專利名稱：一種陶瓷電容器的充電方法
技術領域：
本發(fā)明內(nèi)容涉及電量儲能領域，一種對具有電量鎖存功能的陶瓷電容器進行充電 的電路暨裝置。
背景技術：
自1800年意大利科學家伏達(Vlota)發(fā)明的電化學電池問世以來，基于電化學電 池的各類產(chǎn)品已經(jīng)應用到人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦械脑S多領域，其中應用最為廣泛的是鉛酸 電池。屬于電化學的鉛酸電池腐蝕性強，對環(huán)境污染嚴重，保養(yǎng)成本高，充電時間長，使 用壽命短，并且單位重量存儲電量指標較低，往往不能滿足許多方面的更高的應用要求。以后，人類陸續(xù)開發(fā)了鎳金屬類電池(包括鎳-鎘(Ni-Cad)，鎳-鋅(Ni-Z)和 鎳-氫電池)，鋰電池，燃料電池，太陽能電池等。這些電池雖然相對鉛酸電池在某些性能上 有所改善，但是一些基本問題依然存在，如防爆安全問題，電量記憶效應，低的轉換效率， 一般為1-3年的有限使用壽命，較長的充電時間，以及產(chǎn)品自身成本和維護成本高，化學腐 蝕性強，對環(huán)境的污染等。上述類型的電池應用中，基于電化學原理的電池占據(jù)了目前產(chǎn)品的主要市場。以前，基于物理電容器原理的電池研究由于漏電快，存儲電量低，體積大，有些 (如含鉛)材料還對環(huán)境污染造成較大影響等等原因，阻礙了其商業(yè)應用，長期處于停滯狀 態(tài)。隨著技術進步，由于人們對電容器機理有了新的認識，一種具有電量鎖存功能的 陶瓷電容器將解決上述物理電池帶來的性能缺陷，從而為電池發(fā)展帶來新的機會。本發(fā)明描述了一種針對具有電量鎖存功能的陶瓷電容器暨物理電池進行的特殊 充電方法。具有電量鎖存功能的陶瓷電容器使用的電介質核心材料是分子復合的粉體，這 是一種鈣鈦類反鐵磁分子材料類(antiferromagnetism，AFM)與四方相鐵電分子材料 類(Ferroelectrics tetragonal, FET)相復合的新型結構材料(Antiferromagnetism & Ferroelectrics,簡稱AFM-FET，或AFF)，其典型代表之一是錳氧化合物和鈦酸鋇粉體復合 的材料。由AFF材料制作的電介質膜，與電極和絕緣組成的電容器稱為AFF電容器暨充電 陶瓷電池。這種電容器最大的特點在于在電場方向的作用下，AFF復合結構可以發(fā)生磁電阻 的巨大變化，從而實現(xiàn)分子級別的電路開關控制。這種開關特性可以使得AFF陶瓷電容器，在AFF處于ON的狀態(tài)下，對電容器進行 充電，使電荷聚集在電極表面；在AFF處于OFF狀態(tài)下，當外部電場去掉后，將電極表面電荷 阻擋在高介電材料的外部，有效防止了快速反向漏電現(xiàn)象的發(fā)生，使電量得以長期保存。根據(jù)AFF的材料上述特性和電容器結構要求，本發(fā)明描述了一種對AFF電容器進 行充電的方法，對于配合AFF電容器應用，具有現(xiàn)實意義。
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目前市場上有許多類型的充電器，如鋰電池和鉛酸電池充電器；本專利與這些電 池充電裝置的不同之處在于1、針對AFF開關特性進行的特殊控制，而這種特性是其他電 池所沒有的；2、描述了 AFF電容器進行快速充電，放電，以及磁電阻發(fā)生轉變過程中，采取 特殊的信號控制和散熱措施3、描述了一種常規(guī)開關器件SW與光導開關(WioteConductive Semiconductor Switches,PCSS)串聯(lián)組合，以及在結構上集成的技術方法，如繼電器JS和 PCSS組合，可以極大的減少電量鎖存時產(chǎn)生的能量損失，并且減少成本，為高壓AFF電容器 的應用提供了實用技術。關于上述內(nèi)容的歷史、現(xiàn)狀和技術進展，有大量文獻和資料可供參考，其中包括路 秋生《常用充電器電路與應用》(2005年，機械工業(yè)出版社)。此外，目前為止，在國內(nèi)外公開的資料和消息中，還未見有關此類AFF充電器的報道。由于本專利描述的有關AFF電池充電器的技術內(nèi)容，其關鍵在于對其相關核心材 料AFF粉體和薄膜取得的重要認識，本專利文件中將同時介紹其中一些重要的物理作用機 理，其目的是便于對本專利的理解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了一種陶瓷電容器充電電路暨裝置的方法。這種裝置(

