CN107424846A - 基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器。其中,超级电容器包括电容模组,电容模组包括N个串联连接的超级电容器单体和(N+1)个带中心孔的圆形弹簧压片,每个超级电容器单体安置在两个相邻的圆形弹簧压片之间,相邻的两个圆形弹簧压片间通过激光焊接有稳压二级管,其中,N为大于等于1的自然数;圆柱形壳体,第一端设置有开口部,在内部容纳电容模组;顶盖,嵌合于开口部的内侧,顶盖上的孔与电容模组的正极连接,从顶盖上的孔向外引出模组的正极端子;顶盖与电容模组的负极连接,从顶盖的极耳引出模组的负极端子。本申请通过上述手段,解决了现有技术中超级电容器结构复杂及反激式开关电源低通滤波器的应用问题。

Description

基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器
技术领域
本申请涉及超级电容器领域,特别地,涉及一种针对反激式开关电源直流输出低通滤波器的超级电容器(简称DTEDLC)。
背景技术
超级电容器,即双层电容器(EDLC)是介于电解电容器和电池之间的一种新型储能器件,与常规电容器不同,其容量可达法拉级甚至数千法拉,因此享有“超级电容器”之称。此类电容器兼有功率密度比大、能量密度比高的优点,可快速充放电,而且循环寿命长,是一种新型、高效、实用的能量储存装置。
现有技术中,在采用小型超级电容器储能的方案中,为了获取高工作电压需串联多个超级电容器单体。在实际应用中需将该多个超级电容器单体组装成超级电容器以实现其功能,现有超级电容器的组装技术常常限于如下因素制约:为了克服单体的离散型需采取适当电压均衡的保护机制,一般的做法是将超级电容器单体串联在模组外的PCB板上,再加上较复杂的保护电路,然而,现有技术中的这种结构使模组内部结构复杂化和工艺复杂化。
发明内容
本申请提供一种基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器,用于至少解决上述现有技术中的模组结构和工艺复杂化的反激式开关电源低通滤波器的应用问题。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的,本申请的一实施例提出一种基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器,包括:电容模组,电容模组包括N个串联连接的超级电容器单体和(N+1)个带中心孔的圆形弹簧压片,每个超级电容器单体安置在两个相邻的圆形弹簧压片之间,相邻的两个圆形弹簧压片间通过激光焊接有稳压二级管,其中,N为大于等于1的自然数;圆柱形壳体,第一端设置有开口部,在内部容纳电容模组;顶盖,嵌合于开口部的内侧,顶盖上的孔与电容模组的正极连接,从顶盖上的孔向外引出超级电容器的正极端子;顶盖与电容模组的负极连接,从顶盖的极耳引出超级电容器的负极端子,其中,顶盖、圆形弹簧压片以及超级电容器单体的几何中心在圆柱形外壳的几何中心轴上。
进一步地,超级电容器单体为圆形扣式结构,圆形弹簧压片为圆形结构,超级电容器单体的最大直径小于圆形弹簧压片的直径1mm。
进一步地,第一个圆形弹簧压片与顶盖之间设置有绝缘垫片,绝缘垫片用于隔离超级电容器的正负极,绝缘垫片的几何中心在圆柱形外壳的几何中心轴上。
进一步地,N个超级电容器单体采取零电阻接触式压制方式串联连接,超级电容器通过压制机一次性成型。
进一步地,超级电容器单体包括按照如下方式制成的电极片:
将棉籽壳或食用菌培养基在稀盐酸中浸泡第一预定时长,将浸泡后的棉籽壳或食用菌培养基水洗至不显酸性的第一生成物;
在将第一生成物在丙酮中浸泡第二预定时长之后以净水洗净,并用无水乙醇洗净得到第二生成物;
将第二生成物烘干;
将烘干的第二生成物在氩气氛围中逐步升温到第一预定温度,并恒温碳化第三预定时长,得到第三生成物;
