本发明涉及电子元件及电子电路领域，特别涉及一种超级电容温度传感及储能双功能系统。
背景技术：
超级电容器是一种常用的储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长等优点，具有非常大的学术研究价值和市场前景。目前对超级电容器作为储能器件的研究主要集中在提高能量密度、提高集成度、封装以及柔性化等方向。申请号为201410344330.2的专利申请“石墨烯超级电容器的制备方法、石墨烯超级电容器及储能系统”中提出了一种使用印刷电路板为载体制作石墨烯超级电容的方法，在集流体衬底上滴涂氧化石墨溶液，干燥后使用激光雕刻还原处理的方法制作电极。该方法虽然能将超级电容器制作于印刷电路板上，提高储能系统的集成度，但是其制作工艺复杂、过程繁琐，需要使用激光雕刻仪等昂贵仪器进行加工，且仅提供了该超级电容器作为储能元件的系统电路的设计方案。然而，研究发现超级电容器的容量会随着环境温度的变化而变化，如果在仅有温度变化的环境中，通过电路系统的设计使得超级电容器实现温度传感的功能，得到温度传感器和储能的双功能器件，具有重要的应用价值。
技术实现要素：
本发明提出了一种超级电容温度传感及储能双功能系统，使用超级电容器同时作为温度传感功能的敏感元件与储能功能的储能元件，实现了超级电容器的多功能利用；同时，将超级电容器与温度传感及储能双功能系统的电路制作于一块印刷电路板上，采用现有常用的印刷电路板工艺制作超级电容器的电极集流体衬底，制备方法简单，集成度高。
本发明的技术方案如下：
一种超级电容温度传感及储能双功能系统，如图1所示，包括印刷电路板以及制作于印刷电路板上的超级电容器、储能与温度传感双功能系统电路，所述储能与温度传感双功能系统电路包括充电/放电切换开关、采样电阻、恒定电压电路、精密电流采集芯片、ad转换芯片和fpga主控器，所述储能与温度传感双功能系统电路还包括两组接口端子，分别是充电端子和放电端子；所述fpga主控器包括充电/放电切换控制单元和温度数据传输控制单元；
fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关，使超级电容器的工作状态在充电状态和放电状态间切换，实现电量的储存和释放，即超级电容器的储能功能，具体为：fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关，使超级电容器工作在放电状态时，超级电容将存储的电量通过放电端子释放给外界的负载等用电设备；fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关，使超级电容器工作在充电状态时，外电源经充电端子传输到恒定电压电路，经恒定电压电路降压到超结电容器所能承受的最大电压后进行恒压处理，再经采样电阻后，通过充电/放电切换开关与超级电容器相连，对超级电容器进行恒压充电；
温度测量功能工作在超级电容器充电状态下，精密电流采集芯片持续不断的采集采样电阻所得到的电流信息，当从恒定电压电路传输到超级电容器的电流恒定时，超级电容电量饱和，此时，将精密电流采集芯片采集得到的电流信息通过ad转换芯片转换为数字信号后，传输到fpga的温度数据传输控制单元进行处理，即可得到超级电容器所处环境的温度信息，实现温度传感功能；这是由于超级电容器在电量充满时仍然有漏电流存在，使得在恒压充电电量充满时仍然有电流流向超级电容器，而该漏电流会随着超级电容器所处环境温度的升高而增大，所处环境温度的降低而减小，通过对该漏电流的测量即可得到超级电容器所处环境的温度信息，实现温度传感功能。
进一步地，所述充电/放电切换开关为电磁继电器或者模拟cmos开关等器件，通过fpga主控器中充电/放电切换控制单元发出的信号控制充电/放电切换开关，使超级电容器的工作状态在充电状态和放电状态间切换，实现电量的储存和释放。
进一步地，所述恒定电压电路采用集成稳压芯片或者分立式稳压电路来实现。
进一步地，超级电容器作为温度传感功能的敏感元件需选用非固态电解质的超级电容器。非固态电解质的超级电容器的容量将随着环境温度的变化而变化，温度上升时超级电容容量增大，温度下降时超级电容容量减小；而超级电容器的漏电流随超级电容容量的增大而增大，随超级电容容量的减小而减小。因此，如果环境温度升高，则超级电容容量增大，从恒定电压电路流向超级电容器的电流将会增大；如果环境温度降低，则超级电容容量减小，从恒定电压电路流向超级电容器的电流将会减小。根据实验结果，在一定的温度范围内，超级电容器漏电流的变化与温度的变化有线性关系，对于一个稳定的超级电容器，可以根据恒定电压电路与超级电容之间漏电流的方向和大小一一对应环境温度。
进一步地，所述制作于印刷电路板上的超级电容器的制备过程具体为：