圖1)至少包 括開關控制及監(jiān)測單元100，以AC-DC，或DC-DC方式提供的充電電源110，充電電纜120， 散熱裝置130，組態(tài)開關模塊140，至少一個(或一組)AFF輔助電容器150，至少一個(或一 組)AFF電容器(電量存儲體)160，放電170模塊；其中開關控制及監(jiān)測單元100，包括對組態(tài)開關模塊140內(nèi)的所有開關器件進行 器件關斷的同步信號控制及充電過程的監(jiān)測，以及必要的備用電源；其中充電電纜120和散熱裝置130模塊，至少在進行大功率快速充電時，充電電纜 120需要采用制冷措施，如使用水冷電纜，由散熱裝置130提供制冷器以及制冷循環(huán)控制裝 置；其中組態(tài)開關模塊140，至少包括充電電纜端頭141，充電/放電開關142，正向偏 壓開關143，反向偏壓開關144，低感抗開關通道145，放電電纜端接146等；其中反向偏壓開關144，至少包括關斷時間在IOns以內(nèi)的獨立高速開關器件，或 串聯(lián)組合的高速開關器件；其中串聯(lián)組合的高速開關器件至少包括一個以上的光導開關(PCSS)與一個以上 的常規(guī)開關器件串聯(lián)；其中低感抗開關通道145包括；在反向偏壓作用過程中，從高速開關器件到至少 一個(或一組)AFF輔助電容器150和至少一個(或一組)AFF電容器(電量存儲體)160 的正、負端電極之間的器件和電路通道；其中放電模塊170包括，DC-DC和DC-AC類型的電源轉換模塊171，以及放電負載 172 ；電路特性及方法如下，①、AFF輔助電容器150和AFF電容器160遵循鐵電材料電滯回線基本規(guī)律和要 求，基本電路如圖2所示；
充電方法描述如下，充電前，開關控制及監(jiān)測單元100的控制信號Ctrl”發(fā)出開關K”斷開信號，使觸 點11-12，和13-14斷開；在充電時，Ctrl發(fā)出開關K閉合信號，使觸點7-8，和9_10閉合；同時，開關控制及 監(jiān)測單元100信號控制源Ctrl’發(fā)出開關K’右向閉合信號，使觸點1-3，和2_4閉合；此時 充電器的電場U對AFF輔助電容器150和AFF電容器160同時充電；當充電完成后，開關控制及監(jiān)測單元100的控制信號Ctrl發(fā)出開關K斷開信號， 使觸點7-8，和9-10斷開；然后，信號Ctrl’發(fā)出開關K’左閉合信號，使觸點3-5，和4-6閉 合；此時，AFF輔助電容器150與AFF電容器160充電電壓互為對方的反向偏壓，短時間后， 信號Ctrl’再次發(fā)出開關K’斷開信號，使觸點3-5，和4-6斷開，此時，AFF輔助電容器150 和AFF電容器160同時完成電量鎖存；當進行放電時，開關控制及監(jiān)測單元100的控制信號Ctrl”發(fā)出開關K”閉合信號， 使觸點11-12，和13-14閉合，AFF電容器從正電極，經(jīng)觸點11_12，負載R，觸點13-14，負電 極形成回路，實現(xiàn)基本的負載應用。②、充電前準備，連接AC-DC，或DC-DC方式提供的充電電源110與組態(tài)開關140之 間的充電電纜120，該電纜120經(jīng)充電電纜端頭141，開關K，K’分別與AFF電容器160和 AFF輔助電容器150的正，負電極的輸出端，同極性兩兩連接；可對兩個以上相同參數(shù)的AFF 電容器單元同極性并聯(lián)連接，實現(xiàn)更大容量的AFF電容器組同時充電；③、當AFF電容器160處于無存儲，或非飽和，或滿電量狀態(tài)時，可以進行充電，直 至將電容器電量充滿；充電時，如果AFF處于關(OFF)狀態(tài)，在直流充電正向偏壓開關143 的作用下，將AFF電容器160和AFF輔助電容器150反轉為開(ON)狀態(tài)，此時，由于AFF電 容器和AFF輔助電容器150內(nèi)電介質薄膜磁電阻陡然下降，使電介質材料內(nèi)部電荷容易并 迅速聚集到電極表面端，并使其電極表面電能密度顯著增加，上升至飽和狀態(tài)；④、對于低壓下的AFF電容器160和AFF輔助電容器150，組態(tài)開關模塊140內(nèi)，可 以直接選用高速開關器件，使得反向偏壓時間關斷最短，如市場上的ns級的高速開關；⑤、對于高壓下的AFF電容器160和AFF輔助電容器150，組態(tài)開關模塊140內(nèi)，可 以選用串聯(lián)組合的開關器件，在這種組合中，其中至少包括一個以上PCSS和一個以上開關 器件SW，并且這種組合能夠承受2倍以上最大充電電壓的；這種組合可以使得反向偏壓時 間關斷最短，如(圖3-a)示意的串聯(lián)開關K1，如繼電器開關JS，和ns級光導PCSS開關K2 組合的開關控制，實際有效導通時間為ns級的光導PCSS開關時間(圖3-b)；在ns級的組 合開關控制時，可將反向偏壓導致的熱釋放降到很低的程度，而不需要特殊的散熱處理；這 種技術方法主要在AFF電容器進行電量鎖存時應用；⑥、在反向偏壓作用進程中，從施加偏壓的高速開關器件，到AFF輔助電容器150 和AFF電容器160的正、負端電極之間，器件和電路通道均采用盡量寬的，相互平行的，片式 線路，并使器件、觸點、電容器之間距離最短，在電路拐彎處有足夠的R角，具有抗外干擾的 結構，達到低感抗效果；這種結構對于實現(xiàn)高電壓下的高速反向偏壓信號的正常開關非常
重要；⑦、未能使AFF狀態(tài)處于關(OFF)狀態(tài)的AFF電容器，如停電或設備故障等原因導 致未能完成AFF關(OFF)狀態(tài)過程，不具有電量鎖存功能，將可能發(fā)生較大的漏電現(xiàn)象；
