專利名稱：雙層電容器和組合電池型電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源裝置或電子電路用的大容量雙層電容器，更具體地是指作為單元電容器使用的、通過外部引線將多個單元電容器串聯(lián)形成組合電池結(jié)構(gòu)的雙層電容器，通過將多個單元電容器串聯(lián)連接所形成的組合電源型電源裝置的輸出電壓為8V或更高。
從有效地利用能源的角度考慮，供電源裝置使用的具有大容量的雙層電容器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于例如安裝有由汽油內(nèi)燃機(jī)/雙層電容器構(gòu)成的動力源系統(tǒng)的混合型汽車、電動汽車、太陽電池/雙層電容器的電源系統(tǒng)。此外，對采用雙層電容器的電子裝置電源的需求也不斷增大?，F(xiàn)已研制出電源裝置用的大容量雙層電容器，一種采用水溶液型電解質(zhì)，一種采用有機(jī)溶劑型電解質(zhì)。由于采用有機(jī)電解質(zhì)的低電阻、大容量的雙層電容器能夠增大工作電壓，因此，與采用水溶液型電解質(zhì)雙層電容器相比，它能夠提高能量密度。
在采用有機(jī)電解質(zhì)的雙層電容器中，電容器元件是通過在一對相反極性的電極之間插入一隔離體并滾卷而形成的，每個電極包括一個金屬電流集電器箔，其上附著主要由活性炭粉末組成的薄膜極化電極。將灌有有機(jī)電解質(zhì)的電容器元件放入由金屬制成的有底圓柱形外殼中。用密封橡膠、密封墊、襯有橡膠的酚醛樹脂板或酚醛樹脂和橡膠的層壓板這類密封材料密封金屬外殼的開口，以阻止電解質(zhì)蒸發(fā)。此外，最近已經(jīng)提出采用聚合物電解質(zhì)凝膠。
除了所謂的電極箔滾卷型雙層電容器外，日本未審查專利公報JP-A-4-154106提出一種大電流和大容量的雙層電容器，其中裝有疊層型電容器元件，它是將很多平板形狀的電極和隔離體層疊起來而形成的。所提出的電容器電容大，且能夠長時間流出大的電流。
疊層型雙層電容器是按以下方式形成的。通過將許多個長方形極化電極和長方形隔離體層疊起來形成電容器元件，其中在極化電極之間交替地插入隔離體。通過壓接操作，使正電極和負(fù)電極分別與每個端部的正電極引線和負(fù)電極引線連接。將帶有引線的電容器元件放入一個由鋁材料制成的有底的多角管形外殼中。將有機(jī)電解質(zhì)灌入電容器元件。然后用鋁蓋板密封鋁外殼的開口。
對于這些電極，無論是雙層電容器的正電極還是其負(fù)電極主要是由比表面面積大的活性炭或多并苯構(gòu)成的。最近，已經(jīng)研制出靜電電容為10-10000F工作電壓為2.3-3V的作為單元電池型電源裝置用的雙層電容器。在利用雙層電容器作為電源裝置的情況中，通過外部引線將多個，如4至160個單元電容器串聯(lián)連接，以獲得預(yù)定的電源電壓，例如直流8V至380V。
通過將多個單元電容器串聯(lián)連接而形成的雙層電容器存在以下問題。當(dāng)將電壓施加到雙層電容器上時，由于在單元電容器中漏泄電流的散布，施加到單元電容器上的電壓是不均勻的，施加在一些單元電容器上的電壓超過工作電壓，結(jié)果發(fā)生電容器的性能退化，引起串聯(lián)連接的整個單元電容器的性能退化。
例如，當(dāng)將高于工作電壓1.5V或者更高的電壓長時間地施加到單元電容器上，電容器的性能退化是相當(dāng)大的。因此，需要確定施加到組合電池結(jié)構(gòu)中每個單元電容器上電壓的上限，具體而言，為工作電壓加0.15V，較佳地是加0.10V的方式確定電壓上限。
此外，由于在采用水溶液型電解質(zhì)的雙層電容器中單元電容器的電壓為0.8-1V，通過將10-200單元電容器元件層疊起來，可形成一個額定電壓為8-200V的疊合電容器。然而，這種疊層型電容器也存在上述的電壓散布的同樣問題。
為了消除這個問題，已知一種將具有相同電阻值的各個電阻并聯(lián)在串聯(lián)的單元電容器上的方法，從而降低串聯(lián)連接的每個單元電容器中的電壓散布(第一種傳統(tǒng)技術(shù))。此外日本未審查專利公報JP-A-6-302474提出一種方法，其中在一不用外部引線直接將多個單元電容器層疊起來的疊層型雙層電容器中，連接一個包括與每個單元電容器并聯(lián)連接的串聯(lián)齊納二極管和電阻的保護(hù)電路(第二種傳統(tǒng)技術(shù))。
然而，在將電阻并聯(lián)到每個單元電容器上的第一種傳統(tǒng)技術(shù)中，由于并聯(lián)連接的電阻，漏泄電流量增大到5-10倍，因此自放電量變大，大大降低了電壓保持特性。
在采用齊納二極管和電阻的第二種傳統(tǒng)技術(shù)中，在采用水溶液型電解質(zhì)的雙層電容器中發(fā)現(xiàn)存在電容器元件的靜電電容只有幾法拉這么小的效應(yīng)。然而，當(dāng)單元電容器的靜電電容為幾十法拉這么大，層疊的單元元件的數(shù)目有10-300層這么多時，單元元件中的電壓散布變大。
此外，在采用有機(jī)型電解質(zhì)的雙層電容器中，電容有幾十法拉這么大或更高，很難預(yù)計電壓均等效應(yīng)，此外，在層疊的單元電容器的側(cè)面，難以保證密封功能。另外，由于從外部滲透的水，降低電容器的工作電壓。
