专利名称：用于产生、储存及输送电能的装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于产生、储存及输送电能的装 置。本发明还涉及一种如权利要求14前序部分所述的产生、储存及输送电能的方法。
背景技术：
现有技术中存在不依赖电网就可运行的应用。这类应用主要适合于偏远地区和/ 或难以接近的区域，例如传感器应用。为了给这样的应用供电，可以让它们包含有所谓的能 量收集组件。其中，“能量收集”是指从周围的能源如环境温度、光、振动或气流中转换能量。 由于周围并非总是存在能源，无法借助这些能量收集组件来持续产生能量，因此，上述应用 往往都具有储存单元，可以储存能量收集组件所产生的电能，就算能量收集组件不工作，也 能为这些应用供电。这种应用公开自WO 2007/082168A2，其揭示了一种用于能量收集、产生和储存能 量并将能量输送到电负载上的装置与方法，特别适用于偏远地区或无法接近的区域。该装 置优选包括一或多个能源、至少一个用于为电负载供电的双层电容器作为储存单元和至少 一个作为应急电源的蓄电池。此外还设有用于控制该装置的控制单元。能量的储存(即， 为储存单元充电以及将能量输送到储存单元上)优选采用动态和可变设计，储存单元无法 输出电能时可为其充电。用电荷泵来为双层电容器充电，电荷泵特定而言从低功率能源中 收集电能，同时可以更高的电压将这部分能量输送到电负载上。此外还设有用以监测储存 单元的电能含量的构件，借助电能含量可对充电时的频率进行调节。此外，也可将两个双层 电容器予以电性串联或并联。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于产生、储存及输送电能的装置与方法，借助于这二 者可以可靠、有效地为用电设备供电。在装置方面，本发明用以达成上述目的的解决方案是权利要求1所述的特征。在 方法方面，本发明用以达成上述目的的解决方案是权利要求14所述的特征。从属权利要求涉及的是本发明的有利设计方案。本发明用于产生、储存和/或输送电能的装置包括至少一个能源、用于储存所述 能量的至少一个第一储存单元和第二储存单元以及控制单元。根据本发明，为第一储存单 元充电时，可将第二储存单元的电能输送给第一储存单元。其优点在于，这样也能为充电时 有预定最小充电电流要求的储存单元充电。所述能源优选是可为电气应用，特别是位于偏远且难以接近的区域的电气应用独 立供电的能量收集组件。由于该能量收集组件的功率较小，可以将所产生的电能先输送给充电时没有最小 充电电流要求的第二储存单元(特别是电解电容器)，其中，根据本发明一种特别有利的改 进方案，所述控制单元包括一充电电路，通过该充电电路可以对向第二储存单元输送电能以及从第二储存单元向第一储存单元输送电能的操作进行控制。特定而言可对充电电流和 /或充电电压进行控制，以便可靠地将电能储存在第一储存单元中。根据本发明的一种设计方案，所述第一储存单元和第二储存单元类型不同，其中， 第一储存单元优选是双层电容器而非传统的蓄电池，双层电容器具有极高的能量密度，所 需的安装空间较小。将第一储存单元实施为双层电容器，第二储存单元实施为电解电容器的优点在 于，不必再用蓄电池来储存电能，从而可以延长所述装置的使用寿命。此外，电容器的使用 寿命受温度影响很小。此外，所述电容器设计可以实现大量的充、放电循环。相对于蓄电 池而言，电容器作为储能器的另一优点在于，电容器的有毒物质比蓄电池少，因而更便于处理。根据本发明的一种改进方案，所述第二储存单元的储存容量小于所述第一储存单 元的储存容量。所述能源和所述储存单元与用电设备相连，高功率用电设备可由第一储存 单元输电，低功率用电设备可由第二储存单元输电，这样就可以使用电需求较小的用电设 备很快进入备用状态，因为第二储存单元的充电时间短，这样可以提前达到运行用电设备 所需的电压水平。为了确保低功率用电设备在第二储存单元的各种充电状态下都能进行工作，设有 电压调节器，借此可对运行低功率用电设备所需的电压水平进行自动调节。其中，所述用电设备至少包括传感器和/或通信单元，这样就可借助所述通信单 元将所述传感器所检测到的数据(例如环境数据)传输给控制中心。