⑧、開關控制及監(jiān)測單元100可以對組態(tài)開關模塊140內(nèi)的各個開關進行同步信 號控制，發(fā)出時序精確組合的狀態(tài)控制信號，檢測必要的控制點，判斷充電各個進程，對上 述過程進行全程指令控制和監(jiān)測，并以智能或人機交互方式，如確定充電，放電和電量鎖存 的全進程，檢測AFF電容器電壓升降的快慢，漏電流的大小，確定AFF電容器的0N/0FF狀 態(tài)，以及充電鎖存是否成功等；⑨、反向偏壓施加時間時間越長，導致AFF電容器電量損耗 越大，甚至耗盡；⑩、施加足夠短時間的反向偏壓，造成AFF電容器極板表面的一部分電荷 能量的流失，表現(xiàn)為電量鎖存之前和之后的電壓相比有一定程度的下降(圖3-c)，并且相 同參數(shù)的AFF電容器160和AFF輔助電容器150電壓同等下降，如充電時，電容器達到2000V 的直流電壓，反向偏壓后，它們可能會下降到1800-1980V之間，但是AFF電容器160和AFF 輔助電容器150的電極表面依然可以保持大部分的電量；◎、當AFF電容器160和AFF輔助電容器150超過使用溫度臨界范圍，將導致AFF 電容器電量鎖存失效； 、當AFF電容器160和AFF輔助電容器150從溫度臨界范圍外回到臨界值內(nèi)范 圍時，須重新進行AFF特性充電，確定極性，其電量鎖存功能隨其恢復； 、兩個完成充電的AFF電容器一般不能帶電直接串聯(lián)使用，如果實現(xiàn)串聯(lián)應用， 須事先將AFF電容器存儲的電量放凈； 、有些充電情況下，如多個AFF電容器并聯(lián)組成的電池，由于制冷/散熱條件 的限制，或過大的用電參數(shù)，可能超過電網(wǎng)的規(guī)定范圍，可采用小電流的充電方式，慢速充 電； 、慢速充電要花費很長時間，如果在充電中會由于某種原因，如停電，終止充電， 此時，AFF充電裝置將自動啟動備用電源，并且完成鎖存功能；備用電源可以由另外的AFF 電容器組成； 、在充電，放電和存放時，考慮到AFF特性，AFF充電器和AFF電容器應該避免在 高頻的電磁和強磁場環(huán)境下，以及強烈振動，(硬物的)撞擊等條件下進行，即使采取了一 定的防范措施； 、放電170模式，具有AFF電量鎖存功能的電容器(或電池)可以與應用負載電 阻171組成一個基本的放電電路；在AFF電容器自身電壓作用下，電荷經(jīng)過應用負載171形 成回路，經(jīng)過放電，電容器極板電量密度逐漸降低，直至為零；O、有些放電情況下，如過高的AFF電壓參數(shù)不能滿足實際應用的電壓規(guī)定要求， 需要將電壓，如直流2000V，轉換為電子產(chǎn)品和汽車等常用的直流電壓3V、5V、6V、12V、MV、 36V等，可采用高壓轉換到低壓的(DC-DC)技術方法，同理，在實際應用中會遇到將直流高 壓逆變并降壓為交流電壓(DC-AC)情況，如直流2000V變?yōu)榻涣?20V;這樣會增加充電器 應用后端轉換模塊中的成本和技術復雜程度； 、充電器可以對一個或一組AFF電容器160進行單路充電，在充電時，要與充電 器內(nèi)部的AFF輔助電容器150同時充電，當充電工作進程結束后，進入電量鎖存工作進程 時，充電器內(nèi)部設計的AFF輔助電容器150作為反向偏壓源，對AFF電容器160施加短暫的 反向偏壓，完成電量鎖存； 、充電器也可以對兩個或兩組AFF電容器分別進行雙路充電，此時AFF電容器 160代表其中一個或一組AFF電容器，AFF輔助電容器150代表另一個或另一組AFF電容器，當充電工作進程結束后，進入電量鎖存工作進程，此時將兩個或兩組AFF電容器的電極 端通過組態(tài)開關控制，各自將自身充電電壓互為對方電容器的反向偏壓，經(jīng)過施加短暫的 反向偏壓后，同時斷開兩組AFF電容器之間的反向偏壓連接，完成各自的電量鎖存，并且這 兩組AFF電容器剩余電壓相等。利用本發(fā)明方法可以指導多個領域的專業(yè)技術人員制作出多種以AFF材料為應 用核心電介質材料的基于本充電器功能等同的產(chǎn)品，并且應用于其他方面的系統(tǒng)設備和產(chǎn)品。電路及器件AFF電容器內(nèi)部電介質結構的核心，即AFF材料結構。通常鐵電材料除了極化特性，遵循其鐵電材料特有的電滯回線規(guī)律外，還有突出 的高電介質特性，尤其是形成典型的鐵電陶瓷晶界半導體結構，其優(yōu)點是其視在介電常數(shù) 大，這為提高陶瓷電池充電性能提供了重要幫助。如果沒有AFF結構，通常一旦去掉外部電場作用，在電極端聚集的電荷很快經(jīng)過 介質回漏掉了。因此，沒有AFF結構的器件，如常規(guī)電容器，僅能應用在一般應用電路中，不 能應用于長時間斷電情況下的電量儲存。AFF材料是一種由反鐵磁AFM材料和四方相鐵電FET材料復合的功能分子材料，可 在電場正反向作用下，表現(xiàn)出磁電阻的開關效應。例如在磁電阻的開狀態(tài)，外部電壓可以將 高密度的電荷聚集到電極表面；在磁電阻的關狀態(tài)，可以有效防止電極上的電荷反流到電 介質中，這樣即保證了高密度的電荷存儲，又防止了電荷的流失。當然，AFF電容器由于工藝原因，也可能導致較大的漏電，甚至短路，如材料密度 松弛，雜質，材料參數(shù)不當?shù)?