将第三生成物与氢氧化钾按质量比1:3-7研磨成均匀的粉末,重新置于氩气氛围的管式炉中匀速升温至第一预定温度,并且恒温第三预定时长后取出;
将取出的活化产物重新在稀盐酸中洗涤,并在净水中洗涤呈中性,置于干燥箱中吹干,得到多孔碳电极材料;
按照多孔碳电极材料:磷粉:PTFE=8:0.5:1.5的比例,加入适量乙醇稀释研磨搅拌成浆料;
用预定目数的丝网将浆料丝印于铝箔上,在真空环境下干燥第四预定时长,将得到的产物切片,得到电极片。
进一步地,超级电容器单体还包括粘结剂、电解质和隔膜,其中,粘结剂为添加入乙炔黑的PTFE,隔膜为多孔聚丙烯薄膜。
进一步地,M个超级电容器并联应用于反激式开关电源,其中,M为自然数。
进一步地,N通过超级电容器的最大输出电压和标称电容量确定,M基于开关电源输出直流的ESR参数确定。
与现有技术相比,本申请实施例的超级电容器具有以下优点:
在上述实施例中,圆柱体壳体在内部容纳多个串联连接的超级电容器单体,也即,该串联连接的超级电容器单体置于超级电容器的内部,而不是串联在模组外的PCB板上,采用该内串式结构简化了模组结构,解决了现有技术中模组结构和工艺复杂的问题;进一步地,将超级电容器单体的保护结构(如,稳压二级管)置于模组内,可以克服超级电容器单体的离散性造成的电压不均衡性和减少模组整体的ESR。
在超级电容器内串联N个超级电容器单体,并将M个模组并联应用于反激式开关电源的直流低通滤波器,采用该串并联组合连接方式,串联的个数N和/ 或并联的个数M可以通过实际电路的需要而灵活选取,极大地便利了用户根据实际需要选择所需的超级电容器,并且使用更少的元器件就可以实现电路所需的参数,降低了电路的复杂度和电路成本,减小了电路的体积。
按照本申请提供的超级电容器单体的电极材料前驱体、隔膜、电解液、集流体的材料选取及制作工艺设计,降低了产品的成本,简化了生产工艺,容易使产品按预期性能指标和质量标准实现,提高了产品的质量。
附图说明
附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1是根据本申请实施例的超级电容器的内部结构示意图;
图2是根据本申请实施例的超级电容器的内部结构的侧面示意图;
图3是根据本申请实施例的超级电容器的超级电容器单体的电路连接示意图;
图4是根据本申请实施例的超级电容器的顶盖和正负极端子的示意图;
图5是现有技术的开关电源的部分电路图;
图6是根据本申请实施例的应用于反激式开关电源的超级电容器的串并联组合方式的示意图;以及
图7是根据本申请实施例的应用于反激式开关电源的超级电容器的参数确认方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中间”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
另外,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参考图1,在本申请的一个实施例中,超级电容器包括:电容模组11、圆柱形壳体13、顶盖15,
其中,电容模组11,电容模组包括N个串联连接的超级电容器单体111和 (N+1)个带中心孔的圆形弹簧压片113,每个超级电容器单体插入两个相邻的圆形弹簧压片之间,相邻的两个圆形弹簧压片间通过激光焊接有稳压二级管17,其中,N为大于等于1的自然数;
圆柱形壳体13,第一端设置有开口部,在内部容纳电容模组;
顶盖15,嵌合于开口部的内侧,顶盖上的孔151与电容模组的正极连接,从顶盖上的孔向外引出超级电容器的正极端子;顶盖的极耳153与电容模组的负极连接,从顶盖的极耳引出超级电容器的负极端子,
其中,顶盖、圆形弹簧压片以及超级电容器单体的几何中心在圆柱形外壳的几何中心轴上。
