明，但在此 描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改 本文中所描述的发明，同时 获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的 描述对本领域的普通技术人 员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制 本发明所描述的示例性实施 例。

本发明的储能模块可应用于例如计算机、 医疗器械、 通信设备、 家 用电器之类的电气设备， 当正常的市网供电中断后，能够立即启动作为 后 备电源系统的本发明的储能模块向该电气设备 提供电源，维持电气设备继 续工作一段时间， 以执行数据保存、 正常关机等相关操作。

图 1是根据本发明的示例性实施例的储能模块的� �理方框图， 图 2是 图 1中所示的均衡模块的示例性实施例的原理方� �图， 以及图 3是图 2中所 示的均衡模块的执行均衡过程时的原理方框图 。该储能模块， 包括： 可充 电的超级电容器组， 包括多个串联连接的子电容器组 、 C ₂ 、 和 C _n; 充电器， 被构造成为所述超级电容器组提供充电电流； 以及均衡模块， 被 构造成使多个超级电容器组 、 c ₂ 、 c _n _ nc _n 中的具有最高电压的第一子 电容器组（例如第 1个电容器组 Q)对具有最低电压的第二子电容器组（例 如第 J个电容器组 q ) 放电， 直至第一子电容器组 Q和第二子电容器组 q 的电压大致相同。 在本发明基于超级电容器的后备储能模块的进 一歩实施例中，均衡模 块包括：例如电压表之类的多个电压检测器， 被构造成检测每个子电容器 组两端的电压； 控制器， 该控制器接收每个电压检测器检测的电压， 并根 据所述电压检测器检测的电压识别出具有最高 电压的第一子电容器组 Q 和具有最低电压的第二子电容器组 C _{j ;} 以及放电单元， 被构造成根据来 自所述控制器的驱动信号将第一子电容器组 Q和第二子电容器组 q电连 接， 以使所述第一子电容器组 对所述第二子电容器组 q放电。 在本发 明中， 超级电容器 (Supercapacitor or Ultracapacitor) 的容量为法拉级。 根 据超级电容器容量的大小，每个子电容器组可 以由至少一个超级电容器通 过串联、 并联和串并联的方式组合而成。

更进一歩地， 放电单元包括： 第一切换开关， 被构造成接受所述控制 器的驱动信号以执行切换操作； 以及第一变换器，被构造成根据所述第一 切换开关的切换操作使所述第一子电容器组通 过所述第一变换器对所述 第二子电容器组放电。 第一变换器为 DC/DC (直流-直流） 变换器。

可以理解， 在本发明的串联连接的子电容器组 Ci、 c ₂ 、 c _n _^n c _n 中， 第一子电容器组并不一定是第一个子电容器组 而可以是任一一个子 电容器组 C _1; 同样地， 第二子电容器组并不一定是第二个子电容器组 C ₂ ， 而可以是除第一子电容器组 之外的任一一个子电容器组 q。

在本发明的基于超级电容器的后备储能模块中 ，经充电器对超级电容 器组进行充电之后，只要通过电压检测器检测 出存在充电电压不相同的两 个子电容器组，平衡模块中的控制器就会控制 放电单元在储能模块内部实 现这两个子电容器组之间的充放电操作，以使 得这两个子电容器组的电压 相等。这样，平衡模块可以在储能模块内部实 现各个子电容器组之间的电 压平衡， 从而使储能模块输出稳定的供电电源。

本发明的基于超级电容器的储能模块进一歩包 括：第二切换开关，所 述充电器的输入端通过所述第二切换开关与例 如交流电压为 220 伏的市 电电源或直流电源电连接，这样本发明的储能 模块即可以采用市电电源也 可以采用直流电源进行充电。

本发明的基于超级电容器的储能模块进一歩包 括：连接至所述超级电 容器组的输出端的第三变换器， 以产生直流输出电源。 第三变换器为 DC/DC (直流-直流） 变换器。 另外， 超级电容器组的输出端还连接有第 二变换器和第三切换开关，由所述超级电容器 组输出的直流电压经所述第 二变换器转换成交流电压之后经第三切换开关 输出交流电源。第二变换器 为 DC/AC (直流-交流） 变换器。 这样， 本发明的储能模块可以根据实际 需要向电气设备提供直流或者交流电源。

进一歩地，在所述第二切换开关和第三切换开 关之间连接稳压器， 以 使储能模块输出稳定的电压。

在本发明的储能模块中， 所述超级电容为 C/C对称型超级电容器、 C/Ni OH^不对称型超级电容器、 C/LiMn ₂ 0 ₄ 不对称型超级电容器、 锂离 子超级电容器和 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器中的一种。 充电器对所述超级 电容器组充电的模式包括： 对所述超级电容器组以小于或等于 10A电流 进行慢速充电的慢速模式； 以及对所述超级电容器组以大于 10A电流进 行快速充电的快速模式。 根据后备储能模块的放电功率及持续时间的不 同， 可选用相应的超级电容器。若放电功率高、持 续时间在几十秒钟之内 的， 可选用 C/C对称型超级电容器； 若放电功率中等、 持续时间在几十 分钟之内， 可选用 C/Ni OH 不对称型超级电容器； 若放电功率低、 持续 时间在几小时至数十小时之内，可选用 C/LiMn ₂ 0 ₄ 不对称型超级电容器单 体、 锂离子超级电容器和 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器。

