本發(fā)明涉及電子元件及電子電路領(lǐng)域，特別涉及一種超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

超級(jí)電容器是一種常用的儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有非常大的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)前景。目前對(duì)超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件的研究主要集中在提高能量密度、提高集成度、封裝以及柔性化等方向。申請(qǐng)?zhí)枮?01410344330.2的專利申請(qǐng)“石墨烯超級(jí)電容器的制備方法、石墨烯超級(jí)電容器及儲(chǔ)能系統(tǒng)”中提出了一種使用印刷電路板為載體制作石墨烯超級(jí)電容的方法，在集流體襯底上滴涂氧化石墨溶液，干燥后使用激光雕刻還原處理的方法制作電極。該方法雖然能將超級(jí)電容器制作于印刷電路板上，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成度，但是其制作工藝復(fù)雜、過(guò)程繁瑣，需要使用激光雕刻儀等昂貴儀器進(jìn)行加工，且僅提供了該超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能元件的系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)方案。然而，研究發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容器的容量會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，如果在僅有溫度變化的環(huán)境中，通過(guò)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)溫度傳感的功能，得到溫度傳感器和儲(chǔ)能的雙功能器件，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)，使用超級(jí)電容器同時(shí)作為溫度傳感功能的敏感元件與儲(chǔ)能功能的儲(chǔ)能元件，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容器的多功能利用；同時(shí)，將超級(jí)電容器與溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)的電路制作于一塊印刷電路板上，采用現(xiàn)有常用的印刷電路板工藝制作超級(jí)電容器的電極集流體襯底，制備方法簡(jiǎn)單，集成度高。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)，如圖1所示，包括印刷電路板以及制作于印刷電路板上的超級(jí)電容器、儲(chǔ)能與溫度傳感雙功能系統(tǒng)電路，所述儲(chǔ)能與溫度傳感雙功能系統(tǒng)電路包括充電/放電切換開關(guān)、采樣電阻、恒定電壓電路、精密電流采集芯片、ad轉(zhuǎn)換芯片和fpga主控器，所述儲(chǔ)能與溫度傳感雙功能系統(tǒng)電路還包括兩組接口端子，分別是充電端子和放電端子；所述fpga主控器包括充電/放電切換控制單元和溫度數(shù)據(jù)傳輸控制單元；

fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器的工作狀態(tài)在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)間切換，實(shí)現(xiàn)電量的儲(chǔ)存和釋放，即超級(jí)電容器的儲(chǔ)能功能，具體為：fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器工作在放電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容將存儲(chǔ)的電量通過(guò)放電端子釋放給外界的負(fù)載等用電設(shè)備；fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器工作在充電狀態(tài)時(shí)，外電源經(jīng)充電端子傳輸?shù)胶愣妷弘娐?，?jīng)恒定電壓電路降壓到超結(jié)電容器所能承受的最大電壓后進(jìn)行恒壓處理，再經(jīng)采樣電阻后，通過(guò)充電/放電切換開關(guān)與超級(jí)電容器相連，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒壓充電；

溫度測(cè)量功能工作在超級(jí)電容器充電狀態(tài)下，精密電流采集芯片持續(xù)不斷的采集采樣電阻所得到的電流信息，當(dāng)從恒定電壓電路傳輸?shù)匠?jí)電容器的電流恒定時(shí)，超級(jí)電容電量飽和，此時(shí)，將精密電流采集芯片采集得到的電流信息通過(guò)ad轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳輸?shù)絝pga的溫度數(shù)據(jù)傳輸控制單元進(jìn)行處理，即可得到超級(jí)電容器所處環(huán)境的溫度信息，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能；這是由于超級(jí)電容器在電量充滿時(shí)仍然有漏電流存在，使得在恒壓充電電量充滿時(shí)仍然有電流流向超級(jí)電容器，而該漏電流會(huì)隨著超級(jí)電容器所處環(huán)境溫度的升高而增大，所處環(huán)境溫度的降低而減小，通過(guò)對(duì)該漏電流的測(cè)量即可得到超級(jí)電容器所處環(huán)境的溫度信息，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。

進(jìn)一步地，所述充電/放電切換開關(guān)為電磁繼電器或者模擬cmos開關(guān)等器件，通過(guò)fpga主控器中充電/放電切換控制單元發(fā)出的信號(hào)控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器的工作狀態(tài)在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)間切換，實(shí)現(xiàn)電量的儲(chǔ)存和釋放。