在上述实施例中,圆柱体壳体在内部容纳多个串联连接的超级电容器单体,也即,该串联连接的超级电容器单体置于超级电容器的内部,而不是串联在模组外的PCB(Printed Circuit Board,中文名称为印制电路板,又称印刷线路板) 板上,采用该内串式结构简化了模组结构,解决了现有技术中模组结构复杂的问题;进一步地,将超级电容器单体的保护结构(如,稳压二极管)置于模组内,可以克服超级电容器单体的离散性造成的电压不均衡性的问题。
可选地,圆柱形壳体13、顶盖15、以及圆形弹簧压片113(也可称之为带孔金属弹簧压片)可为同质金属(或铝钢合金或不锈钢合金),圆柱形壳体13、顶盖15、以及圆形弹簧压片113的厚度均不小于1mm,以更好地保持模组的工作稳定性和减小模组的体积。
可选地,在相邻两圆形弹簧压片间插入一只超级电容器单体,该插入方式可以通过偶配合来实现。在相邻两圆形弹簧压片间通过激光焊接有一只2.9V(±≤0.07V)的稳压二级管,以为超级电容器单体提供保护。可选地,在相邻两圆形弹簧压片的极耳114间通过激光焊接稳压二极管。
可选地,插入相邻两圆形弹簧压片间的超级电容器单体的两个电极分别与对应的上下两片圆形弹簧压片直接接触,即正极与稳压二极管的正极电接触,负极与稳压二极管的负极电接触。
需要说明的是,稳压二级管的电阻对应的允许电流应大于超级电容器单体的设计漏电流。可选地,可以使稳压二级管的工作电流大于电容漏电流50倍以上。
图2示出了一种可选的实施例,在该可选的实施例中,超级电容器单体111 为圆形扣式结构,圆形弹簧压片113为圆形结构,超级电容器单体的最大直径小于圆形弹簧压片的直径,例如,超级电容器单体的最大直径小于圆形弹簧压片的直径1mm。该图用作说明各元器件之间的位置关系,对各元器件的尺寸和大小比例关系不作具体限定。
例如,圆形弹簧压片的直径1.2mm,超级电容器单体的最大直径小于圆形弹簧压片的直径1.2mm(±≤0.01mm),以避免正极和负极短路,增强模组的稳定性。
通过上述实施例,可以使得模组在保持传统扣式形状的基础上,增强稳定性和可靠性。
可选地,(N+1)个带中心孔的圆形弹簧压片中的第一个圆形弹簧压片与顶盖之间设置有绝缘垫片19,绝缘垫片用于隔离模组的正负极,绝缘垫片的几何中心在圆柱形外壳的几何中心轴上。其中第一个圆形弹簧压片是指与圆柱状壳体的开口部距离最近的圆形弹簧压片。
进一步地,绝缘垫片可以为绝缘塑料片,例如,厚度为1mm PVC材料(即聚氯乙烯)。通过该绝缘垫片可以隔绝模组的正负极,以防止两极短路。
上述的顶盖、绝缘垫片、圆形弹簧压片、超级电容器单体均可以为圆柱结构,顶盖、绝缘垫片、圆形弹簧压片、超级电容器单体的几何中心(如,圆心) 可以在圆柱体组模金属外壳(即上述的圆柱形壳体)的几何中心轴上。
在另一可选的实施例中,N个超级电容器单体采取零电阻接触式压制方式串联连接,模组通过压制机一次性成型。
例如,该超级电容器可以由专业扣式超级电容器压制机一次性成型。
下面结合图2和图3详述本申请一个可选的实施例,在该可选实施例中,在超级电容器中串联了三个超级电容器单体,但本申请的技术方案不局限于两只,该超级电容器中串联的超级电容器单体可以为三只、四只乃至更多。
如图2所示,相邻两圆形弹簧压片间连接有一只稳压二级管,同时在相邻两圆形弹簧压片间安置一只超级电容器单体,超级电容器单体为圆形扣式结构,其最大直径小于弹簧压片直径1mm。三个超级电容器单体按照图3所示的电路和方向连接构成3只超级电容器单体串联模式,如图4所示,超级电容器整体的正极端子153由金属的顶盖15上的圆孔向外引出,负极端子155由金属的顶盖15直接引出,超级电容器的正负引极在整体封装外,超级电容器的外壳1与金属的顶盖电接触。
目前电器使用的电容器当前主要集中在纸介质电容器、有机薄膜电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器等。在传统电子线路中,无一例外地使用铝电解电容器做低频滤波器,铝电解电容器的比容较大,用于各种电源整流滤波储能等电路中,但铝电解电容器的缺点是致命的:使用寿命短、温度特性差、电解液的环境污染,尤其是比容体积小等。
