一种微短路结构的冲击自传感超级电容器及应用的制作方法

本发明属于超级电容器技术领域，特别涉及一种微短路结构的冲击自传感超级电容器及应用。

背景技术：

超级电容器具有充放电电流大、循环寿命长、抗冲击性能好等优势，常应用于电气系统中作为电源或者备用电源使用。在高过载冲击探测领域中，通常用超级电容器作为电源部分与传感器联用，由超级电容器为冲击进行供电，确保在高过载冲击环境下电源能够正常对传感器供电，保证冲击的可靠探测。

能源与传感器在系统中分别工作，器件集成化的程度不高，功能单一，在一定程度下不利于冲击测量系统体积的缩减，这也限制了超级电容器的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微短路结构的冲击自传感超级电容器及应用；其特征在于，所述超级电容器内部采用串联叠层式结构，上层单体为普通构造，即按正极、隔膜、负极用刚性法兰连接，并在正负极外侧附着集流体组成一个单体电容，相邻两个单体电容的正极集流体和负极集流体叠在一起依次叠放串联构成多个单体电容的串联叠层式结构；最底层单体的正电极事先涂点上导电胶触点阵列，并用弹性法兰连接正电极与负电极，即形成具有微短路结构的单体电容，然后将其和多个单体电容的串联叠层式结构组装为一体结构，该结构用712固化胶灌封，初步封装，上压重物完成固化；待固化完成后用一次封装时留存的注液针往电容器电极之间的空腔注入电解液后拔出针头封口，然后再将整体结构放置在形状相适的塑料外壳中，进行第二次灌封固化成弹性结构，从器件头尾部的正负极分别引出接线，再用灌封胶灌封，得到具有微短路结构的冲击自传感超级电容器。

所述导电胶触点阵列的高度比弹性法兰的宽度短，使得单体电容在非冲击条件下，导电胶触点阵列与负电极保持断开，不影响超级电容器的正常供电能力；当正负电极在高过载冲击时发生轴向压缩，电极间距减小，导电胶触点阵列与负电极发生接触形成微短路，输出电压在瞬间向下跳变，从而超级电容器感知过载冲击响应信号，实现超级电容器利用自身储能量对实现电路自供电。

所述导电胶触点阵列是用点胶机将具备导电特性的导电胶涂于超级电容器单体的电极薄膜上形成导电胶触点阵列，并在高温下固化一个小时；另一电极不做附加操作；该导电胶触点阵列的点胶量保持一致，胶机注胶头保持一致，确保各个胶点高度一致并低于两层电极之间的高度，单层胶点个数为中心对称布局，确保电极应力分布均匀；两层电极之间采用弹性法兰或者绝缘弹性胶支撑与密封，保证所述超级电容器在正常情况下能够保持稳定的输出电压，同时在外界冲击撤去后保证微短路能够及时断开。

所述具有导电胶触点阵列的叠层单体与其他普通超级电容器单体在组装时位于整体的底部；安装时，器件底部朝向冲击的方向，在冲击发生时，顶层多个单体同时充当质量块的作用，加大导电胶微短路触点阵列与电极直接的接触力，保证微短路形成。

所述导电胶为采用环氧树脂作为基料，在环氧树脂基料中掺杂增韧剂和导电填料，充分混合而成，其中导电填料选活性碳粉，除增加导电性外还额外提升电极的储能性能；活性炭掺杂比例控制以基料和导电填料成分比例靠近临界值，即将电阻率控制在高端范围内，确保微短路时电容器单体少损失能量为准。

所述微短路结构的冲击自传感超级电容器在充至满电时使用；使用时除了可以正常对外供电，还外接由opa316运放组成的微分放大电路对冲击时电容器电压的负向跳变进行获取，完成冲击识别；将电容器两端作为电源对微分放大电路进行供电，在电路稳定工作的同时完成对冲击响应信号的处理和放大，真正实现了器件自传感特性；真正意义上实现了传感、供能一体化集成，克服了以往高过载冲击检测中传感器需要额外电源供应的问题，能够有效减小检测设备的体积，适合应用于某些对器件体积有严格要求的场合。

本发明的有益效果在于：采用所述微短路结构，使得超级电容器在保持基本电容器功能外还具备传感器功能，实现了传感器与储能器件一体化内集成，可以解决以往冲击传感器需要额外电源供电的问题，并且提出了一种利用器件自身储能量对电路自供电的信号处理方式，实现了多个器件功能集成于单一器件中，有利于复杂系统集成化发展，拓展了超级电容器的应用场合。