進(jìn)一步地，所述恒定電壓電路采用集成穩(wěn)壓芯片或者分立式穩(wěn)壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，超級(jí)電容器作為溫度傳感功能的敏感元件需選用非固態(tài)電解質(zhì)的超級(jí)電容器。非固態(tài)電解質(zhì)的超級(jí)電容器的容量將隨著環(huán)境溫度的變化而變化，溫度上升時(shí)超級(jí)電容容量增大，溫度下降時(shí)超級(jí)電容容量減小；而超級(jí)電容器的漏電流隨超級(jí)電容容量的增大而增大，隨超級(jí)電容容量的減小而減小。因此，如果環(huán)境溫度升高，則超級(jí)電容容量增大，從恒定電壓電路流向超級(jí)電容器的電流將會(huì)增大；如果環(huán)境溫度降低，則超級(jí)電容容量減小，從恒定電壓電路流向超級(jí)電容器的電流將會(huì)減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在一定的溫度范圍內(nèi)，超級(jí)電容器漏電流的變化與溫度的變化有線性關(guān)系，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的超級(jí)電容器，可以根據(jù)恒定電壓電路與超級(jí)電容之間漏電流的方向和大小一一對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度。

進(jìn)一步地，所述制作于印刷電路板上的超級(jí)電容器的制備過(guò)程具體為：

步驟1：在印刷電路板上制作兩個(gè)圖形化的焊盤作為超級(jí)電容器的第一集流襯底和第二集流襯底；

步驟2：在步驟1得到的第一集流襯底和第二集流襯底上采用覆錫工藝或者沉金工藝制作一層錫層或者金層；

步驟3：將步驟2處理后得到的印刷電路板作為陽(yáng)極，鈦片或不銹鋼片等金屬材料作為陰極，在石墨烯溶液等活性材料溶液中采用電化學(xué)沉積法制備超級(jí)電容活性材料，即可得到圖形化的第一超級(jí)電容電極和第二超級(jí)電容電極；

步驟4：在印刷電路板上超級(jí)電容電極區(qū)域放置浸有液態(tài)或凝膠態(tài)電解液的隔膜材料，并進(jìn)一步封裝，形成制作于印刷電路板上的超級(jí)電容器。

進(jìn)一步地，步驟1所述焊盤的材料為銅、鋁或銀等金屬導(dǎo)體；所述圖形化的焊盤為插齒狀或平行條狀。

進(jìn)一步地，步驟2在第一集流襯底和第二集流襯底上采用覆錫工藝制作一層錫層，或者采用沉金工藝制作一層金層，作為保護(hù)層，該保護(hù)層的厚度為0.1μm-100μm；印刷電路板上第一集流襯底和第二集流襯底之外的部分通常采用油墨覆蓋以作為保護(hù)層。

進(jìn)一步地，步驟3所述活性材料溶液可以為石墨溶液、氧化石墨溶液、石墨烯溶液、氧化石墨烯溶液、碳納米管溶液等，所述超級(jí)電容電極為石墨、石墨烯或者碳納米管等材料。

進(jìn)一步地，步驟4所述隔膜材料為纖維布或?yàn)V紙等。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提出了一種超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)，使用超級(jí)電容器同時(shí)作為溫度傳感功能的敏感元件與儲(chǔ)能功能的儲(chǔ)能元件，并將超級(jí)電容器與溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)的電路制作于一塊印刷電路板上，提高了超級(jí)電容與配套功能電路的集成度，簡(jiǎn)化了超級(jí)電容的制作難度，并使得傳統(tǒng)僅用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容功能多樣化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明儲(chǔ)能與溫度傳感雙功能系統(tǒng)電路的具體電路原理圖；

圖4為電化學(xué)沉積超級(jí)電容電極的裝置圖；

圖5為實(shí)施例提供的在基于印刷電路板的超級(jí)電容電極對(duì)應(yīng)區(qū)域覆蓋浸泡有電解質(zhì)的隔膜材料、并使用聚乙烯膜進(jìn)行封裝得到的超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)；

圖6為實(shí)施例得到的超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)在不同溫度下測(cè)量得到的超級(jí)電容器漏電流的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的方案做詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不僅僅限于此。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)，包括印刷電路板以及制作于印刷電路板上的超級(jí)電容器、儲(chǔ)能與溫度傳感雙功能系統(tǒng)電路；印刷電路板上除了超級(jí)電容和系統(tǒng)電路外，還有兩個(gè)作為電化學(xué)沉積的接口，分別對(duì)應(yīng)于超級(jí)電容的兩極。

