专利名称：双层电容器和组合电池型电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源装置或电子电路用的大容量双层电容器，更具体地是指作为单元电容器使用的、通过外部引线将多个单元电容器串联形成组合电池结构的双层电容器，通过将多个单元电容器串联连接所形成的组合电源型电源装置的输出电压为8V或更高。
从有效地利用能源的角度考虑，供电源装置使用的具有大容量的双层电容器已经被广泛地应用于例如安装有由汽油内燃机/双层电容器构成的动力源系统的混合型汽车、电动汽车、太阳电池/双层电容器的电源系统。此外，对采用双层电容器的电子装置电源的需求也不断增大。现已研制出电源装置用的大容量双层电容器，一种采用水溶液型电解质，一种采用有机溶剂型电解质。由于采用有机电解质的低电阻、大容量的双层电容器能够增大工作电压，因此，与采用水溶液型电解质双层电容器相比，它能够提高能量密度。
在采用有机电解质的双层电容器中，电容器元件是通过在一对相反极性的电极之间插入一隔离体并滚卷而形成的，每个电极包括一个金属电流集电器箔，其上附着主要由活性炭粉末组成的薄膜极化电极。将灌有有机电解质的电容器元件放入由金属制成的有底圆柱形外壳中。用密封橡胶、密封垫、衬有橡胶的酚醛树脂板或酚醛树脂和橡胶的层压板这类密封材料密封金属外壳的开口，以阻止电解质蒸发。此外，最近已经提出采用聚合物电解质凝胶。
除了所谓的电极箔滚卷型双层电容器外，日本未审查专利公报JP-A-4-154106提出一种大电流和大容量的双层电容器，其中装有叠层型电容器元件，它是将很多平板形状的电极和隔离体层叠起来而形成的。所提出的电容器电容大，且能够长时间流出大的电流。
叠层型双层电容器是按以下方式形成的。通过将许多个长方形极化电极和长方形隔离体层叠起来形成电容器元件，其中在极化电极之间交替地插入隔离体。通过压接操作，使正电极和负电极分别与每个端部的正电极引线和负电极引线连接。将带有引线的电容器元件放入一个由铝材料制成的有底的多角管形外壳中。将有机电解质灌入电容器元件。然后用铝盖板密封铝外壳的开口。
对于这些电极，无论是双层电容器的正电极还是其负电极主要是由比表面面积大的活性炭或多并苯构成的。最近，已经研制出静电电容为10-10000F工作电压为2.3-3V的作为单元电池型电源装置用的双层电容器。在利用双层电容器作为电源装置的情况中，通过外部引线将多个，如4至160个单元电容器串联连接，以获得预定的电源电压，例如直流8V至380V。
通过将多个单元电容器串联连接而形成的双层电容器存在以下问题。当将电压施加到双层电容器上时，由于在单元电容器中漏泄电流的散布，施加到单元电容器上的电压是不均匀的，施加在一些单元电容器上的电压超过工作电压，结果发生电容器的性能退化，引起串联连接的整个单元电容器的性能退化。
例如，当将高于工作电压1.5V或者更高的电压长时间地施加到单元电容器上，电容器的性能退化是相当大的。因此，需要确定施加到组合电池结构中每个单元电容器上电压的上限，具体而言，为工作电压加0.15V，较佳地是加0.10V的方式确定电压上限。
此外，由于在采用水溶液型电解质的双层电容器中单元电容器的电压为0.8-1V，通过将10-200单元电容器元件层叠起来，可形成一个额定电压为8-200V的叠合电容器。然而，这种叠层型电容器也存在上述的电压散布的同样问题。
为了消除这个问题，已知一种将具有相同电阻值的各个电阻并联在串联的单元电容器上的方法，从而降低串联连接的每个单元电容器中的电压散布(第一种传统技术)。此外日本未审查专利公报JP-A-6-302474提出一种方法，其中在一不用外部引线直接将多个单元电容器层叠起来的叠层型双层电容器中，连接一个包括与每个单元电容器并联连接的串联齐纳二极管和电阻的保护电路(第二种传统技术)。
然而，在将电阻并联到每个单元电容器上的第一种传统技术中，由于并联连接的电阻，漏泄电流量增大到5-10倍，因此自放电量变大，大大降低了电压保持特性。
在采用齐纳二极管和电阻的第二种传统技术中，在采用水溶液型电解质的双层电容器中发现存在电容器元件的静电电容只有几法拉这么小的效应。然而，当单元电容器的静电电容为几十法拉这么大，层叠的单元元件的数目有10-300层这么多时，单元元件中的电压散布变大。
此外，在采用有机型电解质的双层电容器中，电容有几十法拉这么大或更高，很难预计电压均等效应，此外，在层叠的单元电容器的侧面，难以保证密封功能。另外，由于从外部渗透的水，降低电容器的工作电压。
参考图5进行描述，图5示出齐纳二极管的工作特性图。在传统的技术中，采用齐纳二极管中电流上升的部分Eb。另一方面，本发明申请已经注意到齐纳二极管中电流陡然上升的部分，并已深入地研究了能够降低外加电压散布同时抑制在过压下出现短路的方法。结果，已经发现，通过将指定的齐纳二极管特性与电容器特性相结合，能够从实质上降低外加电压的散布。此外，通过设置齐纳二极管和保险丝已经成功地抑制电压散布，同时改善了保护电路的安全性，没有降低电压保持特性。