，這些可以通過工藝技術進行改進，如提純，熱等靜壓等技術組 合；盡管AFF電容器在具體應用中設計參數(shù)和形式上可能有所不同，但是基本的AFF電容器 的機理作用是不改變的。通常的充電器功能模塊一般包括充電電源，狀態(tài)監(jiān)測，充電、放電和散熱等控制模 塊。AFF充電器與常規(guī)充電器明顯的不同之處在于增加了 1、AFF狀態(tài)關(OFF)到AFF開 (ON)狀態(tài)狀態(tài)轉換控制；2、AFF狀態(tài)開(ON)到AFF狀態(tài)關(OFF)狀態(tài)轉換控制；3、快速充 電中可能存在的散熱措施等。在實際應用中，根據(jù)以上原型系統(tǒng)是不夠的，更多的是根據(jù)應用要求選用更合理 的元器件，并且組合出適用不同應用需求的AFF充電電路或裝置。在對AFF電容器施加反向偏壓時，對于大容量的高壓AFF電容器，往往瞬時釋放出 大量熱能，按照AFF機理，只要所施加的反向偏壓大于或等于AFF電容器，理論上小于Ins 即可完成AFF狀態(tài)的反轉，但是在市場上很難找到尤其是大功率的，這樣快速的開關器件。 這樣直接應用將不得不以犧牲更多的能量為代價換取AFF狀態(tài)的反轉。例如AFF電容器 單獨采用觸點類的真空開關類，這類開關器件的瞬時開關時間通常較長，不利于在反向偏 壓作用下減少電量損失。而采用串聯(lián)的SW/PCSS組態(tài)開關技術，如繼電器JS/PCSS組合，可 以實現(xiàn)在AFF反轉中僅有很小的能量損失掉，這點對于實現(xiàn)大能量存儲的AFF電容器十分 重要。在反向偏壓作用進程中，快速開斷時間是十分重要的。一般在Ims的關斷時間內(nèi)， AFF電容器電量損失在12%以上。而在Ins的時間完成關斷將使得這種損失小于1 %。SW/PCSS組態(tài)開關關斷時間是IOns以內(nèi)，電量損失在1-7%以內(nèi)。目前市場上有售的大功率器件IGBT的開關時間約為1ms，如英國DYNEX公司的 DIM400XSM65-K,最大電壓6500V，最大電流400A。在瞬時開-斷周期2ms情況下，對于3000V 的AFF電容器，電量損失約為15%以上，這是不可取的。對于一個大功率的光導開關PCSS，如砷化鎵GaAs可在20GHz頻率下發(fā)出電脈沖 信號，以極快的速度對電路進行開關，目前它的最大電壓可達50000V，瞬時電流1100A，開 關使用次數(shù)在IO7以上，開關上升沿頂部可以小于2ns，導通底部脈沖寬度約為30ns，理論 能量轉換率逼近100%，實際損耗約為1-7%左右，這是市場上有售的非?？斓墓β书_關器 件，但是，由于這種器件在高壓的持續(xù)狀態(tài)下，漏電較大，不能單獨作為保持開關使用，而常 規(guī)開關器件，如繼電器可在高壓狀態(tài)下長期保持，漏電很小。所以，當PCSS與繼電器開關JS 串聯(lián)使用時，可以彌補各自的不足。JS/PCSS串聯(lián)組合使用(圖3-a)的例子對于5000V的DC充電電壓，JS開關分壓 為50-70%，PCSS分壓為30-50%，JS開通時間由信號源Sl發(fā)出開通信號開始，在JS器件 Kl開通約半程時(圖3-b)，由PCSS信號源S2發(fā)出延遲的同步信號，觸發(fā)PCSS器件K2開 通，并且完成開通后，PCSS信號源立即發(fā)出關斷K2信號，在JS器件Kl開通約后半程時段 內(nèi)，PCSS已經(jīng)完成K2關斷，最后由JS器件信號源Sl發(fā)出關斷Kl信號。通常對于有觸點的高壓開關器件SW，要注意電弧以及電極燒蝕對應用的影響，但 是由于JS是在PCSS開通之前開通，在PCSS關斷之后關斷，所以對JS觸點沒有燒蝕的風險。通常電路存在著感抗，對于高速器件的正常關斷影響很大，所以對于反向偏壓作 用時的相關電路應保證結構合理，如縮短線路距離，加寬線路寬度，甚至將一些開關，如繼 電器內(nèi)部觸點和導線進行必要的改造，并采取將相關組件集成一體的封裝等措施都可以將 電感降到最低。開關SW和光導開關PCSS器件都可以在技術上實現(xiàn)小型化，如用光纖觸發(fā)砷化鎵 GaAs技術，因此可以將SW/PCSS集成，結構小型化，制作出低感抗的高速器件是完全可能 的。不難看出，這種集成開關器件組離需充電的AFF電容器距離越近越好。所以這種 充電電路裝置要實現(xiàn)“充電電源_電纜-AFF充電裝置-AFF電容器”的順序結構更為合理。由于AFF電容器結構和機理，可以實現(xiàn)很快快速充電，但實際上達到是有一定限 制的，原因之一是在大電流充電作用下，一般電纜難以承受，必然要產(chǎn)生大量的熱，這種熱 若傳導到AFF電容器內(nèi)部，超過AFF電容器規(guī)定的溫度范圍，將使其失去電量鎖存功能。為防止這種情況，必須事先對應用系統(tǒng)需求，對AFF電容器應用參數(shù)，通過設計， 實驗，計算和綜合評估，最后決定采取何種技術措施，如對大功率的AFF電容器進行快速充 電，采取帶有水冷散熱的器件和水冷電纜，即使這樣，對AFF電容器進行快速充電，時間上 還是要適當限制。