圖2為本發(fā)明提供的超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖；包括超級(jí)電容器、充電/放電切換開關(guān)、采樣電阻、恒定電壓電路、精密電流采集芯片、ad轉(zhuǎn)換芯片和fpga主控器，以及兩組接口端子，分別是充電端子和放電端子，所述fpga主控器包括充電/放電切換控制單元和溫度數(shù)據(jù)傳輸控制單元；

其中，充電/放電切換開關(guān)與超級(jí)電容器、充電/放電切換控制單元、放電端子和采樣電阻相連，采樣電阻連接于恒定電壓電路與充電/放電切換開關(guān)之間，精密電流采集芯片采集采樣電阻兩端的電壓所得到的電流信息，通過(guò)ad轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳輸?shù)綔囟葦?shù)據(jù)傳輸控制單元進(jìn)行處理；

fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器的工作狀態(tài)在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)間切換，實(shí)現(xiàn)電量的儲(chǔ)存和釋放，即超級(jí)電容器的儲(chǔ)能功能，具體為：fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器工作在放電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容將存儲(chǔ)的電量通過(guò)放電端子釋放給外界的負(fù)載等用電設(shè)備；fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)，使超級(jí)電容器工作在充電狀態(tài)時(shí)，外電源經(jīng)充電端子傳輸?shù)胶愣妷弘娐罚?jīng)恒定電壓電路降壓到超結(jié)電容器所能承受的最大電壓后進(jìn)行恒壓處理，再經(jīng)采樣電阻后，通過(guò)充電/放電切換開關(guān)與超級(jí)電容器相連，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒壓充電；

溫度測(cè)量功能工作在超級(jí)電容器充電狀態(tài)下，精密電流采集芯片持續(xù)不斷的采集采樣電阻所得到的電流信息，當(dāng)從恒定電壓電路傳輸?shù)匠?jí)電容器的電流恒定時(shí)，超級(jí)電容電量飽和，此時(shí)，將精密電流采集芯片采集得到的電流信息通過(guò)ad轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳輸?shù)絝pga的溫度數(shù)據(jù)傳輸控制單元進(jìn)行處理，即可得到超級(jí)電容器所處環(huán)境的溫度信息，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能；這是由于超級(jí)電容器在電量充滿時(shí)仍然有漏電流存在，使得在恒壓充電電量充滿時(shí)仍然有電流流向超級(jí)電容器，而該漏電流會(huì)隨著超級(jí)電容器所處環(huán)境溫度的升高而增大，所處環(huán)境溫度的降低而減小，通過(guò)對(duì)該漏電流的測(cè)量即可得到超級(jí)電容器所處環(huán)境的溫度信息，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。

實(shí)施例

圖3給出了本發(fā)明實(shí)施例超級(jí)電容溫度傳感及儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)的具體電路原理圖。其中，充電/放電切換開關(guān)為matsushita公司雙路單刀雙擲電磁繼電器tq2-5，內(nèi)置兩路相同的單刀雙擲開關(guān)；采樣電阻為r050，阻值為50mω；精密電流采集芯片為ina282芯片；ad轉(zhuǎn)換芯片為ads8321芯片；恒定電壓電路采用lm1117三端穩(wěn)壓芯片，其輸入端連接充電端子正極，輸出端連接采樣電阻r050，公共端連接tq2-5與充電端子負(fù)極。

fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)tq2-5，使超級(jí)電容器的工作狀態(tài)在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)間切換，實(shí)現(xiàn)電量的儲(chǔ)存和釋放，即超級(jí)電容器的儲(chǔ)能功能，具體為：fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)tq2-5，使超級(jí)電容器工作在放電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容正極連接放電端子正極，超級(jí)電容負(fù)極連接放電端子負(fù)極，超級(jí)電容將存儲(chǔ)的電量通過(guò)放電端子釋放給外接負(fù)載；fpga主控器通過(guò)充電/放電切換控制單元控制充電/放電切換開關(guān)tq2-5，使超級(jí)電容器工作在充電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容器正極連接采樣電阻，負(fù)極連接充電端子負(fù)極與lm1117公共端，外電源經(jīng)充電端子傳輸?shù)絣m1117三端穩(wěn)壓芯片輸入端，經(jīng)lm1117芯片降壓到超結(jié)電容器所能承受的最大電壓后進(jìn)行恒壓處理，再經(jīng)采樣電阻r050后，通過(guò)充電/放電切換開關(guān)tq2-5與超級(jí)電容器相連，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒壓充電；