由于超级电容器本身具有体积小和低污染的优点,使用超级电容器(简称:DTEDLC)中的双电层电容器EDLC(即Electrostatic double-layer capacitor)替代传统的电解滤波器,可以解决其环境污染大、寿命短、易爆、比容体积小的问题,实现了无污染、比容体积大的效果。
在反激式开关电源直流输出级的低通滤波应用场景中,普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性,无法满足开关电源的使用要求。为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声是目前此类开关电源低通滤波采用铝电解电容器的原因。如图5所示,图中的C15、L2、和C9构成CLCπ式直流输出低通滤波器,为了达到电池的电压和电流指标:输出直流电压:12V/5A,纹波电压50mv,工作频率:30kHz,第一级滤波需要7只同规格的25V/1000μF铝电解电容器并联,第二级滤波需要1只1000μF/25V铝电解电容器,共需8只这样的电容器(有证据表明国内生产的这种铝电解电容器在这种场合最多只用到3 只)并联,并且要加上一个30~100μH电感以遏制从第一级来的电流中的交流成分。
而选取本申请提供的一只超级电容器完全能达到上述指标,并且在电路的拓扑结构中可以去掉第一级滤波,变π式滤波为L式滤波(相当于开关电源直接给DTEDLC充电),大大简化了电路和减小了电路的体积。
在将本申请的超级电容器替换反激式开关电源的直流输出低通滤波器的场景中,可以分别对反激式开关电源的输出电流、并联铝电解电容器的数量、ESR 值、峰值电压等参数的分析,方便地确定对应的超级电容器DTEDLC的电容量和耐压值。
可选地,在反激式开关电源的应用场景中,可依据反激式开关电源的直流输出低通滤波器的结构和组成及功能需要的参数,确定超级电容器单体的组合模式。
由于超级电容器放电时,会按照一条斜率曲线放电。当确认了电容的容量、工作电压与内阻要求后,可根据电阻及电容量对放电特性的影响来选取超级电容器。
例如,在脉冲应用中,电容器的内电阻会对放电特性有影响,而在小电流应用中,电容容量对放电特性的影响较大。其中,V=I(R+t/C),V是起始工作电压与截止工作电压之差,I是平均工作电流,R是电容直流内阻,t是放电时间,C是电容容量。在脉冲应用中,由于瞬间电流很大,为减少电压跌落,可选用低内阻(ESR)的超级电容(R值),在小电流应用中,为降低电压跌落,可选用大容量的超级电容(C值)。
在反激式开关电源中选取超级电容器的规格的应用场景中,可以基于开关电源的输出级电流的交直流成分选取适当扩大其电容量范围的超级电容器。
可选地,可以按照图6所示的超级电容器单体串并联的组合连接方式在开关电源中设置超级电容器。
本申请上述实施例提供的超级电容器可包括N个串联的超级电容器单体,可以并联M个超级电容器,以实现图6所示的超级电容器单体串并联的组合连接方式。
可选地,N通过超级电容器的最大工作电压和标称比值确定,M基于反激式开关电源的平均工作电流确定,也可以通过反激式开关电源输出直流的ESR 参数确定。
通过上述实施例,采用该串并联组合连接方式,串联的个数N和/或并联的个数M可以通过实际电路的需要而灵活选取,极大地便利了用户根据实际需要选择所需的超级电容器。
可选地,N和M参数可以按照图7所示的方式(基于功率和释放该功率所需要的时间)确定:
步骤S701:确定指定功率和释放该功率所需的时间Δt。可选地,可以基于额定电压和电流值确定指定功率。
步骤S702:确定本技术EDLC模组的参数。其中,参数包括:最高输出电压UMAX、最低输出电压UMIN、平均放电电流I、电容器模组的总电容量Ct、以及电容器模块的总等效串联电阻R。其中,最高输出电压UMAX、最低输出电压 UMIN、可以从开关电源的实际应用设计标准获取,平均放电电流I基于如下公式计算得到:
