雙電層電容器及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：電源 雙電層 電容器 電池

雙電層電容器是具有電池和電容雙重特性的新型電子元件,主要用于存儲(chǔ)器備用電源、停機(jī)及關(guān)機(jī)備用電源、瞬間斷電備用電源以及汽車(chē)能源再生系統(tǒng)。文中介紹了雙電層電容器的設(shè)計(jì)原理以及和電源及鋁電解電容器的比較,并以哈爾濱大容電子有限公司生產(chǎn)的三種系列雙電層電容器為例,對(duì)該產(chǎn)品及其應(yīng)用作了介紹,最后給出了使用雙電層電容器的注意事項(xiàng)。

電容器是我們眾所周知的電子元件,它在各種電子儀器、儀表及設(shè)備中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。目前的電容器品種相當(dāng)繁多,

性能也在逐漸優(yōu)化,體積容量比也在減小。但是,人們都沒(méi)有拋棄傳統(tǒng)的由介質(zhì)極化產(chǎn)生電荷的原理來(lái)制作電容器的思想。因此,在體積容量比上一直沒(méi)有太大的飛躍。本文介紹的由哈爾濱大容電子有限公司生產(chǎn)的雙電層電容器是對(duì)電容器傳統(tǒng)制作方法的突破,該雙電層電容器具有法拉級(jí)的容量,因此,它既有電容器的特性,同時(shí)又具有電池特性,是一種全新的、應(yīng)用更為廣泛的電容器。

1 雙電層電容器的設(shè)計(jì)原理

雙電層電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷,從而使相間產(chǎn)生電位差。那么,如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極,并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓,這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng),并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層,

它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似,從而產(chǎn)生電容效應(yīng),緊密的雙電層近似于平板電容器,但是,由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多,因而具有比普通電容器更大的容量。

雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大,因此,可在無(wú)負(fù)載電阻情況下直接充電,如果出現(xiàn)過(guò)電壓充電的情況,雙電層電容器將會(huì)開(kāi)路而不致?lián)p壞器件,這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過(guò)電壓擊穿不同。同時(shí),雙電層電容器與可充電電池相比,可進(jìn)行不限流充電,且充電次數(shù)可達(dá)10 6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時(shí)也具有電池特性,是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。

2 與電池及鋁電解電容器的比較

雙電層電容器是一種介于普通電容器與電池之間的儲(chǔ)能元件,它既有電池的特點(diǎn),又有電容的特性。表1列舉了雙電層電容器與其它可用任務(wù)用電源的器件的性能比較,表中的容量是以雙電層電容器的容量為標(biāo)準(zhǔn)單位來(lái)比較的。

表1 與電池和鋁電解電容器的性能比較

*容量以雙電層電容器的容量為標(biāo)準(zhǔn)單位

3 雙電層電容器產(chǎn)品介紹

哈爾濱大容電子有限公司是專(zhuān)業(yè)研究、生產(chǎn)及銷(xiāo)售雙電層電容器的新型高科技綜合性企業(yè),并逐漸向傳感器、汽車(chē)電子,新能源領(lǐng)域拓展。在大功率雙電層電容器方面,哈爾濱大容電子有限公司與國(guó)內(nèi)知名院校通力合作,已取得一定的進(jìn)展。大容公司自創(chuàng)建以來(lái),一直堅(jiān)持以科技為先導(dǎo)方針,在加強(qiáng)管理的同時(shí),對(duì)雙電層電容器的工藝進(jìn)行不斷地改造和創(chuàng)新,因而使產(chǎn)品質(zhì)量得到可靠保證。公司的科技人員相繼開(kāi)發(fā)出多種系列產(chǎn)品,是目前國(guó)內(nèi)唯一可以生產(chǎn)多系列多品種雙電層電容器的廠家,其主要產(chǎn)品有HRA、B系列,MRB系列,LRB、C系列等,公司還可根據(jù)用戶(hù)要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的加工設(shè)計(jì)。

3.1 HR系列

HR系列雙電層電容器的工作電流一般小于500μA,可用作動(dòng)態(tài)或靜態(tài)RAM的輔助電源,并可作為主電源在不可預(yù)測(cè)的頻繁掉電及更換電池時(shí)的保護(hù)電路,以保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

表2是該系列部分雙電層電容器的性能參數(shù)。

表2 HR系列雙電層電容器的性能參數(shù)

表3 MR系列雙電層電容器的性能參數(shù)

3.2 MR系列

MR系列雙電層電容器適用于工作電流小于50mA的工作場(chǎng)合,可用于存儲(chǔ)器的備用電源,也可用于當(dāng)智能儀器儀表瞬間掉電或更換電池的支持電源。表3是該系列部分產(chǎn)品的性能參數(shù)。

3.3 LR系列

LR系列適用于工作電流小于100mA的作場(chǎng)合,可作為微型電磁閥,繼電器和微電機(jī)等功率相對(duì)較大的器件在啟動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償電源用,以起到穩(wěn)定電路電壓和減小主電源設(shè)計(jì)容量的作用。表4是該系列產(chǎn)品的性能參數(shù)。

表4 LR系列雙電層電容器性能參數(shù)

4 雙電層電容器的應(yīng)用

4.1 容量選擇

目前,雙電層電容器最為廣泛的應(yīng)用是作為存儲(chǔ)器的備用電源,由于它的功耗極低(幾微安～十幾微安),因此,

雙電層電容器可不間斷地對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行幾十至幾百小時(shí)的保護(hù)。另外,該電容器也常在電子線路中被用在主電源電壓瞬間波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定電源及主電源瞬間關(guān)斷時(shí)的支持電源。由于是做備用電源使用,因此,應(yīng)用時(shí)必須了解被保護(hù)電路的一些基本條件,這些條件主要包括以下幾個(gè)方面;