根据本发明一种特别有利的改进方案，所述充电电路包括一用于为所述第二储存 单元充电的开关稳压器，该开关稳压器是脉冲电流源。脉冲电流源效率很高，可将双层电容 器充电至比电解电容器高的电压，从而可以达到储存附加能量的目的。此外，第一储存单元 (特别是双层电容器)和/或第二储存单元可在输出能量的同时接收电能。另设有一检测单元，通过该检测单元可检测所述储存单元特别是第二储存单元的 充电状态。其优点在于，借此可以不间断地提供足以用来运行低功率用电设备的电能。所述用于产生、储存和/或输送电能的装置还可用来为分散设备尤其是控制设 备、传感器、传感器网络、发射器、接收器、机组和/或驱动器供电，从而使这些设备的工作 可以不依赖于电网。综上所述，本发明的装置、本发明的方法及其设计方案可以在连续运行低功率用 电设备的同时为高功率用电设备至少短期供电。通过将所述储存单元设计成不同类型，可 以提供足够的能量并达到要求的最低电压水平。
下文将借助附图对本发明的实施例进行详细说明，其中图1为一个用于产生、储存和/或输送电能的装置的框图，该装置包括至少一个设 计为能量收集元件的能源。
具体实施例方式这唯一的一个附图1中展示的是一个用于产生、储存和/或输送电能的装置，该装置包括至少一个设计为能量收集元件的能源1。下面将借助图1来对本发明的装置、本发明 的方法及其有利设计方案进行合并说明。上述装置主要适用于那些位于难以接近的区域且不依赖于电网进行工作的应用。能源1(即能量收集元件)可以是太阳能电池、压电设备、热电发电器或其他可以 考虑采用的能源，它们利用周围的能源如环境温度、光、振动或气流产生电能。在本发明的 一个未图示实施例中，设有多个能源1，这些能源1优选利用不同的周围能源产生电能。这 样可以降低因没有可用的周围能源而无法产生电能的概率。能量收集元件一般只产生较小的可输出功率，因而特别适用于低电耗或输入功率 较小的应用。特别是传感器应用，例如用于检测环境数据的传感器应用。因此，所述装置还包括一或多个作为低功率用电设备2的传感器，这些传感器可 以是温度传感器、加速度传感器、气体传感器或其他类型的传感器。这些传感器工作时只需 要较小的功率，通常不依赖于电网工作，因为比如在工业设备中，有大量线缆连接到电源是 一种不理想的状况。为传感器独立供电的另一方便之处在于，即使这些传感器位于难以接近的区域 (例如地震区域)，也能为其供电。应用上述装置来为地震检测设备供电时，可借助独立于电网之的能源1来为多个 传感器(尤其是振动传感器)或传感器网络供电。这些振动传感器优选采用彼此间可以进 行通信(即数据交换)的布置方式，从而在由多个传感器检测到振动时，可以触发报警。此外，所述装置还适合用来为其他环境参数的监测设备(例如在水域中测量水质 的设备或森林火灾检测设备)供电。通过用所述用于产生、储存和/或输送电能的装置来 为这类设备供电，可以有利地在很长一段时间内(特别是持续多年地)实现可靠工作与供 H1^ ο所述装置还可为电气娱乐设备(例如电视机或音响设备)供电。在此情况下，优 选可用热偶发电器来将使用者手部的热量转换成电能，通过操纵某个按钮来触发该热偶发 电器，这样就可省去供电所常用的电池或蓄电池。为了方便控制中心对传感器所检测到的数据进行分析，所述装置还包括至少一个 作为高功率用电设备3的通信单元，借助该通信单元可将检测到的数据传输给控制中心。 这个通信单元可根据具体应用采用不同的数据输送系统和/或数据输送标准，例如GSM (全 球移动通信系统)、WLAN(无线局域网)或其他无线电网络。但由于并不总是存在周围能源，例如阳光或风，因而无法利用所述能量收集组件 来持续产生能量。出于这一原因，所述装置还包括第一储存单元4和第二储存单元5，能源 1(即能量收集组件)所产生的电能可储存在这些储存单元内。储存单元4和5是电容器，其中，第一储存单元4是双层电容器。双层电容器的能 量密度极大，因而电容也很大。第二储存单元5是电解电容器。与蓄电池相比，作为电能储存单元的电容器首先具有更长的使用寿命，从而可以 使所述装置可靠性高，维护方便，这对于上文所述的在难以接近区域的应用而言非常有利。 其次，电容器受温度影响小，所需要的充电电路和充电方法相对较为简单。两个储存单元4和5具有不同的储存容量，第二储存单元5 (即电解电容器)的储 存容量小于第一电容器4(即双层电容器)的储存容量。