根据本发明，通过将多个电容器元件串联连接，提供一种作为单元电容器用的双层电容器，形成一个组合电池型电源装置，这里，每个电容器元件是通过将电解质灌入至少一对中间插入隔离体的极化电极片中而形成的；双层电容器包括一个保护电路，此中将一个在双层电容器的平均工作电压下工作电阻为10-150Ω的齐纳二极管与每个双层电容器并联连接。
此外，根据本发明，通过外部引线将多个电容器元件连接起来，提供一种作为单元电容器用的双层电容器，形成一个组合电池型电源装置，这里，每个电容器元件是通过将电解质灌入极化电极片中而形成的，在极化电极片之间插入一隔离体再层叠或滚卷，层叠或滚卷后的电容器元件被装入一个有底的圆柱形密封容器中，用设置有正。负电极端子的密封构件封闭密封容器的开口；双层电容器包括一个保护电路，将一个在双层电容器的平均工作电压下工作电阻为20-150Ω的齐纳二极管连接在正、负电极端子之间。
因此，本发明的双层电容器可以或是单层型或是滚卷型，前者包括一对中间插入一隔离体的具有相反极性的极化电极片，后者包括以螺旋形式缠绕的多个以叠层形式或带状形式叠起的单层型电容器。
对于齐纳二极管，发现即使在同一批中也存在相当数量的齐纳电阻散布，当然这与种类有关。在测量一定批量的齐纳二极管的齐纳电阻时，最小值与最大值之比为2.5-5。
在选择附着到本发明单元电容器上的齐纳二极管时，齐纳电阻的最小值与最大值之比较佳地为1.5或更小。当比率超过1.5时，每个单元电容器中的电压散布量较大。具体而言，采用1.2或更小的比率是较佳的。
对于电源装置所用的单元电容器，具有静电电容10F或更高的单元电容器能够执行本发明的功效。30F或更高的静电电容则是更佳的。尽管没有确定静电电容的上限，但是试验产生的静电电容通常为3000-10000F。
从上可知，当双层电容器的静电电容为30F或更大时，在电容器平均工作电压下，双层电容器的绝缘电阻与齐纳二极管的齐纳电阻之比为3∶1-1∶4是较佳的。
保护电路主要是由齐纳二极管构成的。然而，需要将一个保险丝串接到齐纳二极管上。在这种情况下，在一块合成树脂绝缘板上形成串联连接的齐纳二极管和保险丝的整块性的物体并将该整块性的物体连接在正、负电极端子之间是较佳的。
此外，根据本发明，提供一个包括多个串联连接的单元电容器元件的组合电池型电源装置，这里，每个单元电容器是通过将电解质灌入中间插入一隔离体的极化电极片中而形成的。每个电容器组包括预定个数的单元电容器和保护电路，对于电容器组，每个保护电路包括一个齐纳二极管，在电容器组的额定电压下，齐纳二极管的工作电阻为10-150Ω，各个保护电路与各个电容器组并联连接。
在形成电容器组中，每个组的电容器的数目较佳地为3-10个。在采用两个电容器的情况下，需要增加电容器组的数目，每个电容器组中电压散布量往往较大。此外，当数目超过10时，在一个组中每个单元电容器的电压散布量往往较大。因此，4-8个是较佳的。
在每个电容器组中单元电容器的数目可以是相同的，也可以是不同的。此外，当电容器组中单元电容器的绝缘电阻值相互间相等时，能够增大电容器组中单元电容器的个数。然而，当绝缘电阻值的散布量较大时，为了减小电压的散布量，应当减少单元电容器的个数。
当串联连接的单元电容器的个数较多时，应当并联连接齐纳二极管，从而分成3至10个组，如果必要的话，能够均等构成组合电池型电源电路的每个单元电容器的电压。
在组合电池型电源装置中，当单元电容器的静电电容为30F或更高时，在电容器组的额定电压下，电容器组的绝缘电阻与齐纳二极管的齐纳电阻之比为3∶1-1∶4是较理想的。此外，电容器组的齐纳二极管的齐纳电阻，以最小值与最大值之比为1.5或更小为佳。
在电容器组中，可以将一个在单元电容器平均工作电压下工作电阻为20-150Ω的齐纳二极管并联在每个单元电容器上。在这种情况下，单元电容器的齐纳二极管的工作电阻与电容器组的齐纳二极管的工作电阻之比以1∶1.2-1∶5为佳。此外，给电容器组的每个齐纳二极管串联一个保险丝是较佳的。
在本发明中，可以通过引线将多个单元电容器串联连接。另外，可以按照日本未审查专利公报JP-A-6-302474中所述的，直接层叠多个单元电容器。在这种情况下，利用导电板，如由金属板、导电橡胶片、玻璃化炭黑板等构成的端面，将齐纳二极管并联在每个电容器组上是较佳的。
在本发明中，双层电容器(单元电容器)的平均工作电压Eav指每个单元电容器的平均电压，在将n个单元电容器串联连接形成一个组合电池型结构的情况下，从外部施加到组合电池的额定电压是V，那么Eav＝V/n。平均工作电压Eav应当是单元电容器的额定电压或者是低于额定电压的电压。电容器组的额定电压Eb是单元电容器的额定电压乘以电容器组中串联的单元电容器的个数所获得的电压。
