CN101458992B - 电容储能器及其组装方法 - Google Patents

Abstract

一种电容储能器，包括至少一个电容储能器模块，所述电容储能器模块包括箱体、箱盖和至少一个电容部件，所述电容部件之间并联连接，电容部件可拆卸的插在箱体内，电容部件包括至少一个电容组件和分别覆盖在所述电容组件两相对表面上的两个金属板，电容组件包括至少一个陶瓷介质电容和分别覆盖在所述陶瓷介质电容两相对表面上的两个金属条。采用抽屉式可拆卸的插入电容部件，电容储能器组装之前，可以对电容部件进行分别检测，有利于对故障电容部件的故障原因进行快速清查和排除，能够加速电容储能器的组装速度；当电容储能器出现故障时，能够对电容部件进行分别检测，将出现故障的电容部件单独抽出，进行修复或更换。

Description

电容储能器及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种电容储能器及其组装方法。

背景技术

现有的电能量储存器，包括蓄电池、普通电容器、超级电容器等。

其中蓄电池利用物质的氧化还原反应原理来储存能量，其缺点是单个电池的工作电压低，充电时间长，循环寿命短，部分蓄电池使用酸性电解液，一旦泄漏会造成危险及环境污染等。

普通电容器是通过物理过程吸附电荷从而储存电能的元器件，被越来越广泛的用于电子设备和产品中。与传统的蓄电池相比，电容器具有充电时间短、使用寿命长等优点，但缺点是储存的电能量比较少，难以作为持续性的电源。

近年来出现的超级电容器是一种介于蓄电池和普通电容器之间的电化学电容器装置，超级电容器主要依靠在电极板和电解液的界面之间所形成的双电层来储存能量。目前，一般选用碳材料(比如多孔碳、碳纤维等)来作为超级电容的电极板，由于碳材料较大的比表面积(500～2000m²/g)和双电层之间的极小距离(约为

)，所以超级电容具有极大的电容量(一般超级电容的容量为法拉级)。但是，尽管如此，目前的超级电容的能量密度仍然没有传统蓄电池高，市场上的高端超级电容器每公斤的储存能量只有锂电池的1/25～1/10。

使用了特殊介电材料的陶瓷介质电容器能够解决一般超级电容器的上述问题(美国专利US7033406)。对陶瓷介质电容的电介质材料进行改进，使其可以承受几千伏特的高压，其质量储能密度可以达到0.2～0.4kW·h/kg，超过了锂电池的0.2kW·h/kg，可以进行快速的充放电从而给汽车提供大功率的推动电源，而且无任何污染。但是在给汽车提供动力这种苛刻的使用环境中，要求电容组件间的结合可靠，可维护性能好，工作温度在-40℃～80℃，储能器外壳的介电强度要求高，能够在几千伏特的电压下保持良好的绝缘性，机械性能良好并要求阻燃。

美国专利US7033406批露了一种构成电容储能器的方法和装置，通过导电银胶将多个陶瓷介质电容固定在两块铜极板之间(即将多个陶瓷介质电容并联)，构成一个组件；再将多个组件的正极通过镍条电连接，组件的负极通过镍条电连接(即将多个组件并联)，从而构成一个部件，这样的一个部件在3500伏特电压下可以存储52.22kW·h的能量。但是，这种结构具有如下的缺陷：如果某一组件发生击穿，会导致整个储能器失效，而如果需要更换出现故障的组件，则必须将镍条卸下，将所有的组件拆分开来依次测试，这样，操作和维护起来就比较麻烦；另外，采用铜作为导电极板，大大加重了整个储能器的重量和原材料成本，同时降低了储能器的质量储能密度；再次，铜极板之间采用相互焊接的方式，使连接的可靠性不高；并且，铜的腐蚀现象会导致导电率下降，从而使得储能器在使用过程中发生欧姆损失。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题，提供一种使用方便、能量密度高、性能可靠的电容储能器。

为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电容储能器，包括至少一个电容储能器模块，所述电容储能器模块包括箱体、箱盖和至少一个电容部件，所述电容部件之间并联连接，电容部件可拆卸地插在箱体内，所述电容部件包括至少一个电容组件和分别覆盖在所述电容组件两相对表面上的两个金属板。