本发明的基于超级电容器的储能模块进一歩包 括：用于与其它储能模 块串联或并联连接的扩展接口，通过这种扩展 接口可以将多个储能模块串 联或者并联起来。

实例 1

如图 1所示， 在超级电容为 C/C对称型超级电容器的情况下， 可以 将 18只 C/C对称型超级电容串联组合起来形成超级电容 器组，即每个子 电容器组包括一个 C/C对称型超级电容器。 每个 C/C对称型超级电容的 额定电压为 2.7V, 静电容量为 3000F (法拉）。在这种结构的储能模块中， 均衡模块能将每个超级电容器的实际电压偏离 所有超级电容器的平均电 压的偏差值控制在 ±80mV以内， 将充电器调节为快速充电模式， 充电电 流为 200A, 充电时间只需 20秒。 这样， 基于 C/C对称型超级电容器的 项目 参数

工作电压 （V) 24〜48V 静电容量 （F) 167

直流内阻 Οη Ω ) 7. 6 工作温度范围 （°c ) -40〜65 表 1

对于这种基于 C/C对称型超级电容器的后备储能模块， 当对外部电气 设备的放电功率为 5KW时， 可以持续时间为 25〜28秒； 当对外部电气 设备的放电功率为 10KW时， 可以持续时间为 10〜12秒； 当对外部电气 设备的最大峰值放电功率为 70KW, 可以持续时间为 1秒。 由此可见， 此 后备储能模块具有优秀的高功率放电特性。

实例 2

如图 1所示，在超级电容为 C/Ni OH^不对称型超级电容器的情况下， 可以将 32只 C/Ni OH^不对称型超级电容器串联组合起来形成超级 电容 器组， 即每个子电容器组包括一个 C/Ni OH 不对称型超级电容器。每个 C/Ni OH^不对称型超级电容器的额定电压为 1.5V, 静电容量为 80000F (法拉）。 在这种结构的储能模块中， 均衡模块能将每个超级电容器的实 际电压偏离所有超级电容器的平均电压的偏差 值控制在 ±50mV以内，将 充电器调节为快速充电模式， 充电电流为 200A, 充电时间只需 3分钟。 这样，基于 C/Ni OH^不对称型超级电容器的储能模块的具体参数 如下表 2所示：

表 2 对于这种基于 C/Ni OH^不对称型超级电容器的后备储能模块， 当对 外部电气设备的放电功率为 2KW时， 可以持续时间为 13〜15分钟； 当 对外部电气设备的放电功率为 4KW时， 可以持续时间为 5〜6分钟。 由 此可见，此后备储能模块具有在中等放电功率 下持续工作几分钟至十几分 钟的特性。

实例 3:

如图 1所示， 在超级电容为 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器的情况下， 可 以将 24只 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器串联组合起来形成超级 电容器组，即 每个子电容器组包括一个 C/Pb0 ₂ 不对称型超级电容器。每个 C/Pb0 ₂ 不对 型超级电容器的额定电压为 2.0V, 静电容量为 370000F (法拉）。 在这种 结构的储能模块中，均衡模块能将每个超级电 容器的实际电压偏离所有超 级电容器的平均电压的偏差值控制在 ±60mV以内，将充电器调节为快速 充电模式， 充电电流为 200A, 充电时间只需 25分钟。这样， 基于 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器的储能模块的具体参数如下 表 3所示：

表 3

对于这种基于 C/Pb0 ₂ 不对型超级电容器的后备储能模块， 当对外部 电气设备的放电功率为 500W时，可以持续时间为 6小时左右； 当对外部 电气设备的放电功率为 1000W时， 可以持续时间为 2.5小时左右。 由此 可见， 此后备储能模块具有在低放电功率下持续工作 几个小时的特性。

根据本发明的基于超级电容器的后备储能模块 ， 可以根据应用场合 的要求， 设计成不同的后备储能模块， 来满足不同放电功率、不同放电持 续时间的要求； 本发明将长寿命、大电流充放电特性好、免维 护的超级电 容器应用于后备储能模块中，可以确保该储能 模块作为后备电源长期、稳 定、 高效地工作。 另外， 根据本发明的后备储能模块， 使用寿命长， 能保证使用时间 在 10〜20年； 放电功率范围宽， 可实现高功率（几千瓦至几十千瓦）和低 功率（几瓦至几百瓦）放电； 可实现快速充电， 充电时间在几十秒至几分 种之间； 能自动实现对超级电容器电压进行均衡， 并对过电流、过温度进 行保护； 可以实现交流电与直流电输入， 交流电与直流电的输出。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实 施例都是示例性的，并 且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种 实施例中所描述的结构在不 发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进 行自由组合，从而在解决本 发明的技术问题的基础上， 实现更多种后备储能模块。

在详细说明本发明的较佳实施例之后，熟悉本 领域的技术人员可清楚 的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与 精神下可进行各种变化与改 变， 且本发明亦不受限于说明书中所举示例性实施 例的实施方式。