超級電容測試及應(yīng)用

新型能源是當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域，而超級電容作為介于電容器和電池之間的一種新型儲能器件，它既有電容器可以快速充放電的特點(diǎn)，又有電池的儲能機(jī)理。

超級電容器早期有兩個主要的應(yīng)用領(lǐng)域，第一個是當(dāng)主能源能量不足時，充當(dāng)臨時備用電源和短時間供電的應(yīng)急電源。比如：主電源和備用電源切換時的續(xù)電(基站及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，通訊等行業(yè));在快充快放環(huán)境是替代一些蓄電池和動力電池(電動工具行業(yè)，電動大巴等)。第二個主要用途就是充當(dāng)峰值功率電源。在這些應(yīng)用中，超級電容器為系統(tǒng)單獨(dú)提供所需的峰值功率電源或與電池一起在連續(xù)工作時提供穩(wěn)流低功率電源，而在峰值負(fù)載時提供一個高功率脈沖。在這里，超級電容器減弱了用電器對電池提供峰值功率的要求，這樣就可以大大延長電池的壽命，并減小了電池的整體尺寸。近年來，超級電容器展現(xiàn)出更為廣泛的應(yīng)用前景，特別是在發(fā)展混合動力或純電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。超級電容器與電池聯(lián)合，可以提供高功率輸出和高能量輸出，既減小了電源的體積，又延長了電池的壽命。

超級電容，又叫雙電層電容器或法拉第準(zhǔn)電容器，他們可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

圖一、工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖

超級電容的“超級”在于其功率密度高，可達(dá)鋰電池的2~30倍;充放電時間短，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上;循環(huán)壽命長，深度充放電可循環(huán)使用達(dá)數(shù)十萬次;工作溫度范圍寬;充放電線路簡單;失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠等，是兼?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦缘男滦驮?。可以?yīng)用在混合動力汽車、移動設(shè)備電源、太陽能、風(fēng)能、燃料電池等發(fā)電的儲存、緊急照明系統(tǒng)以及大功率電脈沖設(shè)備等。

那么如何測量超級電容的參數(shù)?我們以實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)合計(jì)算的方法，簡單介紹一下。

容量測量：

如下圖測試電路，核心是用一個具有恒流輸出及電壓限制的功率電源作為充電電源。電容兩端的充電電壓波形可以通過一個數(shù)字示波器進(jìn)行記錄。通過示波器的光標(biāo)，可以很方便地讀出電壓從1.5V上升到2.5V所用的時間，基本的計(jì)算公式如下：i=C(△V/△t)公式變換為：C= i(△t/△V)。充電電流設(shè)定為1A，電壓變化范圍△V=2.5V-1.5V-1V 那么C=△t，在這個示例中，超級電容的容量在數(shù)字上與電容從1.5V充電到2.5V的時間相等。時間單位為秒。由于超級電容結(jié)構(gòu)的特殊性，電容在測試前必須進(jìn)行完全的放電。

流入電流測量：

由于超級電容表現(xiàn)出明顯的非傳導(dǎo)性介質(zhì)特性，所以測量實(shí)際的自放電或者自漏電數(shù)值是比較困難的。當(dāng)一只超級電容被充電至工作電壓的過程中，流入電流是很大的，并且逐步變小。此時流入電流是介質(zhì)吸收電流與電容漏電流之和。介質(zhì)吸收電流是作為能量儲存，但深度存儲需要比較長的時間，電容的流入電流與時間是對數(shù)關(guān)系，具體如下表所示。

只有當(dāng)介質(zhì)吸收電流為0時，此時的流入電流才是漏電電流，這大概需要連續(xù)充電100個小時才能達(dá)到，此時漏電流大概為幾微安。在這個點(diǎn)以后，為了繼續(xù)測量流入電流，需要使用一只準(zhǔn)確的微伏表與一只比較大的電阻，數(shù)值參看上圖。

直流阻抗與交流阻抗測量：

串聯(lián)等效阻抗或者交流阻抗可以通過LCR電橋在1kHz下進(jìn)行測量。這種方法測量的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。另外一種方法是測量所謂的直流阻抗，可以用同一種儀器，但這種方法測量的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，誤差比較大。

下圖是用電容容量測量電路獲得的充電電壓曲線，起始階段的局部放大圖如下圖所示，當(dāng)用1A的電流進(jìn)行充電時，瞬間發(fā)生的電壓階躍可以被用來計(jì)算交流內(nèi)阻，直流內(nèi)阻或者DC阻抗等于階躍電壓值除以1A的電流，對于內(nèi)阻很低的電容，可以用更大的電流進(jìn)行測量。

在這個示例中，內(nèi)部阻抗=初始電壓階躍/充電電流=0.15V/1A=0.15Ω，研究得出，直流阻抗是交流阻抗的1.1至1.5倍之間。

當(dāng)然，要更深入的了解超級電容的性能，還必須配合一些高精度的電源、電子負(fù)載甚至一些智能化的測試系統(tǒng)做進(jìn)一步的測試。例如，艾德克斯ITS5300電池測試系統(tǒng)集成了電源、電子負(fù)載、內(nèi)阻分析儀、溫度測試儀、雙極性電源及專業(yè)的分析軟件，可以自動完成單節(jié)超級電容的充放電循環(huán)測試、超級電容PACK的充放電循環(huán)測試、IT5102多通道在線內(nèi)阻分析儀采用500Hz或1KHz的交流小信號可以測量電容內(nèi)阻(ESR，等效串聯(lián)電阻)以及多節(jié)電容一致性的測試及篩選、結(jié)合IT5601溫度測試儀，PACK測試時單節(jié)的電壓、內(nèi)阻和溫度的一致性測試等也可以輕松完成。

艾德克斯ITECH是專業(yè)生產(chǎn)電源及電子負(fù)載的廠家，始終致力于最新最前沿的測試測量解決方案的研究。歡迎關(guān)注更多測試測量動態(tài)。