參考圖5進(jìn)行描述，圖5示出齊納二極管的工作特性圖。在傳統(tǒng)的技術(shù)中，采用齊納二極管中電流上升的部分Eb。另一方面，本發(fā)明申請已經(jīng)注意到齊納二極管中電流陡然上升的部分，并已深入地研究了能夠降低外加電壓散布同時抑制在過壓下出現(xiàn)短路的方法。結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將指定的齊納二極管特性與電容器特性相結(jié)合，能夠從實質(zhì)上降低外加電壓的散布。此外，通過設(shè)置齊納二極管和保險絲已經(jīng)成功地抑制電壓散布，同時改善了保護(hù)電路的安全性，沒有降低電壓保持特性。
根據(jù)本發(fā)明，通過將多個電容器元件串聯(lián)連接，提供一種作為單元電容器用的雙層電容器，形成一個組合電池型電源裝置，這里，每個電容器元件是通過將電解質(zhì)灌入至少一對中間插入隔離體的極化電極片中而形成的；雙層電容器包括一個保護(hù)電路，此中將一個在雙層電容器的平均工作電壓下工作電阻為10-150Ω的齊納二極管與每個雙層電容器并聯(lián)連接。
此外，根據(jù)本發(fā)明，通過外部引線將多個電容器元件連接起來，提供一種作為單元電容器用的雙層電容器，形成一個組合電池型電源裝置，這里，每個電容器元件是通過將電解質(zhì)灌入極化電極片中而形成的，在極化電極片之間插入一隔離體再層疊或滾卷，層疊或滾卷后的電容器元件被裝入一個有底的圓柱形密封容器中，用設(shè)置有正。負(fù)電極端子的密封構(gòu)件封閉密封容器的開口；雙層電容器包括一個保護(hù)電路，將一個在雙層電容器的平均工作電壓下工作電阻為20-150Ω的齊納二極管連接在正、負(fù)電極端子之間。
因此，本發(fā)明的雙層電容器可以或是單層型或是滾卷型，前者包括一對中間插入一隔離體的具有相反極性的極化電極片，后者包括以螺旋形式纏繞的多個以疊層形式或帶狀形式疊起的單層型電容器。
對于齊納二極管，發(fā)現(xiàn)即使在同一批中也存在相當(dāng)數(shù)量的齊納電阻散布，當(dāng)然這與種類有關(guān)。在測量一定批量的齊納二極管的齊納電阻時，最小值與最大值之比為2.5-5。
在選擇附著到本發(fā)明單元電容器上的齊納二極管時，齊納電阻的最小值與最大值之比較佳地為1.5或更小。當(dāng)比率超過1.5時，每個單元電容器中的電壓散布量較大。具體而言，采用1.2或更小的比率是較佳的。
對于電源裝置所用的單元電容器，具有靜電電容10F或更高的單元電容器能夠執(zhí)行本發(fā)明的功效。30F或更高的靜電電容則是更佳的。盡管沒有確定靜電電容的上限，但是試驗產(chǎn)生的靜電電容通常為3000-10000F。
從上可知，當(dāng)雙層電容器的靜電電容為30F或更大時，在電容器平均工作電壓下，雙層電容器的絕緣電阻與齊納二極管的齊納電阻之比為3∶1-1∶4是較佳的。
保護(hù)電路主要是由齊納二極管構(gòu)成的。然而，需要將一個保險絲串接到齊納二極管上。在這種情況下，在一塊合成樹脂絕緣板上形成串聯(lián)連接的齊納二極管和保險絲的整塊性的物體并將該整塊性的物體連接在正、負(fù)電極端子之間是較佳的。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供一個包括多個串聯(lián)連接的單元電容器元件的組合電池型電源裝置，這里，每個單元電容器是通過將電解質(zhì)灌入中間插入一隔離體的極化電極片中而形成的。每個電容器組包括預(yù)定個數(shù)的單元電容器和保護(hù)電路，對于電容器組，每個保護(hù)電路包括一個齊納二極管，在電容器組的額定電壓下，齊納二極管的工作電阻為10-150Ω，各個保護(hù)電路與各個電容器組并聯(lián)連接。
在形成電容器組中，每個組的電容器的數(shù)目較佳地為3-10個。在采用兩個電容器的情況下，需要增加電容器組的數(shù)目，每個電容器組中電壓散布量往往較大。此外，當(dāng)數(shù)目超過10時，在一個組中每個單元電容器的電壓散布量往往較大。因此，4-8個是較佳的。
在每個電容器組中單元電容器的數(shù)目可以是相同的，也可以是不同的。此外，當(dāng)電容器組中單元電容器的絕緣電阻值相互間相等時，能夠增大電容器組中單元電容器的個數(shù)。然而，當(dāng)絕緣電阻值的散布量較大時，為了減小電壓的散布量，應(yīng)當(dāng)減少單元電容器的個數(shù)。
當(dāng)串聯(lián)連接的單元電容器的個數(shù)較多時，應(yīng)當(dāng)并聯(lián)連接齊納二極管，從而分成3至10個組，如果必要的話，能夠均等構(gòu)成組合電池型電源電路的每個單元電容器的電壓。
在組合電池型電源裝置中，當(dāng)單元電容器的靜電電容為30F或更高時，在電容器組的額定電壓下，電容器組的絕緣電阻與齊納二極管的齊納電阻之比為3∶1-1∶4是較理想的。此外，電容器組的齊納二極管的齊納電阻，以最小值與最大值之比為1.5或更小為佳。
在電容器組中，可以將一個在單元電容器平均工作電壓下工作電阻為20-150Ω的齊納二極管并聯(lián)在每個單元電容器上。在這種情況下，單元電容器的齊納二極管的工作電阻與電容器組的齊納二極管的工作電阻之比以1∶1.2-1∶5為佳。此外，給電容器組的每個齊納二極管串聯(lián)一個保險絲是較佳的。
在本發(fā)明中，可以通過引線將多個單元電容器串聯(lián)連接。另外，可以按照日本未審查專利公報JP-A-6-302474中所述的，直接層疊多個單元電容器。在這種情況下，利用導(dǎo)電板，如由金屬板、導(dǎo)電橡膠片、玻璃化炭黑板等構(gòu)成的端面，將齊納二極管并聯(lián)在每個電容器組上是較佳的。