按照不同應用要求，AFF充電電路可以制作并且變化出各種各樣不同的實際電路， 其中可能變化最多的是開關控制及監(jiān)測模塊100，即在芯片控制下，甚至可能是在CPU的控 制和監(jiān)測下進行的全程管理，如對開關組件時序的精確控制，對必要的散熱期間進行的智 能預估和控制，對當前電容器，電纜溫度的檢測，電壓電量的檢測，AFF鎖存狀態(tài)檢測，AFF 電容器參數(shù)的調用，數(shù)據(jù)和狀態(tài)的顯示· ·等等，都會對AFF電容器完成充電，尤其是電量鎖存過程質量控制和方便其應用產(chǎn)生重要影響。由于AFF電容器特點是在高壓下完成能量存儲，AFF電容器安全使用是最為重要 的，充電電纜端頭141，放電電纜端頭146，充電/放電開關142，必要的接地，以及開關控制 及監(jiān)測模塊100對進程的監(jiān)測等，都可以將使用AFF電容器的不安全因素降到最低。綜上所述，以上描述的AFF電容器充電器特殊的控制模塊特性和功能結構，這是 依據(jù)AFF電介質粉體的特性，實現(xiàn)的電量鎖存功能，這是目前常規(guī)充電電路中所沒有過的。應用根據(jù)AFF電容器的特性和作用機理設計的充電電路裝置，可以嵌入到有AFF電容 器應用的電路中，如集成的微電子電路，可以獨立的成為各種電子設備中AFF電容器(電 池)的充電特殊單元。在半導體集成電路，筆記本電腦，手機，吸塵器、電動扳手等工具設備 等領域，以及如不間斷電源(UPS)等方面，都可能陸續(xù)應用到基于AFF電容器原理的充電電 路或充電單元。通過AFF充電裝置或設備，AFF電容器充電時間僅在分秒之間即可完成，而且具有 漏電小的優(yōu)點。隨著AFF電容器普及應用，AFF電容器可以組成更大容量的陶瓷電池，有希望成為 全電動交通工具的下一代動力源，而對應于這種電池，AFF充電電路及設備是不可缺少的。AFF電容器充電電路可以激發(fā)許多創(chuàng)新性的設計，例如，大容量高壓高速開關器件 的小型并集成化，以及微容量低壓高速開關器件的發(fā)展，以及在微電子，超導，醫(yī)學領域的 許許多多的新技術應用。此外，由于AFF電容器暨陶瓷電池可以應用到尖端的航空航天器領域，以及風能 發(fā)電，太陽能發(fā)電中的電量存儲裝置中，也可以應用在城市局域電網(wǎng)內(nèi)的用電(高、低)峰 谷期間的調控等方面，相對應的AFF電容器充電技術都是不可缺少的。前述概要，包含必要的，簡化的，概括并且可能遺漏的細節(jié)。因此，這些內(nèi)容僅是簡 要說明。其中所披露的內(nèi)容和作法，如顯而易見的技術原理和知識，可能離開本項發(fā)明及其 伸延內(nèi)容，經(jīng)過變相和修改被加以實施或引用。本發(fā)明的特點和優(yōu)點已在權利要求書中加 以界定，載于下文的詳細說明包括權利非限制的內(nèi)容。圖紙簡要說明目前的發(fā)明有可能通過下列說明和所附的圖紙加深理解，其中包括圖形、文字和 符號等標志其結構、屬性和功能。圖1是一個示意圖，表明了 AFF電容器充電設備的基本組成結構。圖2是一個示意圖，表明了 AFF電容器充電和電量鎖存基本電路。圖3是一個示意圖，表明了高速串聯(lián)JS/PCSS組態(tài)開關基本連接(圖3-a)，JS/ PCSS時序關系(圖3-b)，以及實現(xiàn)充電-電量鎖存過程的電壓能量和時間變化關系(圖 3_c) ο圖4是一個示意圖，表明了一個可完成電量鎖存功能的實際例子。 實施例以下為實施例，進一步描述了本發(fā)明內(nèi)容，但是本發(fā)明并不受以下實施例的限制。本專利目前對AFF電容器充電器的工藝和技術描述，可以適合許多不同參數(shù)性能和類型的具有AFF特性的系統(tǒng)加以應用，因為它容易被熟練掌握此類技術的人員所理解。因此，雖然在應用上強調利用以下工藝和技術可以制作出AFF電容器充電器，例 如電能儲存充電裝置，但是相同或相似的技術和工藝，可以用來制造其他類型的功能性應 用系統(tǒng)。在AFF充電器原型結構基礎上，以下描述了一個可完成電量鎖存功能的實際例子。電路圖4是一個在圖2基礎上，對一個大功率AFF電容器進行充電鎖存的具體實 例。直流充電電源電壓U :4000V, K為充電/停止/放電三位置(紅色)手柄開關，其 中觸點1和觸點4接通，觸點5和觸點8接通，為充電接通；觸點2和觸點4接通，觸點6和 觸點8接通，為停止接通；觸點3和觸點4接通，觸點7和觸點8接通，為放電接通；KJ為繼 電器驅動開關，JS為繼電器開關，PCSSl，PCSS2為光導開關，IGBT為柵控開關，Li，L2為水冷 電纜，Cl，C2為參數(shù)相同的AFF電容器，DC-DC轉換模塊將AFF電容器的約近直流VQUT4000V 轉換為直流24V電壓，Si，S2，S3，S4, S5為開關信號控制/檢測單元100對組態(tài)開關模塊 相應開關器件的同步控制信號，R為負載電阻，KJ繼電器和開關信號控制/檢測單元100的 電源V’為自備電源(可以是AFF類型的電容器電源)。充電前，所有開關器件為空，或斷開狀態(tài)除KJ間接的輔助電路外，所有開關器件及線路，接頭耐壓至少為AFF電容器最大 充電電壓的2倍以上，即8000V(圖3-c)；其中JS開關耐壓為AFF電容器最大充電電壓的 100-140 %，PCSSl，PCSS2 分壓為 60-100 %。