溫度測(cè)量功能工作在超級(jí)電容器充電狀態(tài)下，超級(jí)電容器充滿電后，恒壓電路將使得超級(jí)電容兩端電壓恒定在設(shè)定值，但由于超級(jí)電容擁有自放電效應(yīng)，在其充滿電后將以一定電流值損耗電量；在本發(fā)明的工作環(huán)境中，因?yàn)閮啥穗妷汉愣ǖ臈l件，q＝cu中電壓u與超級(jí)電容容量不變，所以減少的電量q將從恒定電壓電路向超級(jí)電容補(bǔ)充，在其他條件不變的情況下表現(xiàn)為漏電流一定。因此，精密電流采集芯片ina282持續(xù)不斷的采集采樣電阻r050所得到的電流信息，當(dāng)從恒定電壓電路傳輸?shù)匠?jí)電容器的電流恒定時(shí)，超級(jí)電容電量飽和，此時(shí)，將精密電流采集芯片ina282采集得到的電流信息通過(guò)ad轉(zhuǎn)換芯片ads8321轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳輸?shù)絝pga的溫度數(shù)據(jù)傳輸控制單元進(jìn)行處理，即可得到超級(jí)電容器所處環(huán)境的溫度信息，實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。本發(fā)明采用的非固態(tài)電解質(zhì)超級(jí)電容在溫度變化時(shí)因?yàn)殡娊赓|(zhì)活性變化會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容容量發(fā)生變化，當(dāng)超級(jí)電容所處環(huán)境溫度上升，超級(jí)電容容量會(huì)增大，因?yàn)榫S持兩端電壓不變，根據(jù)q＝cu，所以從恒定電壓電路流入超級(jí)電容器的電流將增大；當(dāng)超級(jí)電容所處環(huán)境溫度下降，超級(jí)電容容量會(huì)減小，因?yàn)榫S持兩端電壓不變，根據(jù)q＝cu，所以從恒定電壓電路流入超級(jí)電容器的電流將減小。電流變化的另一種解釋為：溫度上升使得電解質(zhì)活性升高，因此超級(jí)電容自放電效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致從恒定電壓電路流入超級(jí)電容器的電流增大，反之，溫度下降將導(dǎo)致電流減小。

進(jìn)一步地，所述制作于印刷電路板上的超級(jí)電容器的制備過(guò)程具體為：

步驟1：采用絲網(wǎng)印刷法在印刷電路板上制作兩個(gè)插齒狀的焊盤作為超級(jí)電容器的第一集流襯底和第二集流襯底；

步驟2：在步驟1得到的第一集流襯底和第二集流襯底上采用沉金工藝制作一層金層；并預(yù)留兩個(gè)電化學(xué)沉積的接口，如圖1所示；

步驟3：如圖4所示，將步驟2處理后得到的印刷電路板作為陽(yáng)極，鈦金屬片作為陰極，兩者相對(duì)放置，在15mg/ml的氧化石墨烯溶液中采用電化學(xué)沉積法制備超級(jí)電容活性材料石墨烯，沉積電壓為20v，沉積時(shí)間為15min，即可得到插齒狀的第一超級(jí)電容電極和第二超級(jí)電容電極；

步驟4：在印刷電路板上超級(jí)電容電極對(duì)應(yīng)區(qū)域，貼附放置浸有1mol/l的氫氧化鉀溶液電解質(zhì)的高纖維濾紙，貼附完成后，采用聚乙烯、聚氯乙烯等薄膜材料，對(duì)超級(jí)電容區(qū)域進(jìn)行封裝，得到完整的超級(jí)電容器，如圖5所示。

對(duì)本實(shí)施例得到的雙功能系統(tǒng)的溫度測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中，室溫為25℃，使用溫度精確度為1℃的恒溫加熱臺(tái)對(duì)系統(tǒng)電路板進(jìn)行升溫，升溫以每間隔0.5℃進(jìn)行一次記錄，同時(shí)記錄溫度和漏電流值。如圖6示出的不同溫度與超級(jí)電容器漏電流變化的點(diǎn)線圖，根據(jù)記錄，超級(jí)電容在起始溫度50.0℃的漏電流值為15μa，在結(jié)束溫度68.5℃時(shí)的漏電流為85μa，在整個(gè)量程范圍內(nèi)，有線性趨近于2次函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)讀取漏電流值可以準(zhǔn)確的得知超級(jí)電容溫度測(cè)量系統(tǒng)所處環(huán)境溫度。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)施例得到的超級(jí)電容溫度傳感與儲(chǔ)能雙功能系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。而且此超級(jí)電容與系統(tǒng)電路一體制作于印刷電路板的雙功能系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單，體積較小，集成度高。