在本發(fā)明中，雙層電容器(單元電容器)的平均工作電壓Eav指每個單元電容器的平均電壓，在將n個單元電容器串聯(lián)連接形成一個組合電池型結(jié)構(gòu)的情況下，從外部施加到組合電池的額定電壓是V，那么Eav＝V/n。平均工作電壓Eav應(yīng)當(dāng)是單元電容器的額定電壓或者是低于額定電壓的電壓。電容器組的額定電壓Eb是單元電容器的額定電壓乘以電容器組中串聯(lián)的單元電容器的個數(shù)所獲得的電壓。
在表示齊納二極管工作特性的圖5中，齊納二極管的工作電阻指，在單元電容器的平均工作電壓Eav或者電容器組的額定電壓Eb下，由電壓的少量變化除以電流的少量變化獲得的電阻，即Z＝ΔVz/ΔIz。公式是在Eav或Eb處從切線的斜率獲得的。
當(dāng)齊納二極管的電壓為平均工作電壓Eav或額定電壓Eb時，齊納電阻Rz是齊納電流Iz在齊納二極管中流動的電阻，它是從Rz＝Eav/Iz或Rz＝Eb/Iz得到的。
當(dāng)在25℃下連續(xù)100小時施加額定電壓時，由漏泄電流值可以得到單元電容器的絕緣電阻值Rc。單元電容器的額定電壓意指允許的電壓，這里，在700℃下連續(xù)1000小時將直流電壓施加在單元電容器上的情況下靜電電容的變化率為30％之內(nèi)。
此外，當(dāng)在25℃下連續(xù)100小時將額定電壓施加在電容器組上時，由漏泄電流值可以得到電容器組的絕緣電阻值Rb。
如上所述，對于連接在每個單元電容器上的齊納二極管(單元電容器的齊納二極管)，在單元電容器的平均工作電壓Eav下，較佳地是采用一個工作電阻Z為10-150Ω，更好的是30-100Ω的齊納二極管。當(dāng)工作電阻Z超過150Ω時，電壓均等作用變得不充分。另一方面，當(dāng)工作電阻Z低于10Ω時，引起電容器的初始電容散布，當(dāng)存在負(fù)載起伏時，超過允許電流值的較大電流往往會在保護(hù)電路的齊納二極管中流過。結(jié)果，發(fā)生齊納二極管擊穿、保險絲熔斷等問題。
在將齊納二極管連接在每個電容器組上(電容器組的齊納二極管)的組合電池型電源裝置中，采用在電容器組額定電壓下工作電阻Z為10-150Ω的齊納二極管。然而，為了有效地控制全部單元電容器中的電壓散布量，必須降低電容器組之間的電壓散布，使之低于每個電容器組中的電壓散布。因此，在本發(fā)明中，電容器組的齊納二極管的工作電阻與單元電容器的齊納二極管的工作電阻之比確定為1∶1.2-1∶5。具體而言，較佳地電容器組的齊納二極管采用工作電阻為10-120Ω，比單元電容器齊納二極管工作電阻小。更佳地是采用15-70Ω的工作電阻。
當(dāng)電容器組的齊納二極管的工作電阻Z小于10Ω時，引起電容器組早期階段的靜電電容散布，當(dāng)負(fù)載存在起伏時，在保護(hù)電路中往往會流過較大的電流。在這種情況下，產(chǎn)生的電流高于齊納二極管的允許電流值。因此發(fā)生齊納二極管擊穿和保險絲斷開等問題。當(dāng)電容器組的齊納二極管的工作電阻Z大于150Ω時，電容器組之間的電壓散布量變大。
采用的單元電容器的齊納二極管，在單元電容器平均工作電壓Eav下單元電容器的絕緣電阻Rc與齊納電阻Rz之比為3∶1-1∶4，較佳地為2∶1-1∶3，在這種情況下單元電容器的靜電電容為30F。在上述比率中，當(dāng)齊納電阻Rz超過3∶1時，電壓散布量變大。另一方面，當(dāng)比率低于1∶4時，電路中的漏泄電流變大。
對于組合電池型電源裝置，采用的電容器組的齊納二極管，在額定電壓Ev下電容器組的絕緣電阻Rb與齊納電阻Rz之比為3∶1-1∶4。當(dāng)齊納電阻Rz大于上述值時，電壓的散布變大。另一方面，當(dāng)比率小于上述值時，電路的漏泄電流變大。較佳地采用2∶1-1∶3范圍內(nèi)的比率值。
在組合電池型電源裝置中，當(dāng)將過壓施加到連接于每個單元電容器或每個電容器組的齊納二極管時，有時發(fā)生齊納二極管的擊穿。為了防止這種缺點(diǎn)，最好將一個保險絲串接到齊納二極管上。理想的保險絲為電阻值低，如10Ω或更小的保險絲。當(dāng)保險絲的電阻值超過10Ω時，將降低保護(hù)電路的電壓平衡作用。保險絲的熔斷電流值的確定要考慮齊納二極管的電流允許值。
對于單元電容器的齊納二極管和電容器組的齊納二極管，需要采用均勻特性的齊納二極管。具體說，從同一批制造的產(chǎn)品中挑選的齊納二極管，采用在單元電容器的平均工作電壓Eav或電容器組的額定電壓Eb下具有均勻的工作電阻Z和均勻的齊納電阻Rz的齊納二極管。考慮到以上情況，本發(fā)明確定了在同一批產(chǎn)品中挑選齊納二極管的標(biāo)準(zhǔn)。就是說，齊納電阻的最小值與最大值之比為1.5或更小。
在將n個單元電容器串聯(lián)連接的組合電池型電源裝置中，額定電壓的上限較佳地為每個單元電容器額定電壓值的n倍。在本發(fā)明中，由于利用較少個數(shù)的單元電容器能夠形成在高壓下工作的組合電池型電源裝置，所以尤其是，采用灌注有機(jī)電解質(zhì)的大電容的雙層電容器作為單元電容器是較佳的。
在本發(fā)明中，每個電容器組的額定電壓較佳地為8-50V。通過將這些電容器組串聯(lián)連接，形成一個額定電壓16-400V的電源裝置，電壓的均等作用是顯著的。特別是，通過將電容器組的額定電壓確定為10-25V，可獲得實質(zhì)的電壓均等效果。當(dāng)電容器組的額定電壓低于8V時，電源電路的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。另一方面，當(dāng)額定電壓超過50V時，不能預(yù)期電壓均等效果。