過程如下充電電路控制將紅色開關K的手柄位置扳到“充電”位置后，開關K的觸點1和 觸點4，觸點5和觸點8接通，開關K為充電閉合狀態(tài)；同時，開關IGBT的信號源Sl和S2發(fā) 出閉合信號，開關IGBT處于導通狀態(tài)；此時充電電源Uin，開始對AFF電容器Cl和C2充電。當完成對AFF電容器Cl和C2充電后，(裝置或人工)將紅色開關K的手柄位置 扳到“停止”位置，開關K的觸點2和觸點4，觸點6和觸點8接通，開關K為停止充電狀態(tài)； 此時充電結束。在完成充電后，立即對AFF電容器進行鎖存處理。開關IGBT的信號源Sl和S2發(fā) 出關閉信號后，完成開關IGBT的斷開；信號源S3發(fā)出接通信號，開關KJ接通，導致JS繼電 器線圈吸合，開關觸點9和10觸點，觸點11和12導通，在繼電器觸點導通時間約近半程時， PCSSl和PCSS2開關在信號源S4和S5發(fā)出閉合信號后，發(fā)出光激發(fā)脈沖，導致光導開關高 速導通；此時，AFF電容器Cl和C2各自以自身充電電壓向對方電容器施加反向偏壓；經(jīng)過 ns級的導通后，PCSSl和PCSS2器件在信號源S4和S5發(fā)出斷開信號，光導開關高速斷開； JS繼電器在信號源S4和S5發(fā)出斷開信號后，S3發(fā)出斷開信號，KJ開關斷開，繼電器JS開 關觸點斷開，電量鎖存結束?？焖俪潆娺^程中，使用水冷電纜Li，L2，并且啟動制冷循環(huán)裝置。當充電結束后， 停止循環(huán)制冷。放電電路控制，將紅色開關K的手柄位置扳到“放電”(應用)位置后，開關K的觸 點3和觸點4，觸點7和觸點8接通，開關K為放電應用閉合狀態(tài)；
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兩個并聯(lián)的AFF電容器向DC-DC轉換模塊提供近4000V的直流電源，經(jīng)過DC-DC 變換為直流24V電源輸出到應用負載，這些負載可以是驅動交通工具的直流電動機，照明 設備，移動的計算機系統(tǒng)等。在放電應用中，可以在緊急情況下，將紅色手柄開關扳到“停止”位置，相當于急停 開關作用。本例由于采用了串聯(lián)JS/PCSS組合開關技術，反向偏壓施加時間極短，電能損失 很小，所以反向偏壓電路，可以不考慮采取散熱保護措施。在全程控制中，應注意Sl和S2，S3和S4和S5信號源的有序同步。串聯(lián)JS/PCSS組態(tài)開關，其中PCSS的信號源S4和S5之間的同步開關時間段必須 嵌入在JS的開關時間段內(nèi)(圖3-b)。利用AFF電容器Cl和AFF電容器C2互向對方施加反向偏壓時，必須斷開充電電 源Uin，避免外界干擾可能引起的控制上的誤操作。雖然以上發(fā)明內(nèi)容已被具體和明確的描述，但其發(fā)明的各種變化和修改，可能會 被變相成為一種可以熟練掌握的技術，這種有意涵蓋了本發(fā)明的各種變化和修改，屬于本 專利附加的權利要求。
權利要求
1. 一種陶瓷電容器充電電路暨裝置的方法。這種裝置(圖1)至少包括開關控制及 監(jiān)測單元100，以AC-DC，或DC-DC方式提供的充電電源110，充電電纜120，散熱裝置130，組 態(tài)開關模塊140，至少一個(或一組)AFF輔助電容器150，至少一個(或一組)AFF電容器 (電量存儲體)160，放電170模塊；其中開關控制及監(jiān)測單元100，包括對組態(tài)開關模塊140內(nèi)的所有開關器件進行器件 關斷的同步信號控制及充電過程的監(jiān)測，以及必要的備用電源；其中充電電纜120和散熱裝置130模塊，至少在進行大功率快速充電時，充電電纜120 需要采用制冷措施，如使用水冷電纜，由散熱裝置130提供制冷器以及制冷循環(huán)控制裝置； 其中組態(tài)開關模塊140，至少包括充電電纜端頭141，充電/放電開關142，正向偏壓開 關143，反向偏壓開關144，低感抗開關通道145，放電電纜端接146等；其中反向偏壓開關144，至少包括關斷時間在IOns以內(nèi)的獨立高速開關器件，或串聯(lián) 組合的高速開關器件；其中串聯(lián)組合的高速開關器件至少包括一個以上的光導開關(PCSS)與一個以上的常 規(guī)開關器件串聯(lián)；其中低感抗開關通道145包括；在反向偏壓作用過程中，從高速開關器件到至少一個 (或一組)AFF輔助電容器150和至少一個(或一組)AFF電容器(電量存儲體)160的正、 負端電極之間的器件和電路通道；其中放電模塊170包括，DC-DC和DC-AC類型的電源轉換模塊171，以及放電負載172 ； 電路特性及方法如下，①、AFF輔助電容器150和AFF電容器160遵循鐵電材料電滯回線基本規(guī)律和要求，基 本電路如圖2所示；充電方法描述如下，充電前，開關控制及監(jiān)測單元100的控制信號Ctrl”發(fā)出開關K”斷開信號，使觸點 11-12，和 13-14 斷開；在充電時，Ctrl發(fā)出開關K閉合信號，使觸點7-8，和9-10閉合；同時，開關控制及監(jiān)測 