IMAX=P/UMIN,IMIN=P/UMAX,I=(IMAX+IMIN)/2,其中,P为指定功率, UMIN为最低输出电压,UMAX为最高输出电压。而电容器模组的总电容量Ct、以及电容器模块的总等效串联电阻R可以通过UMAX、UMIN、I计算得到。
步骤S703:选取超级电容器的类型,可选地,超级电容器的类型包括:对称型、非对称型、以及水解和非水解类型。可以通过超级电容器单体建模得到。步骤S704:确定并联和串联的DTEDLC单体数量。
其中,DTEDLC的总容量C和内部阻抗R通过串并联的单体数量通过下列公式行计算:
Ct=C*M/N (1)
R=ESR*N/M (2)
其中,Ct表示设计标的电容量,C表示单体设计的最小电容量,R表示单体设计标的内阻,ESR表示模组的等效电阻,N表示串数,M表示并数,N串数通过Um(模组的最大电压)和标称电容值计算,而并联的个数M由平均工作电流确定。N串数通过Um(模块的最大电压)和单体容值值计算,而并联的个数 M由平均工作电流确定。
下面以输出功率为60W为例,详述确定超级电容器的参数的实现方案:
1、确定输出功率为12V/5A=60W,确定超级电容器输出功率(放电阶段) 时间Δt=1-5s。
2、计算超级电容器的主要设计参数:UMAX(最高输出电压),UMIN(最低输出电压),I(平均放电电流),R(模组的总等效串联电阻)=由单体结构确定约1290mΩ,确定模组总电容量Ct=0.01F。
3、选择超级电容器的类型(单体建模)
4、由Ct=C*M/N (1)
R=ESR*N/M (2)
其中,Ct表示设计标的电容量,在该示例中,Ct为0.01F;C表示单体设计的最小电容量,N表示串数,M表示并数。在该示例中,C为0.1F;R表示单体设计标的内阻。本步骤仅在于根据设计标的确定超级电容器单体的串并联数,电学计算不完全等同于数学计算,只是不超过一个数量级的估值。
计算串并联个数N=6(即计算得到的超级电容器内串联超级电容器单体的个数为6个),M=2(即计算得到将两个超级电容器并联到电路中)。
5、代入(3)和(4)并与仪器测量参数比照反复校验,以将理论计算与仪器测量做反复比较,从而修正设计参数。
其中,UMAX-UMIN=I(Δt/Ct+R) (3)
IMAX=P/UMIN,IMIN=P/UMAX,I=(IMAX+IMIN)/2 (4)
6、得出结论:功率为12V/5A=60W,ESR=0.54mΩ,容量C=0.1F,电压=16V。
假设,原电路所用铝电解电容器为1000uf/25V,每只铝电解电容器的ESR 为0.09Ω,7只并联ESR约为1/7=129mΩ。而选用DTEDSC作滤波器充电速度很快,可以忽略感生电动势的影响,并且仅需一只16V耐压接近1F容量的超级电容器,就可以将输出的纹波电压限制在50mV以下。可选地,超级电容器可以这样构成:6只0.1F单体串联,6只超级电容器单体串联所形成的DTEDLC 的超级电容器约为0.017F/16V,电容量很富裕;为减少ESR,可同时并联一组或两组这样的6只串联组合模组,这样超级电容器参数可将ESR降低到1Ω左右。
根据本发明上述任一实施例,超级电容器单体可以包括按照如下方式制成的电极片:
将棉籽壳或食用菌培养基在稀盐酸中浸泡第一预定时长,将浸泡后的棉籽壳或食用菌培养基水洗至不显酸性的第一生成物;
在将第一生成物在丙酮中浸泡第二预定时长之后以净水洗净,并用无水乙醇洗净得到第二生成物;
将第二生成物烘干;
将烘干的第二生成物在氩气氛围中逐步升温到第一预定温度,并恒温碳化第三预定时长,得到第三生成物;
将第三生成物与氢氧化钾按质量比1:3-7研磨成均匀的粉末,重新置于氩气氛围的管式炉中匀速升温至第一预定温度,并且恒温第三预定时长后取出;
将取出的活化产物重新在稀盐酸中洗涤,并在净水中洗涤呈中性,置于干燥箱中吹干,得到多孔碳电极材料;