(1)保持記憶或線路穩(wěn)定所需的最小電壓Ei;

(2)保持記憶或線路穩(wěn)定所需的電流I;

(3)停電前電容器的充電電壓E0;

(4)記憶或線路穩(wěn)定所需的持續(xù)時(shí)間T;

(5)工作溫度范圍。

根據(jù)以上條件,可用下式來(lái)選擇電容器的容量：

C=IT/(Eo-Vesr-Ei)

式中：Vesr是雙電層電容器等效串聯(lián)電阻所產(chǎn)生的電壓,在存儲(chǔ)器記憶保護(hù)情況下,由于電流十分微小,一般情況下可不考慮。但在大電流應(yīng)用場(chǎng)合則必須予以考慮,如用于穩(wěn)定大功率電路或驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥和微電機(jī)等。

4.2 基本應(yīng)用電路

a.主電源停電及關(guān)斷期間的備用電源

在關(guān)機(jī)及更換電源時(shí),隨機(jī)存儲(chǔ)器中的信息、時(shí)鐘等記憶信息需要用備用電源來(lái)維持,在這種情況下,采用雙電層電容器可保護(hù)這些信息,保護(hù)時(shí)間可根據(jù)電路條件和雙電層電容器的容量達(dá)到幾分鐘到幾個(gè)月不等,這種應(yīng)用的基本電路如圖1所示。

利用該電源電路可在數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)中記憶無(wú)線電臺(tái)、記錄時(shí)間及維護(hù)時(shí)鐘;在出租車(chē)計(jì)價(jià)計(jì)程系統(tǒng)中保持原始數(shù)據(jù);在電話電路中,可以實(shí)現(xiàn)號(hào)碼記憶、重?fù)芎妥詣?dòng)應(yīng)答等功能;另外,在VCR中,由于微型計(jì)算機(jī)被雙電層電容器支持著,因此在主電源停電時(shí)仍可繼續(xù)錄制電視節(jié)目。

b.主電源瞬間波動(dòng)或瞬間停電的備用電源

在一些電子設(shè)備中,由于電機(jī)、繼電器、蜂鳴器或顯示器的起動(dòng)而造成電路電壓的瞬間降低,以致于造成記憶錯(cuò)誤或電路誤動(dòng)作,利用雙電層電容器可以起到穩(wěn)定電壓的作用。另外,在電池供電的儀器中,由于振動(dòng)等原因,很有可能產(chǎn)生瞬間斷電的情況,這時(shí)用鋁電解電容器也可起保護(hù)記憶或維持電路工作的作用。但是,當(dāng)電路工作電流相對(duì)較大時(shí),雙電層電容器無(wú)疑是最佳選擇。其基本的穩(wěn)定工作電路如圖2所示。圖2電路還可用在攝像機(jī)系統(tǒng)、出租車(chē)計(jì)價(jià)器、汽車(chē)音響系統(tǒng)、汽車(chē)電子儀器及手持商用機(jī)、打字機(jī)以及文字處理機(jī)等。

c.在太陽(yáng)能電池系統(tǒng)中的應(yīng)用

在以太陽(yáng)能為主電源的電子儀表中,由于陽(yáng)光強(qiáng)度頻繁變換,因而電壓也頻繁變動(dòng),雙電層電容器它還可以與太陽(yáng)能電池配合使用以作為低功耗儀表的主電源而廣泛用于數(shù)字萬(wàn)用表和太陽(yáng)能鐘表等領(lǐng)域,其基本電路如圖3所示。

4.3 大功率雙電層電容器的作用

雖然大功率電源型雙電層電容器還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化強(qiáng)度,但由于其卓越的性能已經(jīng)在各種能源和系統(tǒng)中呈現(xiàn)出十分廣闊的前景。據(jù)報(bào)道,日本在混合動(dòng)力汽車(chē)電源系統(tǒng)、俄羅斯在機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)系統(tǒng)中均采用了大功率雙電層電容器并取得了十分滿意的效果。下面介紹兩例大功率雙電層電容器的應(yīng)用實(shí)例。

a.在汽車(chē)能源再生系統(tǒng)的應(yīng)用

圖4是電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)在汽車(chē)能源再生系統(tǒng)中的應(yīng)用圖。當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)城制動(dòng)中仍有運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。為了使能源快速回收,一般用蓄電池來(lái)回收它,但由于頻繁的快速充電降低了蓄電池的使用壽命。而使用雙電層電容器幾乎能夠?qū)⒛茉唇?00%地快速回收,然后再向負(fù)載及電池輸送電能,以實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。同時(shí),由于雙電層電容器具較大的放電功率,因此在汽車(chē)起動(dòng)和加悚過(guò)程中可使蓄電池的壽命延長(zhǎng),并使組數(shù)減少,從而減輕車(chē)體自身重量。

b.在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

在負(fù)載側(cè)有電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置等強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中,當(dāng)大負(fù)載突然起動(dòng)時(shí),一般都需要一個(gè)很大的瞬間電流,這時(shí),如果電源能量不足,電源電壓將瞬間下降,從而使控制電路產(chǎn)生誤操作,如果增大電源容量,對(duì)于平常不需大電流的工作場(chǎng)合來(lái)說(shuō),這顯然是一種浪費(fèi)。而在系統(tǒng)中增加大功率雙電層電容器就可用較小容量的電源驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載。圖5是雙電層電容器在這種電源中的應(yīng)用框圖。