步骤1：在印刷电路板上制作两个图形化的焊盘作为超级电容器的第一集流衬底和第二集流衬底；
步骤2：在步骤1得到的第一集流衬底和第二集流衬底上采用覆锡工艺或者沉金工艺制作一层锡层或者金层；
步骤3：将步骤2处理后得到的印刷电路板作为阳极，钛片或不锈钢片等金属材料作为阴极，在石墨烯溶液等活性材料溶液中采用电化学沉积法制备超级电容活性材料，即可得到图形化的第一超级电容电极和第二超级电容电极；
步骤4：在印刷电路板上超级电容电极区域放置浸有液态或凝胶态电解液的隔膜材料，并进一步封装，形成制作于印刷电路板上的超级电容器。
进一步地，步骤1所述焊盘的材料为铜、铝或银等金属导体；所述图形化的焊盘为插齿状或平行条状。
进一步地，步骤2在第一集流衬底和第二集流衬底上采用覆锡工艺制作一层锡层，或者采用沉金工艺制作一层金层，作为保护层，该保护层的厚度为0.1μm-100μm；印刷电路板上第一集流衬底和第二集流衬底之外的部分通常采用油墨覆盖以作为保护层。
进一步地，步骤3所述活性材料溶液可以为石墨溶液、氧化石墨溶液、石墨烯溶液、氧化石墨烯溶液、碳纳米管溶液等，所述超级电容电极为石墨、石墨烯或者碳纳米管等材料。
进一步地，步骤4所述隔膜材料为纤维布或滤纸等。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种超级电容温度传感及储能双功能系统，使用超级电容器同时作为温度传感功能的敏感元件与储能功能的储能元件，并将超级电容器与温度传感及储能双功能系统的电路制作于一块印刷电路板上，提高了超级电容与配套功能电路的集成度，简化了超级电容的制作难度，并使得传统仅用于储能的超级电容功能多样化。
附图说明
图1为本发明提供的超级电容温度传感及储能双功能系统的结构示意图；
图2为本发明提供的超级电容温度传感及储能双功能系统的具体结构图；
图3为本发明储能与温度传感双功能系统电路的具体电路原理图；
图4为电化学沉积超级电容电极的装置图；
图5为实施例提供的在基于印刷电路板的超级电容电极对应区域覆盖浸泡有电解质的隔膜材料、并使用聚乙烯膜进行封装得到的超级电容器的结构；
图6为实施例得到的超级电容温度传感及储能双功能系统在不同温度下测量得到的超级电容器漏电流的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的方案做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
如图1所示，为本发明提供的一种超级电容温度传感及储能双功能系统，包括印刷电路板以及制作于印刷电路板上的超级电容器、储能与温度传感双功能系统电路；印刷电路板上除了超级电容和系统电路外，还有两个作为电化学沉积的接口，分别对应于超级电容的两极。
图2为本发明提供的超级电容温度传感及储能双功能系统的具体结构图；包括超级电容器、充电/放电切换开关、采样电阻、恒定电压电路、精密电流采集芯片、ad转换芯片和fpga主控器，以及两组接口端子，分别是充电端子和放电端子，所述fpga主控器包括充电/放电切换控制单元和温度数据传输控制单元；
其中，充电/放电切换开关与超级电容器、充电/放电切换控制单元、放电端子和采样电阻相连，采样电阻连接于恒定电压电路与充电/放电切换开关之间，精密电流采集芯片采集采样电阻两端的电压所得到的电流信息，通过ad转换芯片转换为数字信号后，传输到温度数据传输控制单元进行处理；
fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关，使超级电容器的工作状态在充电状态和放电状态间切换，实现电量的储存和释放，即超级电容器的储能功能，具体为：fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关，使超级电容器工作在放电状态时，超级电容将存储的电量通过放电端子释放给外界的负载等用电设备；fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关，使超级电容器工作在充电状态时，外电源经充电端子传输到恒定电压电路，经恒定电压电路降压到超结电容器所能承受的最大电压后进行恒压处理，再经采样电阻后，通过充电/放电切换开关与超级电容器相连，对超级电容器进行恒压充电；
温度测量功能工作在超级电容器充电状态下，精密电流采集芯片持续不断的采集采样电阻所得到的电流信息，当从恒定电压电路传输到超级电容器的电流恒定时，超级电容电量饱和，此时，将精密电流采集芯片采集得到的电流信息通过ad转换芯片转换为数字信号后，传输到fpga的温度数据传输控制单元进行处理，即可得到超级电容器所处环境的温度信息，实现温度传感功能；这是由于超级电容器在电量充满时仍然有漏电流存在，使得在恒压充电电量充满时仍然有电流流向超级电容器，而该漏电流会随着超级电容器所处环境温度的升高而增大，所处环境温度的降低而减小，通过对该漏电流的测量即可得到超级电容器所处环境的温度信息，实现温度传感功能。