按照多孔碳电极材料:磷粉:PTFE=8:0.5:1.5的比例,加入适量乙醇稀释研磨搅拌成浆料,即前驱体;
用预定目数的丝网将浆料丝印于铝箔上,在真空环境下干燥第四预定时长,将得到的产物切片,得到电极片。
可选地,在该实例中,采用活性炭(AC)作为双电极的前驱体材料,选取最廉价的棉籽壳或食用菌生成后的培养基弃料得到该前驱体。采用活性炭能够形成较好的乱层结构、材料来源广、加工简便、价格低、无污染,比表面积大,孔结构可控或基本可控。活性炭颗粒的微孔以及颗粒之间的空隙中浸渍有电解质溶液,活性炭与电解质之间能否充分浸渍将对电容器的电导率产生很大的影响,通过上述实施例中的制备方法得到的前驱体的微孔孔径和孔深可以提高电导率。
可选地,第一预定时长为4小时,第二预定时长为3小时,第一预定温度为600℃,第三预定时长为1小时,第四预定时长为10小时,预定目数为50目。采用该实施例中的参数值的可选实施例如下:
A、将棉籽壳或食用菌培养基在稀盐酸中浸泡4小时左右,水洗至不显酸性的第一生成物;
B、再将第一生成物在丙酮中浸泡3小时,以净水洗净,用无水乙醇洗净,得到第二生成物;
C、将第二生成物置于烘箱烘干;
D、将烘干的第二生成物在氩气氛围中逐步升温到600℃左右,恒温碳化1 小时,得到第三生成物;
E、将上述第三生成物与氢氧化钾按质量比1:3-7研磨成均匀的粉末,重新置于氩气氛围的管式炉中匀速升温至600℃左右,并且恒温1小时左右取出;
F、将取出的活化产物重新在稀盐酸中洗涤,最后在净水中洗涤呈中性,置于干燥箱中吹干,得所需多孔碳电极材料;
G、将多孔碳电极材料:磷粉:PTFE=8:0.5:1.5的比例,加入适量乙醇稀释研磨搅拌成浆料。
H、用50目丝网将浆料丝印于铝箔上,在真空80℃干燥10小时左右。
J、切片备用。
在一个可选的实施例中,超级电容器单体材料还包括粘结剂、电解质和隔膜,其中,粘结剂为添加入乙炔黑的PTFE,隔膜为多孔聚丙烯薄膜。
可选地,粘结剂可以选用非活性材料,其功能就是将活性炭颗粒牢固地粘结在集流体上,乙炔黑占上述总浆料质量1%,粘结剂总浆料质量占0.5%,减少其对超级电容器单体的ESR影响,对体积比容量和质量比容量的影响。例如,材料为PTFE,该材料成本低、涂覆工艺简单。
为了降低单体的ESR,可以在PTFE中添加一种能够改善活性炭材料电极导电性的物质,例如,乙炔黑,它具有可接受耐腐蚀性,高导热性,且导电性良好等特性。
在一个可选的实施例中,电解质可以选择水解电解质,例如,1MOL稀硫酸。
可选地,隔膜也可以选用一种非活性材料,选择原则是,高纯度和高电化学稳定度,对电解液的化学惰性,厚度尽可能小(例如在15-50μm之间),可选地,可以选择多孔聚丙烯薄膜。
在确定超级电容器单体各部件的材料之后,可以制作叠式的超级电容器单体。
可选地,可以直接按设计的拓扑结构在PCB板上焊接单元体来实现组装。例如,按照如下工作完成单体的成型:(活性炭+导电材料+粘结剂)—浆料成型—按设计尺寸切片—按单体结构组装—封装—灌电解质—加压封装。
在上述实施例中,未参考能量密度和比能量,得到容量较额定值大的小型超级电容器,且其滤波功能强。
表1示出了本申请的超级电容器的参数对应的技术指标:
表1
如上述实施例和表1所示,将本申请的超级电容器应用到开关电源,采用串并联的连接方式,可满足实际电路可根据需要灵活选取该电容模组的并联组数。极大地便利了用户根据实际应用所需的总电容量和总ESR、总工作电压等参数的自由组合和选择。并且,电路的拓扑结构中可以去掉第一级滤波,变π式滤波为L式滤波,使用更少的元器件数量就完全能达到该电路所需指标,同时将原电路的体积压缩了90%以上,降低了电路的复杂度和体积。
进一步地,按工作电压需要简便组合选取单体数量,将单体保护结构置于模组内以克服单体的离散型造成的电压不均衡性;单体串联采取零电阻接触压制,极大减小模组的ERS,满足设计目的反激式开关电源低通滤波的需要。并且超级电容器中的超级电容器单体的电极材料前驱体、隔膜、电解液、集流体的材料选取,及制作工艺设计,降低了产品的成本,且产品的质量高。