即使當(dāng)單元電容器的靜電電容為1-10F時，將8個或更多個單元電容器串聯(lián)連接，可形成電源電壓為20V或更高的電源裝置。即使在這種情況中，也能夠抑制單元電容器的電壓散布量。這種電源裝置作為電子電路的小尺寸電源是很有用的。
通常，電源裝置的電源需要具有長時間的能量儲存效應(yīng)。因此，對于串聯(lián)連接電容器的電源電路，要求具有有效的電壓儲存效應(yīng)。在采用并聯(lián)電阻的電壓平衡電路的傳統(tǒng)電源中，存在大大降低電壓儲存效應(yīng)的缺點(diǎn)。
采用本發(fā)明的電壓平衡保護(hù)電路，由于在額定電壓附近的漏泄電流量很小，電壓儲存效應(yīng)很少降低。然而，如圖5所示，在電壓從額定電壓下降5-10％的區(qū)域中，齊納電流陡然下降，因而在組合電池型電源裝置中漏泄電流降低。結(jié)果，基本上能夠獲得與電容器本身相同的電壓儲存效應(yīng)。實際上，可以獲得足夠電壓儲存效應(yīng)。
在本發(fā)明中，將多個單元電容器串聯(lián)連接形成的組合電池結(jié)構(gòu)，在長時間施加電壓期間或在充電/放電循環(huán)后，能夠降低每個單元電容器中的電壓散布。在這種情況下，較佳地將電容器的電容散布抑制在±10％之內(nèi)，尤其是±5之內(nèi)，以阻止每個單元電容器中初始電壓的散布。
在本發(fā)明雙層電容器所用的極化電極的較佳實施例中，將高比表面面積的碳材料涂覆在金屬制成的集電箔上，形成片狀的電極。片狀電極與隔離體交替地層疊形成一個疊層產(chǎn)品?；蛘邔B層產(chǎn)品卷起來形成一個卷筒產(chǎn)品。將電解質(zhì)灌入疊層產(chǎn)品或卷筒產(chǎn)品中，并將疊層產(chǎn)品或卷筒產(chǎn)品放入密封容器中。用設(shè)置有正、負(fù)電極端子的密封構(gòu)件閉合容器的開口。從而形成一個單元電容器。在這種情況下，采用有機(jī)電解質(zhì)是較佳的，因為它比水溶液型電解質(zhì)的能量密度更高。尤其是，由于碳酸酯型溶劑或環(huán)丁砜型溶劑是化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定的，電導(dǎo)率高，低溫特性好，用它們作電解質(zhì)溶劑是較理想的。此外，在本發(fā)明中，采用聚合物電解質(zhì)的電容器將是有效的。
在本發(fā)明中，在正、負(fù)電極之間至少有一個電極是極化電極，在將一個電化學(xué)元件串聯(lián)連接的情況下，獲得了均等電壓的顯著效應(yīng)。
附圖中

圖1是本發(fā)明組合電池結(jié)構(gòu)一個實施例的電路圖，這里三個雙層電容器串聯(lián)連接，給每個電容器提供一個保護(hù)電路。
圖2是本發(fā)明組合電池結(jié)構(gòu)一個實施例的平面圖，這里6個雙層電容器串聯(lián)連接，每個電容器具有長方形的結(jié)構(gòu)并提供有保護(hù)電路。
圖3是帶有保護(hù)電路的組合電池型電源的另一個實施例的電路圖。
圖4是帶有保護(hù)電路的組合電池型電源的另一個實施例的電路圖。
圖5是齊納二極管的特性圖。
參考附圖將描述本發(fā)明的較佳實施例。
圖1示出本發(fā)明組合電池型電源裝置的一個實施例，這里組合電池型電源裝置是將3個單元電容器的外部引線(未示出)串聯(lián)連接而形成的，其中，每個單元電容器是由一個采用有機(jī)電解質(zhì)的雙層電容器1組成的，直流電源E連接到組合型電源裝置上。
在圖1中，保護(hù)電路4包括連接在每個單元電容器1(雙層電容器)正、負(fù)電極端子之間的串聯(lián)的齊納二極管2和保險絲3。在上述的單元電容器1的平均工作電壓Eav下，齊納二極管2的工作電阻Z為10-150Ω。
當(dāng)單元電容器1的靜電電容為30F或更大時，在平均工作電壓Eav下，單元電容器1的絕緣電阻Rc與齊納二極管2的齊納電阻Rz之比應(yīng)當(dāng)為3∶1-1∶4。
在這個實施例中，保險絲3防止齊納二極管2因過壓而擊穿。保險絲的電阻值較佳地確定為10Ω或更小，從而電壓平衡作用不會被保護(hù)電路4降低。保險絲的熔斷電流值的確定要考慮齊納二極管的允許電流值。
本發(fā)明雙層單元電容器1的基本結(jié)構(gòu)可以是單層結(jié)構(gòu)、長方形結(jié)構(gòu)或圓柱形結(jié)構(gòu)，其中，以相對的關(guān)系設(shè)置一對極化電極板，其間插入一隔離體。在任何一種結(jié)構(gòu)中，較佳地在同一平面上設(shè)置正、負(fù)電極端子，以便有效地將保護(hù)電路4連接到串聯(lián)連接的單元電容器上。
圖2示出組合電池型電源裝置一個實施例，其中6個具有長方形結(jié)構(gòu)的單元電容器1通過外部引線5串聯(lián)連接。設(shè)置在兩端的單元電容器1與接至直流充電電源E的電源引線6相連接。
圖2是組合電池型電源裝置的俯視圖，圖中未示出內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每個具有長方形結(jié)構(gòu)的單元電容器1是按如下方法形成的。分別形成長方形的極化電極板和隔離體，將其交替地疊合，形成電容器元件。通過壓接，使正、負(fù)電極引線分別連接電容器元件正、負(fù)電極的端部。將具有正、負(fù)電極引線的電容器元件放入由鋁這類材料制成的有底長方形外殼中。將有機(jī)電解質(zhì)灌注到電容器元件中，然后用蓋板7密封外殼的開口。