所述电容组件包括至少一个陶瓷介质电容和分别覆盖在所述陶瓷介质电容两相对表面上的两个金属条。

所述的金属板呈盒盖状，在金属板的周围具有侧边，所述的电容组件的长度与金属板的两相对侧边的内侧面之间的距离相匹配；所述的金属条具有内槽，所述陶瓷介质电容的导电面的一个边的宽度与金属条内槽的宽度相匹配。

在所述箱体的内侧壁上和底部均设置有用于固定所述电容部件的插槽。

所述电容部件的正极均与第一导电金属棒电连接，负极均与第二导电金属棒电连接；第一导电金属棒与电容部件的正极可拆卸地相连接，第二导电金属棒与电容部件的负极可拆卸地相连接。

所述的电容部件的正极板上开设有第一凹槽，电容部件的负极板上开设有第二凹槽；所述的第一导电金属棒插在第一凹槽内，第二导电金属棒插在第二凹槽内。

在所述的第一导电金属棒和第二导电金属棒上均开设有孔，在所述的箱盖上设置有接电结构，所述的接电结构的下端插在所述的孔内。

所述箱体内部剩余空间充满硅油。

所述箱体与箱盖密封连接，在所述箱盖上有至少一个注油口。

所述的金属板、金属条和导电金属棒采用铝。

所述的箱体和箱盖采用介电强度大于20KV/mm的阻燃塑料。

本发明还提供一种组装电容储能器的方法，包括如下步骤：

将电容组件组装成电容部件；

将电容部件插入箱体；

将箱盖与箱体密封连接；

将电容储能器模块并联连接形成电容储能器。

上述的组装电容储能器的方法，还可以包括一个将陶瓷介质电容组装成电容组件的步骤。

上述的组装电容储能器的方法，其中，将电容部件插入箱体后，用第一导电金属棒将电容部件的正极连接起来，用第二导电金属棒将电容部件的负极连接起来。

上述的组装电容储能器的方法，其中，将箱盖和箱体密封连接后，从箱盖上的注油口注入硅油。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点：

采用抽屉式可拆卸的插入电容部件，电容储能器组装之前，可以对电容部件进行分别检测，有利于对故障电容部件的故障原因进行快速清查和排除，能够加速电容储能器的组装速度；当电容储能器出现故障时，能够对电容部件进行分别检测，将出现故障的电容部件单独抽出，进行修复或更换；并且采用抽屉式可拆卸的插入电容部件，使得连接方式更加安全可靠。

本发明进一步的优点是，在箱体的内侧壁和底部具有插槽，能够将单个电容部件固定在插槽内，使得连接方式安全可靠。

本发明进一步的优点是，第一导电金属棒和第二导电金属棒分别与电容部件的正负极板可拆卸地相连接，这样，在出现故障时，可以方便地卸掉导电金属棒并对电容部件进行检查和更换。

本发明进一步的优点是，采用硅油作为保护液体，使金属不会被氧化从而保持高导电率；同时，因为硅油的高介电强度性能(20KV/mm)，整个储能器各个正负金属极板之间保持高绝缘性能，在正常运行下保持稳定的状态，不会发生自发漏电现象，使得储能器的适用的温度范围很广，在-40℃～80℃下使用时具有良好的稳定性；并且硅油对箱体内的器件起到阻尼减震的效果，在储能器受到撞击时，其内部器件不易移动。

本发明进一步的优点是，采用抽屉式插入电容部件，使得内部器件所占用的空间体积小，体积能量密度得到提高；并且其中各个电容部件之间的间隙足够小，只需填充少量硅油即可充满箱体。

本发明进一步的优点是，采用铝作为导电极板，降低了电容储能器的质量和原材料成本，并且提高了质量储能密度。

附图说明

附图1为本发明实施例的整体示意图；

附图2为本发明实施例中电容部件的示意图；

附图3为本发明实施例中电容部件分解示意图；

附图4为本发明实施例中电容组件示意图；

附图5为本发明实施例中电容组件分解示意图；

附图6为本发明实施例中导电金属棒的示意图；

附图7为本发明实施例中电容储能器模块的立体示意图；；

附图8为本发明实施例中电容储能器模块的主剖视图；

附图9为附图8的A区放大图；

附图10为附图8的B区放大图；

其中：1、电容储能器模块；2、接电结构；3、铝条；4、陶瓷介质电容；5，电容组件；6、铝板；7、电容部件；61、侧边；71、第一凹槽；72、第二凹槽；73、第一凸起部；74、第二凸起部；8、燕尾槽；91、第一导电铝棒；92、第二导电铝棒；901、孔；10、箱体；11、插槽；12、箱盖；13、铝嵌件；14、硅油；15、注油口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出详细的说明。

