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双电层电容器及其应用
双电层电容器是具有电池和电容双重特性的新型电子元件,主要用于存储器备用电源、停机及关机备用电源、瞬间断电备用电源以及汽车能源再生系统。文中介绍了双电层电容器的设计原理以及和电源及铝电解电容器的比较,并以哈尔滨大容电子有限公司生产的三种系列双电层电容器为例,对该产品及其应用作了介绍,最后给出了使用双电层电容器的注意事项。
关键词：电源 双电层 电容器 电池
电容器是我们众所周知的电子元件,它在各种电子仪器、仪表及设备中发挥着无可替代的作用。目前的电容器品种相当繁多,
性能也在逐渐优化,体积容量比也在减小。但是,人们都没有抛弃传统的由介质极化产生电荷的原理来制作电容器的思想。因此,在体积容量比上一直没有太大的飞跃。本文介绍的由哈尔滨大容电子有限公司生产的双电层电容器是对电容器传统制作方法的突破,该双电层电容器具有法拉级的容量,因此,它既有电容器的特性,同时又具有电池特性,是一种全新的、应用更为广泛的电容器。
1 双电层电容器的设计原理
双电层电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,
它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10 6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
2 与电池及铝电解电容器的比较
双电层电容器是一种介于普通电容器与电池之间的储能元件,它既有电池的特点,又有电容的特性。表1列举了双电层电容器与其它可用任务用电源的器件的性能比较,表中的容量是以双电层电容器的容量为标准单位来比较的。
表1 与电池和铝电解电容器的性能比较
| 双电层电容器 | 镍-镉电池 | Li电池 | 铝电解电容 | |
| 工作温度 | -25～70℃ | -20～65℃ | -20～60℃ | -40～85℃ |
| 工作电压 | 3V、3.6V、5.5V、11V | 1.2V | 3V | 6.3以上 |
| 容量* | 1 | 210 | 360 | 0.01 |
| 充电特性 | 几秒～几十秒 | 几小时 | 几秒 | |
| 充电电流限制 | 没有 | 限定 | - | 没有 |
| 过电压充电 | 开路 | - | - | 击穿短路 |
| 充放电循环 | 10 5次以上 | 300～500次 | 10 5次以上 | |
| 材料安全性 | 无污染 | 有重金属 | 有污染 | 无污染 |
*容量以双电层电容器的容量为标准单位
3 双电层电容器产品介绍
哈尔滨大容电子有限公司是专业研究、生产及销售双电层电容器的新型高科技综合性企业,并逐渐向传感器、汽车电子,新能源领域拓展。在大功率双电层电容器方面,哈尔滨大容电子有限公司与国内知名院校通力合作,已取得一定的进展。大容公司自创建以来,一直坚持以科技为先导方针,在加强管理的同时,对双电层电容器的工艺进行不断地改造和创新,因而使产品质量得到可靠保证。公司的科技人员相继开发出多种系列产品,是目前国内唯一可以生产多系列多品种双电层电容器的厂家,其主要产品有HRA、B系列,MRB系列,LRB、C系列等,公司还可根据用户要求进行专门的加工设计。
3.1 HR系列
HR系列双电层电容器的工作电流一般小于500μA,可用作动态或静态RAM的辅助电源,并可作为主电源在不可预测的频繁掉电及更换电池时的保护电路,以保证数据不会丢失。
表2是该系列部分双电层电容器的性能参数。
表2 HR系列双电层电容器的性能参数
| 品 名 | 最高使用电压（VDC） | 静电容量（F） | 等效串联电阻（Ω） | 漏电流（mA) | 自放电（V） | φD×L（mm） | 引脚间距 |
| HRA4732 | 3.6 | 0.047 | ≤150 | ≤0.045 | 2.6 | 13.5×7.0 | 5.0 |