在長方形結(jié)構(gòu)的單元電容器1中，用形狀與開口相同的由鋁這類材料制成的蓋板7密封長方形外殼的開口。給蓋板7設(shè)置正、負(fù)電極端子，通過插入電絕緣的樹脂或類似材料，正、負(fù)電極端子穿透蓋板7，且正、負(fù)電極端子分別連接到在外殼內(nèi)的電容器元件延伸出來的正、負(fù)引線。在圖2中，正、負(fù)電極端子分別用符號“+”和“-”表示。通常，用固定外部引線5的螺母提供這些端子。
在本發(fā)明中，保護(hù)電路4連接在設(shè)置在蓋板7上的正電極端子“+”與負(fù)電極端子“-”之間。在這種情況下，較佳地形成一個固定在絕緣板8上的由齊納二極管2和保險絲3串聯(lián)的整塊性的物體。采用這種結(jié)構(gòu)，僅僅通過螺母的緊固操作，將保護(hù)電路4連接在正、負(fù)電極端子之間，便可獲得保護(hù)電路的有效組合操作。此外，整塊性的物體可以防止齊納二極管2和保險絲3由于振動或者外部應(yīng)力施加到其上而擺動以及防止齊納二極管2或保險絲3與外部引線5或其它激活部件產(chǎn)生不希望有的斷開或接觸。
圖3示出本發(fā)明組合電池型電源裝置的另一個實施例，其中將12個單元電容器1串聯(lián)連接。更詳細(xì)地說，12個單元電容器被劃分為3個電容器組B1-B3，每一個組是由4個單元電容器1構(gòu)成的，保護(hù)電路4a與每個電容器組B1-B3并聯(lián)連接。
在這個實施例中，每個保護(hù)電路4a包括串聯(lián)連接的一個齊納二極管2a和一個保險絲3a，這里，在電容器組B的額定電壓Eb下，齊納二極管2a的工作電阻Z為10-150Ω。為了不減弱保護(hù)電路4a的電壓平衡作用，保險絲3a的電阻值取為10Ω或更低。
當(dāng)每個單元電容器1的靜電電容為30F或更高時，在電容器組B的額定電壓Eb下，電容器組B的絕緣電阻Rb與齊納二極管的齊納電阻Rz之比應(yīng)當(dāng)為3∶1-1∶4。
圖4示出組合電池型電源裝置的另一個實施例。在這個實施例中，多個單元電容器1被劃分成多個電容器組B。保護(hù)電路4a與每個電容器組B并聯(lián)連接。此外，在每個電容器組B中，保護(hù)電路4與每個單元電容器1并聯(lián)連接。保護(hù)電路4可以與圖1中所示的保護(hù)電路相同。也就是說，在單元電容器1的平均工作電壓Eav下，齊納二極管的工作電阻Z為10-150Ω。
現(xiàn)在參考實施例詳細(xì)描述本發(fā)明。然而應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不受這些具體實施例所限制。
例14個絕緣電阻Rc分別是930Ω、810Ω、400Ω和340Ω的長方形單元電容器(有機(jī)電解質(zhì)型雙層電容器，靜電電容1300F，額定電壓2.5V，尺寸為高15cm，寬7cm，厚2.2cm)串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav(平均工作電壓)下工作電阻Z為63Ω、同樣在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為320Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.42-2.57V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1.06∶1。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。保險絲的電阻是2.5Ω。
例2以與實施例1相同的方式，將4個單元電容器串聯(lián)連接，形成一個組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為64Ω、同樣在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為900Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.40-2.58V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶2.6。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.03∶1。
例34個具有與實施例1相同長方形結(jié)構(gòu)的、絕緣電阻Rc分別是960Ω、470Ω、330Ω和210Ω的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、同樣在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為320Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.3 5-2.60V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶1.5。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。