实施例
图3给出了本发明实施例超级电容温度传感及储能双功能系统的具体电路原理图。其中，充电/放电切换开关为matsushita公司双路单刀双掷电磁继电器tq2-5，内置两路相同的单刀双掷开关；采样电阻为r050，阻值为50mω；精密电流采集芯片为ina282芯片；ad转换芯片为ads8321芯片；恒定电压电路采用lm1117三端稳压芯片，其输入端连接充电端子正极，输出端连接采样电阻r050，公共端连接tq2-5与充电端子负极。
fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关tq2-5，使超级电容器的工作状态在充电状态和放电状态间切换，实现电量的储存和释放，即超级电容器的储能功能，具体为：fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关tq2-5，使超级电容器工作在放电状态时，超级电容正极连接放电端子正极，超级电容负极连接放电端子负极，超级电容将存储的电量通过放电端子释放给外接负载；fpga主控器通过充电/放电切换控制单元控制充电/放电切换开关tq2-5，使超级电容器工作在充电状态时，超级电容器正极连接采样电阻，负极连接充电端子负极与lm1117公共端，外电源经充电端子传输到lm1117三端稳压芯片输入端，经lm1117芯片降压到超结电容器所能承受的最大电压后进行恒压处理，再经采样电阻r050后，通过充电/放电切换开关tq2-5与超级电容器相连，对超级电容器进行恒压充电；
温度测量功能工作在超级电容器充电状态下，超级电容器充满电后，恒压电路将使得超级电容两端电压恒定在设定值，但由于超级电容拥有自放电效应，在其充满电后将以一定电流值损耗电量；在本发明的工作环境中，因为两端电压恒定的条件，q＝cu中电压u与超级电容容量不变，所以减少的电量q将从恒定电压电路向超级电容补充，在其他条件不变的情况下表现为漏电流一定。因此，精密电流采集芯片ina282持续不断的采集采样电阻r050所得到的电流信息，当从恒定电压电路传输到超级电容器的电流恒定时，超级电容电量饱和，此时，将精密电流采集芯片ina282采集得到的电流信息通过ad转换芯片ads8321转换为数字信号后，传输到fpga的温度数据传输控制单元进行处理，即可得到超级电容器所处环境的温度信息，实现温度传感功能。本发明采用的非固态电解质超级电容在温度变化时因为电解质活性变化会导致超级电容容量发生变化，当超级电容所处环境温度上升，超级电容容量会增大，因为维持两端电压不变，根据q＝cu，所以从恒定电压电路流入超级电容器的电流将增大；当超级电容所处环境温度下降，超级电容容量会减小，因为维持两端电压不变，根据q＝cu，所以从恒定电压电路流入超级电容器的电流将减小。电流变化的另一种解释为：温度上升使得电解质活性升高，因此超级电容自放电效应增强，导致从恒定电压电路流入超级电容器的电流增大，反之，温度下降将导致电流减小。
进一步地，所述制作于印刷电路板上的超级电容器的制备过程具体为：
步骤1：采用丝网印刷法在印刷电路板上制作两个插齿状的焊盘作为超级电容器的第一集流衬底和第二集流衬底；
步骤2：在步骤1得到的第一集流衬底和第二集流衬底上采用沉金工艺制作一层金层；并预留两个电化学沉积的接口，如图1所示；
步骤3：如图4所示，将步骤2处理后得到的印刷电路板作为阳极，钛金属片作为阴极，两者相对放置，在15mg/ml的氧化石墨烯溶液中采用电化学沉积法制备超级电容活性材料石墨烯，沉积电压为20v，沉积时间为15min，即可得到插齿状的第一超级电容电极和第二超级电容电极；
步骤4：在印刷电路板上超级电容电极对应区域，贴附放置浸有1mol/l的氢氧化钾溶液电解质的高纤维滤纸，贴附完成后，采用聚乙烯、聚氯乙烯等薄膜材料，对超级电容区域进行封装，得到完整的超级电容器，如图5所示。
对本实施例得到的双功能系统的温度测量功能进行测试。在测试中，室温为25℃，使用温度精确度为1℃的恒温加热台对系统电路板进行升温，升温以每间隔0.5℃进行一次记录，同时记录温度和漏电流值。如图6示出的不同温度与超级电容器漏电流变化的点线图，根据记录，超级电容在起始温度50.0℃的漏电流值为15μa，在结束温度68.5℃时的漏电流为85μa，在整个量程范围内，有线性趋近于2次函数的对应关系，通过读取漏电流值可以准确的得知超级电容温度测量系统所处环境温度。
从以上实验结果可以看出，实施例得到的超级电容温度传感与储能双功能系统可以有效实现温度传感功能。而且此超级电容与系统电路一体制作于印刷电路板的双功能系统制作简单，体积较小，集成度高。