在表示齐纳二极管工作特性的图5中，齐纳二极管的工作电阻指，在单元电容器的平均工作电压Eav或者电容器组的额定电压Eb下，由电压的少量变化除以电流的少量变化获得的电阻，即Z＝ΔVz/ΔIz。公式是在Eav或Eb处从切线的斜率获得的。
当齐纳二极管的电压为平均工作电压Eav或额定电压Eb时，齐纳电阻Rz是齐纳电流Iz在齐纳二极管中流动的电阻，它是从Rz＝Eav/Iz或Rz＝Eb/Iz得到的。
当在25℃下连续100小时施加额定电压时，由漏泄电流值可以得到单元电容器的绝缘电阻值Rc。单元电容器的额定电压意指允许的电压，这里，在700℃下连续1000小时将直流电压施加在单元电容器上的情况下静电电容的变化率为30％之内。
此外，当在25℃下连续100小时将额定电压施加在电容器组上时，由漏泄电流值可以得到电容器组的绝缘电阻值Rb。
如上所述，对于连接在每个单元电容器上的齐纳二极管(单元电容器的齐纳二极管)，在单元电容器的平均工作电压Eav下，较佳地是采用一个工作电阻Z为10-150Ω，更好的是30-100Ω的齐纳二极管。当工作电阻Z超过150Ω时，电压均等作用变得不充分。另一方面，当工作电阻Z低于10Ω时，引起电容器的初始电容散布，当存在负载起伏时，超过允许电流值的较大电流往往会在保护电路的齐纳二极管中流过。结果，发生齐纳二极管击穿、保险丝熔断等问题。
在将齐纳二极管连接在每个电容器组上(电容器组的齐纳二极管)的组合电池型电源装置中，采用在电容器组额定电压下工作电阻Z为10-150Ω的齐纳二极管。然而，为了有效地控制全部单元电容器中的电压散布量，必须降低电容器组之间的电压散布，使之低于每个电容器组中的电压散布。因此，在本发明中，电容器组的齐纳二极管的工作电阻与单元电容器的齐纳二极管的工作电阻之比确定为1∶1.2-1∶5。具体而言，较佳地电容器组的齐纳二极管采用工作电阻为10-120Ω，比单元电容器齐纳二极管工作电阻小。更佳地是采用15-70Ω的工作电阻。
当电容器组的齐纳二极管的工作电阻Z小于10Ω时，引起电容器组早期阶段的静电电容散布，当负载存在起伏时，在保护电路中往往会流过较大的电流。在这种情况下，产生的电流高于齐纳二极管的允许电流值。因此发生齐纳二极管击穿和保险丝断开等问题。当电容器组的齐纳二极管的工作电阻Z大于150Ω时，电容器组之间的电压散布量变大。
采用的单元电容器的齐纳二极管，在单元电容器平均工作电压Eav下单元电容器的绝缘电阻Rc与齐纳电阻Rz之比为3∶1-1∶4，较佳地为2∶1-1∶3，在这种情况下单元电容器的静电电容为30F。在上述比率中，当齐纳电阻Rz超过3∶1时，电压散布量变大。另一方面，当比率低于1∶4时，电路中的漏泄电流变大。
对于组合电池型电源装置，采用的电容器组的齐纳二极管，在额定电压Ev下电容器组的绝缘电阻Rb与齐纳电阻Rz之比为3∶1-1∶4。当齐纳电阻Rz大于上述值时，电压的散布变大。另一方面，当比率小于上述值时，电路的漏泄电流变大。较佳地采用2∶1-1∶3范围内的比率值。
在组合电池型电源装置中，当将过压施加到连接于每个单元电容器或每个电容器组的齐纳二极管时，有时发生齐纳二极管的击穿。为了防止这种缺点，最好将一个保险丝串接到齐纳二极管上。理想的保险丝为电阻值低，如10Ω或更小的保险丝。当保险丝的电阻值超过10Ω时，将降低保护电路的电压平衡作用。保险丝的熔断电流值的确定要考虑齐纳二极管的电流允许值。
对于单元电容器的齐纳二极管和电容器组的齐纳二极管，需要采用均匀特性的齐纳二极管。具体说，从同一批制造的产品中挑选的齐纳二极管，采用在单元电容器的平均工作电压Eav或电容器组的额定电压Eb下具有均匀的工作电阻Z和均匀的齐纳电阻Rz的齐纳二极管。考虑到以上情况，本发明确定了在同一批产品中挑选齐纳二极管的标准。就是说，齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.5或更小。
在将n个单元电容器串联连接的组合电池型电源装置中，额定电压的上限较佳地为每个单元电容器额定电压值的n倍。在本发明中，由于利用较少个数的单元电容器能够形成在高压下工作的组合电池型电源装置，所以尤其是，采用灌注有机电解质的大电容的双层电容器作为单元电容器是较佳的。
在本发明中，每个电容器组的额定电压较佳地为8-50V。通过将这些电容器组串联连接，形成一个额定电压16-400V的电源装置，电压的均等作用是显著的。特别是，通过将电容器组的额定电压确定为10-25V，可获得实质的电压均等效果。当电容器组的额定电压低于8V时，电源电路的结构变复杂。另一方面，当额定电压超过50V时，不能预期电压均等效果。
即使当单元电容器的静电电容为1-10F时，将8个或更多个单元电容器串联连接，可形成电源电压为20V或更高的电源装置。即使在这种情况中，也能够抑制单元电容器的电压散布量。这种电源装置作为电子电路的小尺寸电源是很有用的。