例44個具有與實施例1相同長方形結(jié)構(gòu)的、絕緣電阻Rc分別是12000Ω、11000Ω、2800Ω和960Ω的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、同樣在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為900Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.41-2.55V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1.06∶1。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.03∶1。
例54個絕緣電阻Rc分別是650Ω、500Ω、400Ω和300Ω的圓柱形單元電容器(有機(jī)電解質(zhì)型雙層電容器，靜電電容800F，額定電壓2.5V，尺寸為直徑5cm，高12cm)串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為320Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.42-2.53V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶1.06。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。
例6
4個具有與實施例1相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為135Ω、在2.5VEav下齊納電阻Rz平均為900Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.35-2.65V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶2.6。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。
例74個具有與實施例1相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、在2.5VEav下齊納電阻Rz平均為480Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.34-2.63V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1.06∶1。齊納電阻的最小值與最大值之比為2.23∶1。
例84個具有與實施例1相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、在2.5VEav下齊納電阻Rz平均為600Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.40-2.61V。此外，在100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1.06∶1。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.2∶1。
比較例14個具有與實施例1相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。沒有將齊納二極管和保險絲組成的保護(hù)電路連接到每個單元電容器上，在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.19-2.75V。此外，在100小時后，電壓的散布量增大。
比較例2
4個具有與實施例3相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。沒有將齊納二極管和保險絲組成的保護(hù)電路連接到每個單元電容器上，在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.03-2.90V。此外，在100小時后，電壓的散布量增大。
比較例34個具有與實施例4相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。沒有將齊納二極管和保險絲組成的保護(hù)電路連接到每個單元電容器上，在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.20-2.70V。此外，在100小時后，電壓的散布量增大。
比較例44個具有與實施例1相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為225Ω、在2.5VEav下齊納電阻Rz平均為1600Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.26-2.71V。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶4.7。在100小時后，電壓的散布量增大。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。
