雙電層電容器及其應用

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,主要用于存儲器備用電源、停機及關機備用電源、瞬間斷電備用電源以及汽車能源再生系統。文中介紹了雙電層電容器的設計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的三種系列雙電層電容器為例,對該產品及其應用作了介紹,最后給出了使用雙電層電容器的注意事項。

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電容器是我們眾所周知的電子元件,它在各種電子儀器、儀表及設備中發揮著無可替代的作用。目前的電容器品種相當繁多,性能也在逐漸優化,體積容量比也在減小。但是,人們都沒有拋棄傳統的由介質極化產生電荷的原理來制作電容器的思想。因此,在體積容量比上一直沒有太大的飛躍。本文介紹的由哈爾濱大容電子有限公司生產的雙電層電容器是對電容器傳統制作方法的突破,該雙電層電容器具有法拉級的容量,因此,它既有電容器的特性,同時又具有電池特性,是一種全新的、應用更為廣泛的電容器。

1 雙電層電容器的設計原理

雙電層電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知,插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷,從而使相間產生電位差。那么,如果在電解液中同時插入兩個電極,并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動,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電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,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阻較大,因此,可在無負載電阻情況下直接充電,如果出現過電壓充電的情況,雙電層電容器將會開路而不致損壞器件,這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時,雙電層電容器與可充電電池相比,可進行不限流充電,且充電次數可達10 6次以上,因此雙電層電容不但具有電容的特性,同時也具有電池特性,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能元件,它既有電池的特點,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準單位來比較的。

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準單位

3 雙電層電容器產品介紹

哈爾濱大容電子有限公司是專業研究、生產及銷售雙電層電容器的新型高科技綜合性企業,并逐漸向傳感器、汽車電子,新能源領域拓展。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內知名院校通力合作,已取得一定的進展。大容公司自創建以來,一直堅持以科技為先導方針,在加強管理的同時,對雙電層電容器的工藝進行不斷地改造和創新,因而使產品質量得到可靠保證。公司的科技人員相繼開發出多種系列產品,是目前國內唯一可以生產多系列多品種雙電層電容器的廠家,其主要產品有HRA、B系列,MRB系列,LRB、C系列等,公司還可根據用戶要求進行專門的加工設計。

3.1 HR系列

HR系列雙電層電容器的工作電流一般小于500μA,可用作動態或靜態RAM的輔助電源,并可作為主電源在不可預測的頻繁掉電及更換電池時的保護電路,以保證數據不會丟失。

表2是該系列部分雙電層電容器的性能參數。

表2 HR系列雙電層電容器的性能參數

表3 MR系列雙電層電容器的性能參數

3.2 MR系列

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

3.3 LR系列

LR系列適用于工作電流小于100mA的作場合,可作為微型電磁閥,繼電器和微電機等功率相對較大的器件在啟動時的補償電源用,以起到穩定電路電壓和減小主電源設計容量的作用。表4是該系列產品的性能參數。

表4 LR系列雙電層電容器性能參數

4 雙電層電容器的應用

4.1 容量選擇

目前,雙電層電容器最為廣泛的應用是作為存儲器的備用電源,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存儲器進行幾十至幾百小時的保護。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時的穩定電源及主電源瞬間關斷時的支持電源。由于是做備用電源使用,因此,應用時必須了解被保護電路的一些基本條件,這些條件主要包括以下幾個方面;

（1）保持記憶或線路穩定所需的最小電壓Ei;

（2）保持記憶或線路穩定所需的電流I;

（3）停電前電容器的充電電壓E0;

（4）記憶或線路穩定所需的持續時間T;

（5）工作溫度范圍。

根據以上條件,可用下式來選擇電容器的容量：

C=IT/（Eo-Vesr-Ei）

式中：Vesr是雙電層電容器等效串聯電阻所產生的電壓,在存儲器記憶保護情況下,由于電流十分微小,一般情況下可不考慮。但在大電流應用場合則必須予以考慮,如用于穩定大功率電路或驅動繼電器、電磁閥和微電機等。

4.2 基本應用電路

a.主電源停電及關斷期間的備用電源

在關機及更換電源時,隨機存儲器中的信息、時鐘等記憶信息需要用備用電源來維持,在這種情況下,采用雙電層電容器可保護這些信息,保護時間可根據電路條件和雙電層電容器的容量達到幾分鐘到幾個月不等,這種應用的基本電路如圖1所示。

利用該電源電路可在數字調諧系統中記憶無線電臺、記錄時間及維護時鐘;在出租車計價計程系統中保持原始數據;在電話電路中,可以實現號碼記憶、重撥和自動應答等功能;另外,在VCR中,由于微型計算機被雙電層電容器支持著,因此在主電源停電時仍可繼續錄制電視節目。

b.主電源瞬間波動或瞬間停電的備用電源

在一些電子設備中,由于電機、繼電器、蜂鳴器或顯示器的起動而造成電路電壓的瞬間降低,以致于造成記憶錯誤或電路誤動作,利用雙電層電容器可以起到穩定電壓的作用。另外,在電池供電的儀器中,由于振動等原因,很有可能產生瞬間斷電的情況,這時用鋁電解電容器也可起保護記憶或維持電路工作的作用。但是,當電路工作電流相對較大時,雙電層電容器無疑是最佳選擇。其基本的穩定工作電路如圖2所示。圖2電路還可用在攝像機系統、出租車計價器、汽車音響系統、汽車電子儀器及手持商用機、打字機以及文字處理機等。

c.在太陽能電池系統中的應用

在以太陽能為主電源的電子儀表中,由于陽光強度頻繁變換,因而電壓也頻繁變動,雙電層電容器它還可以與太陽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字萬用表和太陽能鐘表等領域,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未達到實用化強度,但由于其卓越的性能已經在各種能源和系統中呈現出十分廣闊的前景。據報道,日本在混合動力汽車電源系統、俄羅斯在機動車啟動系統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用實例。

a.在汽車能源再生系統的應用

圖4是電動汽車或混合動力汽車在汽車能源再生系統中的應用圖。當汽車制動時,發動機城制動中仍有運轉過程。為了使能源快速回收,一般用蓄電池來回收它,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將能源近乎100%地快速回收,然后再向負載及電池輸送電能,以實現能源的有效利用。同時,由于雙電層電容器具較大的放電功率,因此在汽車起動和加悚過程中可使蓄電池的壽命延長,并使組數減少,從而減輕車體自身重量。

b.在電源系統中的應用

在負載側有電動機或傳動裝置等強負載系統中,當大負載突然起動時,一般都需要一個很大的瞬間電流,這時,如果電源能量不足,電源電壓將瞬間下降,從而使控制電路產生誤操作,如果增大電源容量,對于平常不需大電流的工作場合來說,這顯然是一種浪費。而在系統中增加大功率雙電層電容器就可用較小容量的電源驅動較大的負載。圖5是雙電層電容器在這種電源中的應用框圖。