本发明的方法是将能源1所产生的电能直接输送给第二储存单元5并储存在其 中。设有控制单元6以便用这种方式为第二储存单元5充电，该控制单元包括充电电 路6. 1，借此可以对向第二储存单元5输送电能的操作进行控制。特定而言，借助充电电路 6. 1可对能源1所输出的电能的电压及电流进行调节。为了确保所述传感器在第二储存单元5的各种充电状态及电压水平下都能进行 工作，第二储存单元和传感器之间布置有电压调节器7，借助于该电压调节器可对第二储存 单元5所输出的电能的电压水平进行调节。但是，储存在第二储存单元5中的能量往往不足以用来运行高功率用电设备3 (即 通信单元)。出于这个原因，所述装置包括了储存容量较大的第一储存单元4，即双层电容器。借助充电电路6. 1用储存在第二储存单元5中的电能为该双层电容器充电，其中， 只有当第一检测单元6. 2检测到第二储存单元5处于最低充电状态时，才为第一储存单元4 充电。这样就可有利地确保第二储存单元5中总是存在足以用来运行所述传感器的能量。检测单元6. 2优选是控制单元6的组成部分，例如实施为分立的监测电路或低功 率微控制器。之所以将第一储存单元4和第二储存单元5设计成不同类型(即，设置电容较大 的双层电容器和电容较小的电解电容器)并且用第二储存单元5的电能为第一储存单元4 充电，存在多方面的原因。首先，为双层电容器充电时需要有一个最小充电电流，这个充电电流可能超过所 述能源(即能量收集组件)的输出电流。出于这个原因，本发明方法的第一步是将能源1 所产生的电能储存在不受最小充电电流限制的第二储存单元5(电解电容器)中。将这部 分电能转充到双层电容器时，可以借助充电电路6. 1至少在短时间内实现大得多的电流， 这个电流至少与所述最小充电电流相符。其中，充电电路6. 1与一个脉冲电流源形式的开关稳压器8相连。这个脉冲电流 源效率很高，因此在将储存在第二储存单元5中的电能转充到第一储存单元4时，只会损失 一小部分电能。通过为第一储存单元4分批充电来达到转充时短时获得大于最小充电电流 的电流这一目的。为了确保用电设备3在第一储存单元4的各种充电状态及电压水平下都能进行工 作，第一储存单元和用电设备3之间布置有电压调节器9，借助于该电压调节器可对第一储 存单元4所输出的能量的电压水平进行调节。所述脉冲电流源还可实现第二电流源5(即电解电容器)充、放电的同时进行。这 样也可以在为所述电解电容器充电的电能从该电解电容器输出时为所述双层电容器充电。使用上述两种电容器的另一原因在于，双层电容器中的电压在充电过程中的上升 速度比电解电容器中的电压慢得多。但是运行低功率用电设备2需要有一个最低电压，由 于电解电容器的储存容量相对较小，电解电容器中会很快产生这个最低电压。由于所述装置和控制中心之间很少通信，所以有更多的时间可以用来为双层电容 器充电。
权利要求
1.一种用于产生、储存和/或输送电能的装置，包括至少一个能源(1)、用于储存所述 能量的至少一个第一储存单元(4)和一第二储存单元(5)以及一控制单元(6)，其特征在 于，所述第二储存单元(5)与所述第一储存单元电性相连，为所述第一储存单元(4) 充电时，可将所述第二储存单元(5)的电能输送给所述第一储存单元G)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一储存单元(4)和所述第二储存单元( 类型不同。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制单元(6)包括一充电电路(6. 1)，通过所述充电电路可以对向所述第二储存 单元(5)输送电能以及从所述第二储存单元(5)向所述第一储存单元⑷输送电能的操作 进行控制。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 可将所述能源(1)的电能输送给所述第二储存单元(5)。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二储存单元(5)的储存容量小于所述第一储存单元的储存容量。