需要说明的是,上述实施例均为优选实施例,相关功能部件可以用其他部件代替,所涉及的单元和模组并不一定是本申请所必须的。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本申请所提供的一种基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种基于反激式开关电源低通滤波器的超级电容器,其特征在于,包括:
电容模组,所述电容模组包括N个串联连接的超级电容器单体和(N+1)个带中心孔的圆形弹簧压片,每个所述超级电容器单体安置在两个相邻的所述圆形弹簧压片之间,相邻的两个所述圆形弹簧压片间通过激光焊接有稳压二级管,其中,N为大于等于1的自然数;
圆柱形壳体,第一端设置有开口部,在内部容纳所述电容模组;
顶盖,嵌合于所述开口部的内侧,所述顶盖上的孔与所述电容模组的正极连接,从所述顶盖上的孔向外引出所述超级电容器的正极端子;所述顶盖与所述电容模组的负极连接,从所述顶盖的极耳引出所述超级电容器的负极端子,
其中,所述顶盖、所述圆形弹簧压片以及所述超级电容器单体的几何中心在所述圆柱形外壳的几何中心轴上。
2.根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于,所述超级电容器单体为圆形扣式结构,所述圆形弹簧压片为圆形结构,所述超级电容器单体的最大直径小于所述圆形弹簧压片的直径。
3.根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于,第一个所述圆形弹簧压片与所述顶盖之间设置有绝缘垫片,所述绝缘垫片用于隔离所述超级电容器的正负极,所述绝缘垫片的几何中心在所述圆柱形外壳的几何中心轴上。
4.根据权利要求1所述的超级电容器,其特征在于,所述N个超级电容器单体采取零电阻接触式压制方式串联连接,所述超级电容器通过压制机一次性成型。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的超级电容器,其特征在于,所述超级电容器单体包括按照如下方式制成的电极片:
将棉籽壳或食用菌培养基在稀盐酸中浸泡第一预定时长,将浸泡后的棉籽壳或食用菌培养基水洗至不显酸性的第一生成物;
在将所述第一生成物在丙酮中浸泡第二预定时长之后以净水洗净,并用无水乙醇洗净得到第二生成物;
将所述第二生成物烘干;
将烘干的第二生成物在氩气氛围中逐步升温到第一预定温度,并恒温碳化第三预定时长,得到第三生成物;
将所述第三生成物与氢氧化钾按质量比1:3-7 研磨成均匀的粉末,重新置于氩气氛围的管式炉中匀速升温至所述第一预定温度,并且恒温所述第三预定时长后取出;
将取出的活化产物重新在稀盐酸中洗涤,并在净水中洗涤呈中性,置于干燥箱中吹干,得到多孔碳电极材料;
按照多孔碳电极材料: 磷粉: PTFE=8: 0.5: 1.5的比例,加入适量乙醇稀释研磨搅拌成浆料;
用预定目数的丝网将所述浆料丝印于铝箔上,在真空环境下干燥第四预定时长,将得到的产物切片,得到所述电极片。
6.根据权利要求5所述的超级电容器,其特征在于,所述超级电容器单体还包括粘结剂、电解质和隔膜,其中,所述粘结剂为添加入乙炔黑的PTFE,所述隔膜为多孔聚丙烯薄膜。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的超级电容器,其特征在于,M个所述超级电容器并联应用于反激式开关电源,其中,M为自然数。
8.根据权利要求7所述的超级电容器,其特征在于,N通过所述超级电容器的最大输出电压和标称电容量确定,M基于所述开关电源输出直流的ESR参数确定。
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