比較例54個具有與實施例1相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為64Ω、在2.5VEav下齊納電阻Rz平均為900Ω的齊納二極管和一個10.00Ω的電阻串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.19-2.75V。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶2.6。在100小時后，電壓的散布量增大。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。
比較例64個具有與實施例2相同結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個額定電壓為10V的組合電池型電源。將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為64Ω、在2.5VEav下齊納電阻Rz平均為900Ω的齊納二極管和一個90Ω的電阻串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在室溫下通過施加10.00V電壓100小時，對組合器件充電。在測量每個單元電容器的電壓時，電壓的散布量為2.28-2.70V。齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶2.6。在100小時后，電壓的散布量增大。齊納電阻的最小值與最大值之比為1.04∶1。
例916個絕緣電阻Rc為11000Ω-190Ω、額定電壓為2.5V、靜電電容為1300F的長方形結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個組合電池型電源裝置。每個單元電容器的電壓散布量在±3.4％以內(nèi)。這樣，額定電壓為40V的組合電池型電源裝置是將4個額定電壓Eb為10V電容器組串聯(lián)連接形成的，其中每個電容器組是將4個單元電容器串聯(lián)連接而形成的。作為單元電容器的齊納二極管，將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為370Ω的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在齊納二極管和保險絲連接到單元電容器的狀態(tài)中，每個電容器組的絕緣電阻Rb為1070Ω-590Ω。
串聯(lián)電路包括一個在電容器組額定電壓Eb10V下工作電阻Z為20Ω、在相同Eb10V下齊納電阻Rz平均為670Ω的電容器組用的齊納二極管和一個0.2A的保險絲，與每個電容器組并聯(lián)連接。
在室溫下通過施加40V電壓100小時，對組合電池型電源裝置充電。在測量電壓時，16個單元電容器的電壓散布量為2.39-2.57V。100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。保險絲的電阻為2.5Ω。電容器組的齊納電阻與最小絕緣電阻值之比為1∶1.4。單元電容器的齊納二極管的最小值與最大值之比為1.3∶1，在電容器組中齊納二極管與單元電容器并聯(lián)連接。此外，電容器組的齊納二極管的最小值與最大值之比為1.04∶1，齊納二極管與每個電容器組并聯(lián)連接。
例10以與實施例9相同的方式，將16個絕緣電阻Rc為11000Ω-190Ω、額定電壓為2.5V、靜電電容為1300F的長方形結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個組合電池型電源裝置。就是說，額定電壓為40V的組合電池型電源裝置是將4個額定電壓Eb為10V電容器組串聯(lián)連接形成的，其中每個電容器組是將4個單元電容器串聯(lián)連接而形成的。
將一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、在2.5V Eav下齊納電阻Rz平均為370Ω的單元電容器用的齊納二極管和一個0.2A的保險絲串聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在每個電容器組中，與單元電容器并聯(lián)的齊納二極管的最小值與最大值之比為1.3∶1。
沒有將齊納二極管和保險絲組成的串聯(lián)電路與每個電容器組并聯(lián)連接，在室溫下通過施加40V電壓100小時，對組合電池型電源裝置充電。在測量單元電容器的電壓時，16個單元電容器的電壓散布量為2.21-2.67V。100小時后，發(fā)現(xiàn)電壓散布量沒有變化。
比較例7以與實施例9相同的方式，將16個絕緣電阻Rc為11000Ω-190Ω、額定電壓為2.5V、靜電電容為1300F的長方形結(jié)構(gòu)的單元電容器串聯(lián)連接，從而形成一個組合電池型電源裝置。這樣，額定電壓為40V的組合電池型電源裝置是將4個額定電壓Eb為10V電容器組串聯(lián)連接形成的，其中每個電容器組是將4個單元電容器串聯(lián)連接而形成的。
串聯(lián)電路包括一個在2.5V Eav下工作電阻Z為63Ω、在2.5V Eav下齊納電阻平均為370Ω的單元電容器用的齊納二極管和一個電阻為90Ω的電阻，并聯(lián)連接在每個單元電容器的正、負(fù)電極端子之間。在每個電容器組中，與單元電容器并聯(lián)的齊納二極管的最小值與最大值之比為1.3∶1。