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述能源(1)是一能量收集组件。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述能源(1)和所述储存单元0和幻与多个用电设备0和幻相连，其中，高功率用 电设备C3)可由所述第一储存单元(4)输电，低功率用电设备( 可由所述第二储存单元 (5)输电。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述第一储存单元(4)是一双层电容器。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述第二储存单元( 是一电解电容器。
10.根据权利要求7至9中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，设有一电压调节器(7)，借助所述电压调节器可自动调节至一运行一低功率用电设备 (2)所需的电压水平。
11.根据权利要求3至10中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述充电电路(6. 1)包括一用于为所述第二储存单元(5)充电的开关稳压器(8)，其 中，所述开关稳压器(8)是一脉冲电流源。
12.根据权利要求1至11中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，设有一检测单元(6. 2)，通过所述检测单元可检测所述储存单元0和幻的一充电状态。
13.根据权利要求7至12中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述用电设备O和幻包括传感器和/或通信单元。
14.一种产生、储存和/或输送由至少一个能源(1)产生的电能的方法，其中，用至少一 个第一储存单元(4)和一第二储存单元( 储存所述电能，用一控制单元(6)控制所述产 生、储存和/或输送操作，其特征在于，在一第一步骤中将所述能源(1)所产生的能量储存在所述第二储存单元(5)中，在一 第二步骤中借助一充电电路(6. 1)用储存在所述第二储存单元(5)中的电能来为所述第一 储存单元(4)充电。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，超过所述第二储存单元( 可被一检测单元(6. 2)检测到的最低充电状态时，为所述 第一储存单元(4)充电。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，由所述第一储存单元(4)为高功率用电设备C3)供电，由所述第二储存单元(5)为低 功率用电设备⑵供电。
17.根据权利要求14至16中任一项权利要求所述的方法，其特征在于， 在所述第一储存单元(4)输出电能的同时为其输送电能。
18.根据权利要求14至17中任一项权利要求所述的方法，其特征在于， 在所述第二储存单元( 输出电能的同时为其输送电能。
19.一种根据权利要求1至13中任一项权利要求所述的装置的用途，用于为分散设备 尤其是控制设备、传感器、传感器网络、发射器、接收器、机组和/或驱动器供电。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生、储存及输送电能的装置，包括至少一个能源(1)、用于储存所述能量的至少一个第一储存单元(4)和一第二储存单元(5)以及一控制单元(6)。根据本发明，所述第二储存单元(5)与所述第一储存单元(4)电性相连，为所述第一储存单元(4)充电时，可将所述第二储存单元(5)的电能输送给所述第一储存单元(4)。本发明还涉及一种产生、储存及输送电能的方法。
文档编号H02J7/35GK102138270SQ200980134340
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月24日 优先权日2008年8月29日
发明者延斯·博克尔曼, 斯特凡·海因博克尔 申请人:西门子公司