單元100信號控制源Ctrl’發(fā)出開關K’右向閉合信號，使觸點1-3，和2_4閉合；此時充電 器的電場U對AFF輔助電容器150和AFF電容器160同時充電；當充電完成后，開關控制及監(jiān)測單元100的控制信號Ctrl發(fā)出開關K斷開信號，使觸 點7-8，和9-10斷開；然后，信號Ctrl'發(fā)出開關K’左閉合信號，使觸點3-5，和4-6閉合； 此時，AFF輔助電容器150與AFF電容器160充電電壓互為對方的反向偏壓，短時間后，信 號Ctrl’再次發(fā)出開關K’斷開信號，使觸點3-5，和4-6斷開，此時，AFF輔助電容器150和 AFF電容器160同時完成電量鎖存；當進行放電時，開關控制及監(jiān)測單元100的控制信號Ctrl”發(fā)出開關K”閉合信號，使 觸點11-12，和13-14閉合，AFF電容器從正電極，經(jīng)觸點11_12，負載R，觸點13-14，負電極 形成回路，實現(xiàn)基本的負載應用。②、充電前準備，連接AC-DC，或DC-DC方式提供的充電電源110與組態(tài)開關140之間 的充電電纜120，該電纜120經(jīng)充電電纜端頭141，開關K，K’分別與AFF電容器160和AFF 輔助電容器150的正，負電極的輸出端，同極性兩兩連接；可對兩個以上相同參數(shù)的AFF電 容器單元同極性并聯(lián)連接，實現(xiàn)更大容量的AFF電容器組同時充電；③、當AFF電容器160處于無存儲，或非飽和，或滿電量狀態(tài)時，可以進行充電，直至將 電容器電量充滿；充電時，如果AFF處于關(OFF)狀態(tài)，在直流充電正向偏壓開關143的作 用下，將AFF電容器160和AFF輔助電容器150反轉為開(ON)狀態(tài)，此時，由于AFF電容器 和AFF輔助電容器150內(nèi)電介質薄膜磁電阻陡然下降，使電介質材料內(nèi)部電荷容易并迅速 聚集到電極表面端，并使其電極表面電能密度顯著增加，上升至飽和狀態(tài)；④、對于低壓下的AFF電容器160和AFF輔助電容器150，組態(tài)開關模塊140內(nèi)，可以直 接選用高速開關器件，使得反向偏壓時間關斷最短，如市場上的ns級的高速開關；⑤、對于高壓下的AFF電容器160和AFF輔助電容器150，組態(tài)開關模塊140內(nèi)，可以 選用串聯(lián)組合的開關器件，在這種組合中，其中至少包括一個以上PCSS和一個以上開關器 件SW，并且這種組合能夠承受2倍以上最大充電電壓的；這種組合可以使得反向偏壓時間 關斷最短，如(圖3-a)示意的串聯(lián)開關K1，如繼電器開關JS，和ns級光導PCSS開關K2組 合的開關控制，實際有效導通時間為ns級的光導PCSS開關時間(圖3-b)；在ns級的組合 開關控制時，可將反向偏壓導致的熱釋放降到很低的程度，而不需要特殊的散熱處理；這種 技術方法主要在AFF電容器進行電量鎖存時應用；⑥、在反向偏壓作用進程中，從施加偏壓的高速開關器件，到AFF輔助電容器150和AFF 電容器160的正、負端電極之間，器件和電路通道均采用盡量寬的，相互平行的，片式線路， 并使器件、觸點、電容器之間距離最短，在電路拐彎處有足夠的R角，具有抗外干擾的結構， 達到低感抗效果；這種結構對于實現(xiàn)高電壓下的高速反向偏壓信號的正常開關非常重要；⑦、未能使AFF狀態(tài)處于關(OFF)狀態(tài)的AFF電容器，如停電或設備故障等原因導致未 能完成AFF關(OFF)狀態(tài)過程，不具有電量鎖存功能，將可能發(fā)生較大的漏電現(xiàn)象；⑧、開關控制及監(jiān)測單元100可以對組態(tài)開關模塊140內(nèi)的各個開關進行同步信號控 制，發(fā)出時序精確組合的狀態(tài)控制信號，檢測必要的控制點，判斷充電各個進程，對上述過 程進行全程指令控制和監(jiān)測，并以智能或人機交互方式，如確定充電，放電和電量鎖存的全 進程，檢測AFF電容器電壓升降的快慢，漏電流的大小，確定AFF電容器的0N/0FF狀態(tài)，以 及充電鎖存是否成功等；⑨、反向偏壓施加時間時間越長，導致AFF電容器電量損耗越大，甚至耗盡；⑩、施加足夠短時間的反向偏壓，造成AFF電容器極板表面的一部分電荷能量的流失， 表現(xiàn)為電量鎖存之前和之后的電壓相比有一定程度的下降(圖3-c)，并且相同參數(shù)的AFF 電容器160和AFF輔助電容器150電壓同等下降，如充電時，電容器達到2000V的直流電壓， 反向偏壓后，它們可能會下降到1800-1980V之間，但是AFF電容器160和AFF輔助電容器 150的電極表面依然可以保持大部分的電量；O、當AFF電容器160和AFF輔助電容器150超過使用溫度臨界范圍，將導致AFF電容 器電量鎖存失效； 、當AFF電容器160和AFF輔助電容器150從溫度臨界范圍外回到臨界值內(nèi)范圍時， 須重新進行AFF特性充電，確定極性，其電量鎖存功能隨其恢復； 、兩個完成充電的AFF電容器一般不能帶電直接串聯(lián)使用，如果實現(xiàn)串聯(lián)應用，須事 先將AFF電容器存儲的電量放凈； 、有些充電情況下，如多個AFF電容器并聯(lián)組成的電池，由于制冷/散熱條件的限制， 