如附图1所示意：一种电容储能器，包括三个电容储能器模块1，这三个电容储能器模块之间通过接电结构2电连接，所述每个电容储能器模块1包括箱体10、箱盖12和至少一个电容部件7，所述电容部件7之间并联连接，电容部件7可拆卸的插在箱体10内。

如附图8、9所示意：在所述箱体10的内侧壁上和底部(底部的插槽未示出，附图8、9中空心箭头所指为插槽11)均设置有用于固定所述电容部件7的插槽11。使用者可以将电容部件7插入插槽11内，从而起到固定电容部件7的作用。

所述每个电容部件7包括至少一个电容组件5和分别覆盖在所述电容组件5两相对表面上的两个铝板6。在铝板6的周围具有侧边61。如附图2、3所示，用铝板6将多个电容组件5并联，所述的铝板6呈盒盖状，铝板6的两相对侧边61的内侧面之间的距离与电容组件5的长度相匹配，在一块铝板6上，并联排入多个与铝板6宽度相配合的电容组件5，然后在电容组件5的上表面盖上另一块铝板6，并使得铝板6的侧边61与多个电容组件5相互卡紧，这样即可构成一个电容部件7。

所述每个电容组件5包括至少一个陶瓷介质电容4和分别覆盖在所述陶瓷介质电容4两相对表面上的两个铝条3。如附图2、3、4所示意，铝条3上具有内槽，所述陶瓷介质电容4呈长方体状，陶瓷介质电容4的导电面的一个边的宽度与铝条3内槽的宽度相匹配。

如附图4、5所示，在组装时，在一根铝条3的内槽上，依次并排放置多个陶瓷介质电容4，铝条3的底面与每只陶瓷介质电容4的导电面相贴合，然后在陶瓷介质电容4的上表面盖上另一根相同的铝条3(见附图5)，并使得铝条3与多个陶瓷介质电容4相互卡紧，这样就组成一个电容组件5(见附图4)。

通过上述系列设置，使得整个电容储能器模块1的可维护性得到了提高，在使用过程中，如果某一电容储能器模块1发生故障，使用者可以方便地将该电容储能器模块1中的多个电容部件7拆下进行检查；而一旦确定某一电容部件中的某一电容组件发生故障，进一步地，也可以方便地将该电容部件中的多个电容组件拆下进行依次检查；更进一步，可以对某一电容组件中的多个陶瓷介质电容进行检查。这样，可以方便并且精确地确定故障发生的位置；并且，一旦确定故障所在，可以方便地更换陶瓷电容介质、电容组件乃至电容部件。

而为了使得电容部件7之间的并联方式更加便捷，在所述的电容部件7的正极板(即铝板6)上具有第一凸起部73，在第一凸起部73上开设有第一凹槽71；在所述的电容部件7的负极板(即铝板6)上具有第二凸起部74，在第二凸起部74上开设有第二凹槽72；当多个电容部件7插入箱体10后，将第一导电铝棒91插入第一凹槽71内，将第二导电铝棒92插入第二凹槽72内，这样就方便地将多个电容部件7并联起来(见附图1、7所示意)，如果某一个电容部件7发生损坏，可以方便地将第一导电铝棒91和第二导电铝棒92抽出，进而检查电容部件。

而为了使得导电铝棒(91和92)可以稳定地插在第一凹槽71和第二凹槽72内，可以将第一凹槽71和第二凹槽72的形状设置为梯形，将导电铝棒的横截面也设置为与凹槽形状相匹配的梯形(见附图2、3、6、7所示意)，这样即可使得导电铝棒在凹槽内处于比较稳定的状态，在电容储能器发生晃动时也不易脱落。

在所述的第一导电铝棒91和第二导电铝棒92上均开设有孔901，在所述的箱盖12上设置有接电结构2，接电结构2用于和外部负载相电连接。当箱盖12与箱体10密封连接后，所述的接电结构2的下端插在所述的孔901内(见附图8、10所示意)，这样，各电容部件7即可通过接电结构2与外部负载电连接。