沒有將齊納二極管和保險絲組成的串聯(lián)電路與每個電容器組并聯(lián)連接，在室溫下通過施加40V電壓19小時，對組合電池型電源裝置充電。在測量16個單元電容器的電壓時，其電壓散布量為2.1 5-2.78V。19小時后，電壓散布量進(jìn)一步增大。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在將多個單元雙層電容器串聯(lián)連接形成的組合電池結(jié)構(gòu)中，在對組合電池結(jié)構(gòu)充電時，能夠有效地抑制單元雙層電容器的電壓散布量。此外，與將一個保護(hù)電阻并聯(lián)在單元電容器上的傳統(tǒng)技術(shù)不同，能夠阻止在保護(hù)電路中流動電流的增大。因此，能夠獲得優(yōu)良的電壓保持效果，即使任何一個單元雙層電容器失效時，引起組合結(jié)構(gòu)電路短路的可能性也極小。
此外，通過在一個絕緣板上形成包括串聯(lián)的齊納二極管和保險絲的整塊性的保護(hù)電路，易于將保護(hù)電路連接在單元雙層電容器的正、負(fù)電極端子之間。此外，當(dāng)蓋板是金屬制成時，絕緣板還起設(shè)置有正、負(fù)電極端子的蓋板的絕緣件的作用。再說，還能夠降低在組裝工作中構(gòu)成部件的數(shù)目和勞動量。
權(quán)利要求
1.一種作為單元電容器用的雙層電容器，通過將多個電容器元件串聯(lián)連接形成一個組合電池型電源裝置，其中，每個電容器元件是通過將電解質(zhì)灌入至少一對中間插入隔離體的極化電極板中而形成的；其特征在于雙層電容器包括一個保護(hù)電路，將一個在雙層電容器平均工作電壓下工作電阻為10-150Ω的齊納二極管并聯(lián)連接在每個雙層電容器上。
2.一種作為單元電容器用的雙層電容器，通過外部引線將多個電容器元件連接起來形成一個組合電池型電源裝置，其中，每個電容器元件是通過將電解質(zhì)灌入極化電極板中而形成的，在極化電極板之間插入一隔離體而疊合或滾卷；經(jīng)疊合或滾卷的電容器元件放入一個有底的圓柱形密封容器中，用一個設(shè)置有正、負(fù)電極端子的密封件閉合密封容器的開口，其特征在于雙層電容器包括一個保護(hù)電路，將一個在雙層電容器平均工作電壓下工作電阻為20-150Ω的齊納二極管連接在正、負(fù)電極端子之間。
3.如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于齊納二極管的齊納電阻的最小值與最大值之比為1.5或更低。
4.如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于雙層電容器的靜電電容為30法拉或更大，在雙層電容器平均工作電壓下，雙層電容器的絕緣電阻與齊納二極管的齊納電阻之比為3∶1-1∶4。
5.如權(quán)利要求1所述的雙層電容器，其特征在于在保護(hù)電路中，將一個保險絲與齊納二極管串聯(lián)連接。
6.如權(quán)利要求2所述的雙層電容器，其特征在于在合成樹脂整塊性的絕緣板上，將一個保險絲與齊納二極管串聯(lián)連接，串聯(lián)的保險絲和齊納二極管被插在正、負(fù)電極端子之間。
7.如權(quán)利要求5所述的雙層電容器，其特征在于保險絲的電阻為10Ω或更小。
8.一種組合電池型電源裝置，包括串聯(lián)連接的多個單元電容器元件作為單元電容器，其中，每個單元電容器是通過將電解質(zhì)灌入至少一對中間插入隔離體的極化電極板中而形成的；其特征在于組合電池型電源裝置包括多個電容器組和保護(hù)電路，每個電容器組包括預(yù)定個數(shù)的單元電容器，對于一個電容器組，每個保護(hù)電路包括一個齊納二極管，在電容器組的額定電壓下，齊納二極管的工作電阻為10-150Ω；每個保護(hù)電路與每個電容器組并聯(lián)連接。
9.如權(quán)利要求8所述的組合電池型電源裝置，其特征在于電容器組的齊納二極管的齊納電阻的最小值與最大值之比為1.5或更小。
10.如權(quán)利要求8所述的組合電池型電源裝置，其特征在于單元電容器的靜電電容為30法拉第或更大，在電容器組額定電壓下，電容器組的絕緣電阻與齊納二極管的齊納電阻之比為3∶1-1∶4。
11.如權(quán)利要求8所述的組合電池型電源裝置，其特征在于保護(hù)電路包括一個齊納二極管，將在單元電容器平均工作電壓下工作電阻為20-150Ω的齊納二極管與每個單元電容器并聯(lián)連接。
12.如權(quán)利要求11所述的組合電池型電源裝置，其特征在于單元電容器的齊納二極管的工作電阻與電容器組的齊納二極管的工作電阻之比為1∶1.2-1∶5。
13.如權(quán)利要求8所述的組合電池型電源裝置，其特征在于電容器組的額定電壓為8-50V。
14.如權(quán)利要求8所述的組合電池型電源裝置，其特征在于保險絲與電容器組的齊納二極管串聯(lián)連接。
全文摘要
用一種雙層電容器作為單元電容器,通過將多個電容器元件串聯(lián)連接形成一個組合電池型電源裝置。這里,每個電容器元件是通過將電解質(zhì)灌入至少一對中間插入隔離體的極化電極板中而形成的。在每個雙層電容器上并聯(lián)連接一個包含齊納二極管的保護(hù)電路,在雙層電容器的平均工作電壓下,齊納二極管的工作電阻為10—150Ω。
文檔編號H02J1/00GK1188973SQ97108759
公開日1998年7月29日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者數(shù)原學(xué), 平冢和也, 河里健, 對馬學(xué) 申請人:旭硝子株式會社