通常，电源装置的电源需要具有长时间的能量储存效应。因此，对于串联连接电容器的电源电路，要求具有有效的电压储存效应。在采用并联电阻的电压平衡电路的传统电源中，存在大大降低电压储存效应的缺点。
采用本发明的电压平衡保护电路，由于在额定电压附近的漏泄电流量很小，电压储存效应很少降低。然而，如图5所示，在电压从额定电压下降5-10％的区域中，齐纳电流陡然下降，因而在组合电池型电源装置中漏泄电流降低。结果，基本上能够获得与电容器本身相同的电压储存效应。实际上，可以获得足够电压储存效应。
在本发明中，将多个单元电容器串联连接形成的组合电池结构，在长时间施加电压期间或在充电/放电循环后，能够降低每个单元电容器中的电压散布。在这种情况下，较佳地将电容器的电容散布抑制在±10％之内，尤其是±5之内，以阻止每个单元电容器中初始电压的散布。
在本发明双层电容器所用的极化电极的较佳实施例中，将高比表面面积的碳材料涂覆在金属制成的集电箔上，形成片状的电极。片状电极与隔离体交替地层叠形成一个叠层产品。或者将叠层产品卷起来形成一个卷筒产品。将电解质灌入叠层产品或卷筒产品中，并将叠层产品或卷筒产品放入密封容器中。用设置有正、负电极端子的密封构件闭合容器的开口。从而形成一个单元电容器。在这种情况下，采用有机电解质是较佳的，因为它比水溶液型电解质的能量密度更高。尤其是，由于碳酸酯型溶剂或环丁砜型溶剂是化学和电化学稳定的，电导率高，低温特性好，用它们作电解质溶剂是较理想的。此外，在本发明中，采用聚合物电解质的电容器将是有效的。
在本发明中，在正、负电极之间至少有一个电极是极化电极，在将一个电化学元件串联连接的情况下，获得了均等电压的显著效应。
附图中
图1是本发明组合电池结构一个实施例的电路图，这里三个双层电容器串联连接，给每个电容器提供一个保护电路。
图2是本发明组合电池结构一个实施例的平面图，这里6个双层电容器串联连接，每个电容器具有长方形的结构并提供有保护电路。
图3是带有保护电路的组合电池型电源的另一个实施例的电路图。
图4是带有保护电路的组合电池型电源的另一个实施例的电路图。
图5是齐纳二极管的特性图。
参考附图将描述本发明的较佳实施例。
图1示出本发明组合电池型电源装置的一个实施例，这里组合电池型电源装置是将3个单元电容器的外部引线(未示出)串联连接而形成的，其中，每个单元电容器是由一个采用有机电解质的双层电容器1组成的，直流电源E连接到组合型电源装置上。
在图1中，保护电路4包括连接在每个单元电容器1(双层电容器)正、负电极端子之间的串联的齐纳二极管2和保险丝3。在上述的单元电容器1的平均工作电压Eav下，齐纳二极管2的工作电阻Z为10-150Ω。
当单元电容器1的静电电容为30F或更大时，在平均工作电压Eav下，单元电容器1的绝缘电阻Rc与齐纳二极管2的齐纳电阻Rz之比应当为3∶1-1∶4。
在这个实施例中，保险丝3防止齐纳二极管2因过压而击穿。保险丝的电阻值较佳地确定为10Ω或更小，从而电压平衡作用不会被保护电路4降低。保险丝的熔断电流值的确定要考虑齐纳二极管的允许电流值。
本发明双层单元电容器1的基本结构可以是单层结构、长方形结构或圆柱形结构，其中，以相对的关系设置一对极化电极板，其间插入一隔离体。在任何一种结构中，较佳地在同一平面上设置正、负电极端子，以便有效地将保护电路4连接到串联连接的单元电容器上。
图2示出组合电池型电源装置一个实施例，其中6个具有长方形结构的单元电容器1通过外部引线5串联连接。设置在两端的单元电容器1与接至直流充电电源E的电源引线6相连接。
图2是组合电池型电源装置的俯视图，图中未示出内部结构。每个具有长方形结构的单元电容器1是按如下方法形成的。分别形成长方形的极化电极板和隔离体，将其交替地叠合，形成电容器元件。通过压接，使正、负电极引线分别连接电容器元件正、负电极的端部。将具有正、负电极引线的电容器元件放入由铝这类材料制成的有底长方形外壳中。将有机电解质灌注到电容器元件中，然后用盖板7密封外壳的开口。
在长方形结构的单元电容器1中，用形状与开口相同的由铝这类材料制成的盖板7密封长方形外壳的开口。给盖板7设置正、负电极端子，通过插入电绝缘的树脂或类似材料，正、负电极端子穿透盖板7，且正、负电极端子分别连接到在外壳内的电容器元件延伸出来的正、负引线。在图2中，正、负电极端子分别用符号“+”和“-”表示。通常，用固定外部引线5的螺母提供这些端子。
在本发明中，保护电路4连接在设置在盖板7上的正电极端子“+”与负电极端子“-”之间。在这种情况下，较佳地形成一个固定在绝缘板8上的由齐纳二极管2和保险丝3串联的整块性的物体。采用这种结构，仅仅通过螺母的紧固操作，将保护电路4连接在正、负电极端子之间，便可获得保护电路的有效组合操作。此外，整块性的物体可以防止齐纳二极管2和保险丝3由于振动或者外部应力施加到其上而摆动以及防止齐纳二极管2或保险丝3与外部引线5或其它激活部件产生不希望有的断开或接触。