在本实施例中，接电结构2位于箱盖12上，接电结构2位于箱盖12下侧的部位呈圆台形，该圆台形铝嵌件13的顶部直径小于孔901的直径，这样可以使得当电容储能器模块1安装时，圆台形铝嵌件13可以插在孔901内，并且可以通过调整导电铝棒或箱盖12的位置从而使得圆台形铝嵌件13与孔901的内侧边缘相紧密接触，确保电容储能器模块1与外部负载保持良好的电联通。

当箱盖12安置在箱体10上后，将箱盖12与箱体10密封，从箱盖12上的注油口15注入硅油14，注入硅油的总量以能充分保护内部器件为宜。采用硅油作为保护液体，使金属不会被氧化从而保持高导电率；同时，因为硅油的高介电强度性能(20KV/mm)，整个电容储能器各个正负金属极板之间保持高绝缘性能，在正常运行下保持稳定的状态，不会发生自发漏电或放电现象，使得电容储能器的适用温度范围很广，在-40℃～80℃下使用时具有良好的稳定性；并且硅油对箱体内的器件起到阻尼减震的效果，在电容储能器受到撞击时，其内部器件不易移动，从而提高了整个电容储能器的可靠性。

当然，也可以在箱内充入其它一些具有高介电强度(＞20KV/mm)的液体作为保护液体。

所述的箱体10和箱盖12采用介电强度大于20KV/mm的阻燃塑料，其中阻燃塑料可以是PE，ABS，PBT，尼龙中的一种，相应的尺寸根据所需要的电容部件的设计功率和质量储能密度而定，这样可以防止箱体10和箱盖12被电击穿，从而造成安全问题。

在本实施例中，电容储能器模块1的充电时间为10min，质量为25kg，体积为9314cm³，质量储能密度为0.3kW·h/kg。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此来限定本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种电容储能器，包括至少一个电容储能器模块(1)，其特征在于：所述电容储能器模块(1)包括箱体(10)、箱盖(12)和至少一个电容部件(7)，所述电容部件(7)之间并联连接，电容部件(7)可拆卸地插在箱体(10)内，所述电容部件(7)包括至少一个电容组件(5)和分别覆盖在所述电容组件(5)两相对表面上的两个金属板(6)；所述电容部件(7)的正极均与第一导电金属棒(91)电连接，负极均与第二导电金属棒(92)电连接；第一导电金属棒(91)与电容部件(7)的正极可拆卸地相连接，第二导电金属棒(92)与电容部件(7)的负极可拆卸地相连接。

2.根据权利要求1所述的电容储能器，其特征在于：所述电容组件(5)包括至少一个陶瓷介质电容(4)和分别覆盖在所述陶瓷介质电容(4)两相对表面上的两个金属条(3)。

3.根据权利要求2所述的电容储能器，其特征在于：所述的金属板(6)呈盒盖状，在金属板(6)的周围具有侧边(61)，所述的电容组件(5)的长度与金属板(6)的两相对侧边(61)的内侧面之间的距离相匹配；所述的金属条(3)具有内槽，所述陶瓷介质电容(4)的导电面的一个边的宽度与金属条(3)内槽的宽度相匹配。

4.根据权利要求1所述的电容储能器，其特征在于：在所述箱体(10)的内侧壁和底部均设置有用于固定所述电容部件(7)的插槽(11)。

5.根据权利要求1所述的电容储能器，其特征在于：所述的电容部件(7)的正极板上开设有第一凹槽(71)，电容部件(7)的负极板上开设有第二凹槽(72)；所述的第一导电金属棒(91)插在第一凹槽(71)内，第二导电金属棒(92)插在第二凹槽(72)内。

6.根据权利要求5所述的电容储能器，其特征在于：在所述的第一导电金属棒(91)和第二导电金属棒(92)上均开设有孔(901)，在所述的箱盖(12)上设置有接电结构(2)，所述的接电结构(2)的下端插在所述的孔(901)内。

7.根据权利要求1所述的电容储能器，其特征在于：所述箱体(10)内充满硅油(14)。

8.根据权利要求1所述的电容储能器，其特征在于：所述箱体(10)与箱盖(12)密封连接，在所述箱盖(12)上有至少一个注油口(15)。

9.根据权利要求2所述的电容储能器，其特征在于：所述的金属板(6)、金属条(3)采用铝。

10.根据权利要求5所述的电容储能器，其特征在于：所述的第一导电金属棒(91)和第二导电金属棒(92)采用铝。

11.根据权利要求1所述的电容储能器，其特征在于：所述的箱体(10)和箱盖(12)采用介电强度大于20KV/mm的阻燃塑料。

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