| HRA1042 | 3.6 | 0.1 | ≤120 | ≤0.09 | 2.6 | 13.5×7.0 | 5.0 |
| HRA2242 | 3.6 | 0.22 | ≤60 | ≤0.18 | 2.6 | 16.5×7.0 | 5.0 |
| HRA1052 | 3.6 | 1.0 | ≤20 | ≤0.9 | 2.6 | 21.5×11.5 | 7.6 |
| HRA2252 | 3.6 | 2.2 | ≤15 | ≤1.8 | 2.6 | 28.5×11.5 | 10.0 |
| HRA4752 | 3.6 | 4.7 | ≤10 | ≤4.5 | 2.6 | 28.5×1.5 | 10.0 |
| HRB4732 | 5.5 | 0.047 | ≤220 | ≤0.071 | 4.2 | 13.5×9.5 | 5.0 |
| HRB1042 | 5.5 | 0.1 | ≤150 | ≤0.15 | 4.2 | 13.5×9.5 | 5.0 |
| HRB4742 | 5.5 | 0.47 | ≤60 | ≤0.71 | 4.2 | 16.5×16.5 | 5.0 |
| HRB1052 | 5.5 | 1.0 | ≤25 | ≤1.5 | 4.2 | 21.5×16.5 | 7.6 |
| HRB2252 | 5.5 | 2.2 | ≤20 | ≤3.3 | 4.2 | 28.5×18 | 10.0 |
表3 MR系列双电层电容器的性能参数
| 品 名 | 最高使用电压（VDC） | 静电容量（F） | 等效串联电阻（Ω） | 漏电流（mA） | φD×L（mm） | 引脚间距（mm) |
| MBR4732 | 5.5 | 0.047 | ≤25 | ≤0.071 | 16.5×9.5 | 5.0 |
| MRB1042 | 5.5 | 0.1 | ≤25 | ≤0.15 | 16.5×9.5 | 5.0 |
| MRB2242 | 5.5 | 0.22 | ≤15 | ≤0.33 | 21.5×13.0 | 7.6 |
| MRB4742 | 5.5 | 0.47 | ≤15 | ≤0.71 | 21.5×13.0 | 7.6 |
| MRB1052 | 5.5 | 1.0 | ≤8 | ≤1.5 | 28.5×16.5 | 10.0 |
| MRB2252 | 5.5 | 2.2 | ≤5 | ≤3.3 | 36.5×16.5 | 15.0 |
3.2 MR系列
MR系列双电层电容器适用于工作电流小于50mA的工作场合,可用于存储器的备用电源,也可用于当智能仪器仪表瞬间掉电或更换电池的支持电源。表3是该系列部分产品的性能参数。
3.3 LR系列
LR系列适用于工作电流小于100mA的作场合,可作为微型电磁阀,继电器和微电机等功率相对较大的器件在启动时的补偿电源用,以起到稳定电路电压和减小主电源设计容量的作用。表4是该系列产品的性能参数。
表4 LR系列双电层电容器性能参数
| 品 名 | 最高使用电压（V.DC） | 静电容量（F） | 等效串联电阻(Ω) | 漏电流（mA） | φD×L（mm） | 引脚间距（mm） |
| LRB1042 | 5.5 | 0.1 | ≤8.0 | ≤0.15 | 21.5×16.5 | 7.6 |
| LRB2242 | 5.5 | 0.22 | ≤5.0 | ≤0.33 | 28.5×16.5 | 10.0 |
| LRB4742 | 5.5 | 0.47 | ≤5.0 | ≤0.71 | 28.5×16.5 | 10.0 |
| LRB1052 | 5.5 | 1.0 | ≤2.5 | ≤1.5 | 36.5×20.0 | 15.0 |
| LRC1042 | 11.0 | 0.1 | ≤10 | ≤0.30 | 28.5×25.0 | 10.0 |
| LRC4742 | 11.0 | 0.47 | ≤6.0 | ≤1.42 | 28.5×25.0 | 15.0 |