图3示出本发明组合电池型电源装置的另一个实施例，其中将12个单元电容器1串联连接。更详细地说，12个单元电容器被划分为3个电容器组B1-B3，每一个组是由4个单元电容器1构成的，保护电路4a与每个电容器组B1-B3并联连接。
在这个实施例中，每个保护电路4a包括串联连接的一个齐纳二极管2a和一个保险丝3a，这里，在电容器组B的额定电压Eb下，齐纳二极管2a的工作电阻Z为10-150Ω。为了不减弱保护电路4a的电压平衡作用，保险丝3a的电阻值取为10Ω或更低。
当每个单元电容器1的静电电容为30F或更高时，在电容器组B的额定电压Eb下，电容器组B的绝缘电阻Rb与齐纳二极管的齐纳电阻Rz之比应当为3∶1-1∶4。
图4示出组合电池型电源装置的另一个实施例。在这个实施例中，多个单元电容器1被划分成多个电容器组B。保护电路4a与每个电容器组B并联连接。此外，在每个电容器组B中，保护电路4与每个单元电容器1并联连接。保护电路4可以与图1中所示的保护电路相同。也就是说，在单元电容器1的平均工作电压Eav下，齐纳二极管的工作电阻Z为10-150Ω。
现在参考实施例详细描述本发明。然而应当理解，本发明并不受这些具体实施例所限制。
例14个绝缘电阻Rc分别是930Ω、810Ω、400Ω和340Ω的长方形单元电容器(有机电解质型双层电容器，静电电容1300F，额定电压2.5V，尺寸为高15cm，宽7cm，厚2.2cm)串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav(平均工作电压)下工作电阻Z为63Ω、同样在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为320Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.42-2.57V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1.06∶1。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。保险丝的电阻是2.5Ω。
例2以与实施例1相同的方式，将4个单元电容器串联连接，形成一个组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为64Ω、同样在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为900Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.40-2.58V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶2.6。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.03∶1。
例34个具有与实施例1相同长方形结构的、绝缘电阻Rc分别是960Ω、470Ω、330Ω和210Ω的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、同样在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为320Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.3 5-2.60V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶1.5。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。
例44个具有与实施例1相同长方形结构的、绝缘电阻Rc分别是12000Ω、11000Ω、2800Ω和960Ω的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、同样在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为900Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.41-2.55V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1.06∶1。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.03∶1。