附图说明

图1为微短路结构的冲击自传感超级电容器结构示意图。

图2为微分放大电路原理图。

图中标号：正电极1、负电极2、集流体3、刚性法兰4、外壳5、灌封胶6、弹性法兰7、导电胶触点阵列8

具体实施方式

本发明的目的是提供一种微短路结构的冲击自传感超级电容器及应用方法；下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。图1所示为微短路结构的冲击自传感超级电容器结构示意图。图中所示超级电容器内部采用串联叠层式结构，上层单体电容为普通构造，即按正极1、负极2用刚性法兰4连接，并在正负外侧附着集流体3组成一个单体电容，相邻两个单体电容的正极集流体和负极集流体叠在一起，依次叠放、串联构成多个单体电容的串联叠层式结构；最底层单体电容的正电极1上事先点涂导电胶触点阵列8，即微短路结构，并用弹性法兰7连接正电极1与负电极2，形成具有微短路结构的单体电容，然后将其和多个单体电容的串联叠层式结构装入外壳5，用灌封胶6灌封，得到微短路结构的冲击自传感超级电容器。

所述导电胶触点阵列的高度比弹性法兰的宽度短，使得单体电容在非冲击条件下，导电胶触点阵列8与负电极保持断开，不影响超级电容器的正常供电能力；当正负电极在高过载冲击时发生轴向压缩，电极间距减小，导电胶触点阵列8与负电极2发生接触形成微短路，输出电压在瞬间向下跳变，从而超级电容器感知过载冲击响应信号，实现超级电容器利用自身储能量对电路自供电的信号得到处理。

所述导电胶触点阵列是用点胶机将具备导电特性的导电胶涂于超级电容器单体的电极薄膜上形成导电胶触点阵列，并在高温下固化一个小时；另一电极不做附加操作；该导电胶触点阵列的点胶量保持一致，胶机注胶头保持一致，确保各个胶点高度一致并低于两层电极之间的高度，单层胶点个数为中心对称布局，确保电极应力分布均匀；两层电极之间采用弹性法兰或者绝缘弹性胶支撑与密封，保证所述超级电容器在正常情况下能够保持稳定的输出电压，同时在外界冲击撤去后保证微短路能够及时断开。

所述具有导电胶触点阵列的叠层单体与其他普通超级电容器单体在组装时位于整体的底部；安装时，器件底部朝向冲击的方向，在冲击发生时，顶层多个单体电容同时充当质量块的作用，加大导电胶触点阵列与电极直接的接触力，保证微短路形成。

所述导电胶为采用环氧树脂作为基料，在环氧树脂基料中掺杂增韧剂和导电填料，充分混合而成，其中导电填料选活性碳粉，除增加导电性外还额外提升电极的储能性能；活性炭掺杂比例控制以基料和导电填料成分比例靠近临界值，即将电阻率控制在高端范围内，确保微短路时电容器单体少损失能量为准。

在本实施例中，正负电极-集流体都采用钛基氧化钌涂层，电解液采用38%的硫酸溶液。

超级电容器内部采用串联式叠层结构，上层单体电容为普通构造，按正极-隔膜-负极依次叠放构成，相邻两个单体电容的正极集流体和负极集流体叠在一起，形成串联结构；按图1中所示，最底层单体电容的正电极上事先点涂导电胶点阵列，导电胶以环氧树脂为基料、增韧剂和活性炭按比例混合均匀，确保每个胶点高度保持一致，并完成固化，负极不做任何改变，两个电极中间采用弹性法兰的方式隔开，上述的结构用712固化胶灌封，初步封装，上压50g重物完成固化；待固化完成后用一次封装时留存的注液针往电容器电极之间的空腔注入电解液后拔出针头封口，然后再将整体结构放置在形状相适的塑料壳中，进行第二次灌封固化成弹性结构，从器件头尾部的正负极分别引出接线，完成器件制备。

电容器在充至满电时使用。使用时除了可以正常对外供电，还外接如图2所示的微分放大电路对冲击时电容器电压的负向跳变进行获取，完成冲击识别。在本实施例中，将电容器两端作为电源对微分放大电路进行供电，在电路稳定工作的同时完成对冲击响应信号的处理和放大，真正实现了器件自传感。图2所示的微分放大电路采用低功耗低电压运放电器件opa316运放；将所述自传感超级电容器的正负极分别并联旁路电容后接至微分电路的正电源端和地端，电路的负电源端与地端连接，直接用电容器对电路进行供电；解决了自传感电容器在放电过程中电压始终不为零这一特征对冲击识别造成干扰的问题，并且在无需外电源同步供电的情况下完成了对器件输出信号的有效放大，增益效果可达数十倍。

本发明真正意义上实现了传感供能一体化集成，克服了以往高过载冲击检测中传感器需要额外电源供应的问题，能够有效减小检测设备的体积，十分适合应用于某些对器件体积有严格要求的场合。