或過大的用電參數(shù)，可能超過電網(wǎng)的規(guī)定范圍，可采用小電流的充電方式，慢速充電； 、慢速充電要花費很長時間，如果在充電中會由于某種原因，如停電，終止充電，此 時，AFF充電裝置將自動啟動備用電源，并且完成鎖存功能；備用電源可以由另外的AFF電 容器組成； 、在充電，放電和存放時，考慮到AFF特性，AFF充電器和AFF電容器應該避免在高頻 的電磁和強磁場環(huán)境下，以及強烈振動，(硬物的)撞擊等條件下進行，即使采取了一定的 防范措施； 、放電170模式，具有AFF電量鎖存功能的電容器(或電池)可以與應用負載電阻 171組成一個基本的放電電路；在AFF電容器自身電壓作用下，電荷經(jīng)過應用負載171形成 回路，經(jīng)過放電，電容器極板電量密度逐漸降低，直至為零； 、有些放電情況下，如過高的AFF電壓參數(shù)不能滿足實際應用的電壓規(guī)定要求，需要 將電壓，如直流2000￥，轉換為電子產(chǎn)品和汽車等常用的直流電壓3￥、5￥、6￥、12￥、2斬、36￥ 等，可采用高壓轉換到低壓的(DC-DC)技術方法，同理，在實際應用中會遇到將直流高壓逆 變并降壓為交流電壓(DC-AC)情況，如直流2000V變?yōu)榻涣?20V;這樣會增加充電器應用 后端轉換模塊中的成本和技術復雜程度；Θ、充電器可以對一個或一組AFF電容器160進行單路充電，在充電時，要與充電器內(nèi) 部的AFF輔助電容器150同時充電，當充電工作進程結束后，進入電量鎖存工作進程時，充 電器內(nèi)部設計的AFF輔助電容器150作為反向偏壓源，對AFF電容器160施加短暫的反向 偏壓，完成電量鎖存；⑩、充電器也可以對兩個或兩組AFF電容器分別進行雙路充電，此時AFF電容器160 代表其中一個或一組AFF電容器，AFF輔助電容器150代表另一個或另一組AFF電容器，當 充電工作進程結束后，進入電量鎖存工作進程，此時將兩個或兩組AFF電容器的電極端通 過組態(tài)開關控制，各自將自身充電電壓互為對方電容器的反向偏壓，經(jīng)過施加短暫的反向 偏壓后，同時斷開兩組AFF電容器之間的反向偏壓連接，完成各自的電量鎖存，并且這兩組 AFF電容器剩余電壓相等。
2.權利要求1，其中串聯(lián)的JS/PCSS組態(tài)開關技術(圖3)，PCSS的信號源S4和S5之 間的同步開關時間段必須嵌入在JS的開關時間段內(nèi)(圖3-b)，JS開通時間由JS的信號源 Sl發(fā)出開通信號開始，在JS器件Kl開通約半程時，由PCSS信號源S2發(fā)出延遲的同步信 號，觸發(fā)PCSS器件K2開通，并且完成開通后，PCSS信號源S2立即發(fā)出關斷K2信號，在JS 器件Kl開通約后半程時段內(nèi)，PCSS已經(jīng)完成K2關斷，然后由JS器件信號源Sl發(fā)出關斷 Kl信號；串聯(lián)JS/PCSS組態(tài)開關。
3.權利要求1，其中對涉及充電中反向偏壓作用過程的相關器件，包括線路，開關內(nèi) 部，進行線路平行，縮短線路距離，加寬線路寬度等必要的結構改造，并采取集成一體的封 裝措施將電路內(nèi)電感降到最低。
4.權利要求1，其中包括充電電路裝置實現(xiàn)“充電電源-電纜-AFF充電裝置-AFF電容 器”的順序結構，并且AFF充電裝置與AFF電容器距離最近。
5.權利要求1，其中專用的控制管理單元(含芯片)，包括CPU的控制和監(jiān)測下進行的 全程管理，如對開關組件時序的精確控制，過程的智能控制，對電容器，電纜溫度的檢測， 電壓電量的檢測，AFF鎖存狀態(tài)檢測，數(shù)據(jù)和狀態(tài)的顯示等。
6.權利要求1，其中包括在高壓AFF電容器的充電中，使用安全的充電電纜端頭141，放電電纜端頭146，充電/放電開關142，殼接地等措施，不安全因素降到最低。如在緊急情況 下，將充電/放電開關142手柄扳到“停止”位置，相當于急停開關作用。
7.權利要求1，其中在快速充電過程中，使用水冷電纜Li，L2，并且啟動制冷循環(huán)裝置 130。當充電結束后，停止循環(huán)制冷。
8.權利要求1，串聯(lián)的SW/PCSS組態(tài)開關技術，PCSS至少包括以下一種，GaAs，InP,CSi 類型以及它們的摻雜物材料制作而成的各類光導開關等。
9.權利要求2，在PCSS關-斷過程中，上升沿小于2ns，脈沖底部寬度小于30ns。
10.權利要求1，其中反向偏壓的相關開關器件，電路耐壓為AFF電容器最大充電電壓 的2倍以上。
全文摘要
一種針對具有電量鎖存功能的AFF陶瓷電容器進行充電的技術方法。這種充電方法至少包括使AFF電容器實現(xiàn)開狀態(tài)(ON)和關狀態(tài)(OFF)之間的轉換，以及采取反向偏壓技術和串聯(lián)SW/PCSS組合開關技術，實現(xiàn)AFF電容器在低損耗下的電量鎖存功能。
文檔編號H02J15/00GK102118064SQ201010000010
公開日2011年7月6日 申請日期2010年1月4日 優(yōu)先權日2010年1月4日
發(fā)明者縱堅平 申請人:縱堅平