例54个绝缘电阻Rc分别是650Ω、500Ω、400Ω和300Ω的圆柱形单元电容器(有机电解质型双层电容器，静电电容800F，额定电压2.5V，尺寸为直径5cm，高12cm)串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为320Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.42-2.53V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶1.06。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。
例6
4个具有与实施例1相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为135Ω、在2.5VEav下齐纳电阻Rz平均为900Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.35-2.65V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶2.6。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。
例74个具有与实施例1相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、在2.5VEav下齐纳电阻Rz平均为480Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.34-2.63V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1.06∶1。齐纳电阻的最小值与最大值之比为2.23∶1。
例84个具有与实施例1相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、在2.5VEav下齐纳电阻Rz平均为600Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.40-2.61V。此外，在100小时后，发现电压散布量没有变化。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1.06∶1。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.2∶1。
比较例14个具有与实施例1相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。没有将齐纳二极管和保险丝组成的保护电路连接到每个单元电容器上，在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.19-2.75V。此外，在100小时后，电压的散布量增大。
比较例2
4个具有与实施例3相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。没有将齐纳二极管和保险丝组成的保护电路连接到每个单元电容器上，在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.03-2.90V。此外，在100小时后，电压的散布量增大。
比较例34个具有与实施例4相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。没有将齐纳二极管和保险丝组成的保护电路连接到每个单元电容器上，在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.20-2.70V。此外，在100小时后，电压的散布量增大。
比较例44个具有与实施例1相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为225Ω、在2.5VEav下齐纳电阻Rz平均为1600Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.26-2.71V。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶4.7。在100小时后，电压的散布量增大。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。