| LRC1052 | 11.0 | 1.0 | ≤4.0 | ≤3.0 | 44.5×30.0 | 20.0 |
4 双电层电容器的应用
4.1 容量选择
目前,双电层电容器最为广泛的应用是作为存储器的备用电源,由于它的功耗极低（几微安～十几微安）,因此,
双电层电容器可不间断地对存储器进行几十至几百小时的保护。另外,该电容器也常在电子线路中被用在主电源电压瞬间波动时的稳定电源及主电源瞬间关断时的支持电源。由于是做备用电源使用,因此,应用时必须了解被保护电路的一些基本条件,这些条件主要包括以下几个方面;
（1）保持记忆或线路稳定所需的最小电压Ei;
（2）保持记忆或线路稳定所需的电流I;
（3）停电前电容器的充电电压E0;
（4）记忆或线路稳定所需的持续时间T;
（5）工作温度范围。
根据以上条件,可用下式来选择电容器的容量：
C=IT/（Eo-Vesr-Ei）
式中：Vesr是双电层电容器等效串联电阻所产生的电压,在存储器记忆保护情况下,由于电流十分微小,一般情况下可不考虑。但在大电流应用场合则必须予以考虑,如用于稳定大功率电路或驱动继电器、电磁阀和微电机等。
4.2 基本应用电路
a.主电源停电及关断期间的备用电源
在关机及更换电源时,随机存储器中的信息、时钟等记忆信息需要用备用电源来维持,在这种情况下,采用双电层电容器可保护这些信息,保护时间可根据电路条件和双电层电容器的容量达到几分钟到几个月不等,这种应用的基本电路如图1所示。
利用该电源电路可在数字调谐系统中记忆无线电台、记录时间及维护时钟;在出租车计价计程系统中保持原始数据;在电话电路中,可以实现号码记忆、重拨和自动应答等功能;另外,在VCR中,由于微型计算机被双电层电容器支持着,因此在主电源停电时仍可继续录制电视节目。
b.主电源瞬间波动或瞬间停电的备用电源
在一些电子设备中,由于电机、继电器、蜂鸣器或显示器的起动而造成电路电压的瞬间降低,以致于造成记忆错误或电路误动作,利用双电层电容器可以起到稳定电压的作用。另外,在电池供电的仪器中,由于振动等原因,很有可能产生瞬间断电的情况,这时用铝电解电容器也可起保护记忆或维持电路工作的作用。但是,当电路工作电流相对较大时,双电层电容器无疑是最佳选择。其基本的稳定工作电路如图2所示。图2电路还可用在摄像机系统、出租车计价器、汽车音响系统、汽车电子仪器及手持商用机、打字机以及文字处理机等。
c.在太阳能电池系统中的应用
在以太阳能为主电源的电子仪表中,由于阳光强度频繁变换,因而电压也频繁变动,双电层电容器它还可以与太阳能电池配合使用以作为低功耗仪表的主电源而广泛用于数字万用表和太阳能钟表等领域,其基本电路如图3所示。
4.3 大功率双电层电容器的作用
虽然大功率电源型双电层电容器还远未达到实用化强度,但由于其卓越的性能已经在各种能源和系统中呈现出十分广阔的前景。据报道,日本在混合动力汽车电源系统、俄罗斯在机动车启动系统中均采用了大功率双电层电容器并取得了十分满意的效果。下面介绍两例大功率双电层电容器的应用实例。
a.在汽车能源再生系统的应用
图4是电动汽车或混合动力汽车在汽车能源再生系统中的应用图。当汽车制动时,发动机城制动中仍有运转过程。为了使能源快速回收,一般用蓄电池来回收它,但由于频繁的快速充电降低了蓄电池的使用寿命。而使用双电层电容器几乎能够将能源近乎100%地快速回收,然后再向负载及电池输送电能,以实现能源的有效利用。同时,由于双电层电容器具较大的放电功率,因此在汽车起动和加悚过程中可使蓄电池的寿命延长,并使组数减少,从而减轻车体自身重量。
b.在电源系统中的应用
在负载侧有电动机或传动装置等强负载系统中,当大负载突然起动时,一般都需要一个很大的瞬间电流,这时,如果电源能量不足,电源电压将瞬间下降,从而使控制电路产生误操作,如果增大电源容量,对于平常不需大电流的工作场合来说,这显然是一种浪费。而在系统中增加大功率双电层电容器就可用较小容量的电源驱动较大的负载。图5是双电层电容器在这种电源中的应用框图。
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