比较例54个具有与实施例1相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为64Ω、在2.5VEav下齐纳电阻Rz平均为900Ω的齐纳二极管和一个10.00Ω的电阻串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.19-2.75V。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶2.6。在100小时后，电压的散布量增大。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。
比较例64个具有与实施例2相同结构的单元电容器串联连接，从而形成一个额定电压为10V的组合电池型电源。将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为64Ω、在2.5VEav下齐纳电阻Rz平均为900Ω的齐纳二极管和一个90Ω的电阻串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在室温下通过施加10.00V电压100小时，对组合器件充电。在测量每个单元电容器的电压时，电压的散布量为2.28-2.70V。齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶2.6。在100小时后，电压的散布量增大。齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.04∶1。
例916个绝缘电阻Rc为11000Ω-190Ω、额定电压为2.5V、静电电容为1300F的长方形结构的单元电容器串联连接，从而形成一个组合电池型电源装置。每个单元电容器的电压散布量在±3.4％以内。这样，额定电压为40V的组合电池型电源装置是将4个额定电压Eb为10V电容器组串联连接形成的，其中每个电容器组是将4个单元电容器串联连接而形成的。作为单元电容器的齐纳二极管，将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为370Ω的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在齐纳二极管和保险丝连接到单元电容器的状态中，每个电容器组的绝缘电阻Rb为1070Ω-590Ω。
串联电路包括一个在电容器组额定电压Eb10V下工作电阻Z为20Ω、在相同Eb10V下齐纳电阻Rz平均为670Ω的电容器组用的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝，与每个电容器组并联连接。
在室温下通过施加40V电压100小时，对组合电池型电源装置充电。在测量电压时，16个单元电容器的电压散布量为2.39-2.57V。100小时后，发现电压散布量没有变化。保险丝的电阻为2.5Ω。电容器组的齐纳电阻与最小绝缘电阻值之比为1∶1.4。单元电容器的齐纳二极管的最小值与最大值之比为1.3∶1，在电容器组中齐纳二极管与单元电容器并联连接。此外，电容器组的齐纳二极管的最小值与最大值之比为1.04∶1，齐纳二极管与每个电容器组并联连接。
例10以与实施例9相同的方式，将16个绝缘电阻Rc为11000Ω-190Ω、额定电压为2.5V、静电电容为1300F的长方形结构的单元电容器串联连接，从而形成一个组合电池型电源装置。就是说，额定电压为40V的组合电池型电源装置是将4个额定电压Eb为10V电容器组串联连接形成的，其中每个电容器组是将4个单元电容器串联连接而形成的。
将一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、在2.5V Eav下齐纳电阻Rz平均为370Ω的单元电容器用的齐纳二极管和一个0.2A的保险丝串联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在每个电容器组中，与单元电容器并联的齐纳二极管的最小值与最大值之比为1.3∶1。
没有将齐纳二极管和保险丝组成的串联电路与每个电容器组并联连接，在室温下通过施加40V电压100小时，对组合电池型电源装置充电。在测量单元电容器的电压时，16个单元电容器的电压散布量为2.21-2.67V。100小时后，发现电压散布量没有变化。
比较例7以与实施例9相同的方式，将16个绝缘电阻Rc为11000Ω-190Ω、额定电压为2.5V、静电电容为1300F的长方形结构的单元电容器串联连接，从而形成一个组合电池型电源装置。这样，额定电压为40V的组合电池型电源装置是将4个额定电压Eb为10V电容器组串联连接形成的，其中每个电容器组是将4个单元电容器串联连接而形成的。
串联电路包括一个在2.5V Eav下工作电阻Z为63Ω、在2.5V Eav下齐纳电阻平均为370Ω的单元电容器用的齐纳二极管和一个电阻为90Ω的电阻，并联连接在每个单元电容器的正、负电极端子之间。在每个电容器组中，与单元电容器并联的齐纳二极管的最小值与最大值之比为1.3∶1。
没有将齐纳二极管和保险丝组成的串联电路与每个电容器组并联连接，在室温下通过施加40V电压19小时，对组合电池型电源装置充电。在测量16个单元电容器的电压时，其电压散布量为2.1 5-2.78V。19小时后，电压散布量进一步增大。
如上所述，根据本发明，在将多个单元双层电容器串联连接形成的组合电池结构中，在对组合电池结构充电时，能够有效地抑制单元双层电容器的电压散布量。此外，与将一个保护电阻并联在单元电容器上的传统技术不同，能够阻止在保护电路中流动电流的增大。因此，能够获得优良的电压保持效果，即使任何一个单元双层电容器失效时，引起组合结构电路短路的可能性也极小。
此外，通过在一个绝缘板上形成包括串联的齐纳二极管和保险丝的整块性的保护电路，易于将保护电路连接在单元双层电容器的正、负电极端子之间。此外，当盖板是金属制成时，绝缘板还起设置有正、负电极端子的盖板的绝缘件的作用。再说，还能够降低在组装工作中构成部件的数目和劳动量。
权利要求
1.一种作为单元电容器用的双层电容器，通过将多个电容器元件串联连接形成一个组合电池型电源装置，其中，每个电容器元件是通过将电解质灌入至少一对中间插入隔离体的极化电极板中而形成的；其特征在于双层电容器包括一个保护电路，将一个在双层电容器平均工作电压下工作电阻为10-150Ω的齐纳二极管并联连接在每个双层电容器上。
2.一种作为单元电容器用的双层电容器，通过外部引线将多个电容器元件连接起来形成一个组合电池型电源装置，其中，每个电容器元件是通过将电解质灌入极化电极板中而形成的，在极化电极板之间插入一隔离体而叠合或滚卷；经叠合或滚卷的电容器元件放入一个有底的圆柱形密封容器中，用一个设置有正、负电极端子的密封件闭合密封容器的开口，其特征在于双层电容器包括一个保护电路，将一个在双层电容器平均工作电压下工作电阻为20-150Ω的齐纳二极管连接在正、负电极端子之间。
3.如权利要求1所述的双层电容器，其特征在于齐纳二极管的齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.5或更低。
4.如权利要求1所述的双层电容器，其特征在于双层电容器的静电电容为30法拉或更大，在双层电容器平均工作电压下，双层电容器的绝缘电阻与齐纳二极管的齐纳电阻之比为3∶1-1∶4。
5.如权利要求1所述的双层电容器，其特征在于在保护电路中，将一个保险丝与齐纳二极管串联连接。
6.如权利要求2所述的双层电容器，其特征在于在合成树脂整块性的绝缘板上，将一个保险丝与齐纳二极管串联连接，串联的保险丝和齐纳二极管被插在正、负电极端子之间。
7.如权利要求5所述的双层电容器，其特征在于保险丝的电阻为10Ω或更小。
8.一种组合电池型电源装置，包括串联连接的多个单元电容器元件作为单元电容器，其中，每个单元电容器是通过将电解质灌入至少一对中间插入隔离体的极化电极板中而形成的；其特征在于组合电池型电源装置包括多个电容器组和保护电路，每个电容器组包括预定个数的单元电容器，对于一个电容器组，每个保护电路包括一个齐纳二极管，在电容器组的额定电压下，齐纳二极管的工作电阻为10-150Ω；每个保护电路与每个电容器组并联连接。
9.如权利要求8所述的组合电池型电源装置，其特征在于电容器组的齐纳二极管的齐纳电阻的最小值与最大值之比为1.5或更小。
10.如权利要求8所述的组合电池型电源装置，其特征在于单元电容器的静电电容为30法拉第或更大，在电容器组额定电压下，电容器组的绝缘电阻与齐纳二极管的齐纳电阻之比为3∶1-1∶4。
11.如权利要求8所述的组合电池型电源装置，其特征在于保护电路包括一个齐纳二极管，将在单元电容器平均工作电压下工作电阻为20-150Ω的齐纳二极管与每个单元电容器并联连接。
12.如权利要求11所述的组合电池型电源装置，其特征在于单元电容器的齐纳二极管的工作电阻与电容器组的齐纳二极管的工作电阻之比为1∶1.2-1∶5。
13.如权利要求8所述的组合电池型电源装置，其特征在于电容器组的额定电压为8-50V。
14.如权利要求8所述的组合电池型电源装置，其特征在于保险丝与电容器组的齐纳二极管串联连接。
全文摘要
用一种双层电容器作为单元电容器,通过将多个电容器元件串联连接形成一个组合电池型电源装置。这里,每个电容器元件是通过将电解质灌入至少一对中间插入隔离体的极化电极板中而形成的。在每个双层电容器上并联连接一个包含齐纳二极管的保护电路,在双层电容器的平均工作电压下,齐纳二极管的工作电阻为10—150Ω。
文档编号H02J1/00GK1188973SQ97108759
公开日1998年7月29日 申请日期1997年12月19日 优先权日1996年12月20日
发明者数原学, 平冢和也, 河里健, 对马学 申请人:旭硝子株式会社