超級電容器參數(shù)測試與特性研究

作者 / 曾進(jìn)輝 段斌 劉秋宏 蔡希晨 吳費祥 趙盼瑤 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院(湖南 株洲 412000)

*基金項目：2017年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201711535016)

摘要：為研究超級電容器的電氣原理，構(gòu)建一種符合其工作特性的精確電路模型。需對超級電容的部分動態(tài)行為參數(shù)進(jìn)行測試與辨識，一種在蓄電池和超級電容組成的混合儲能實驗裝置下，基于直流內(nèi)阻法、恒壓漏電法以及動態(tài)充電法對超級電容器的內(nèi)阻、漏電流和容量等參數(shù)進(jìn)行測量的方法。實驗結(jié)果表明，各參數(shù)與理論值匹配度較高，可為超級電容器的動態(tài)特性和狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)支撐。

0 引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新能源發(fā)電被接納入電網(wǎng)中，由于分布式發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性等特點，使得電力系統(tǒng)無法更好的削峰填谷^[1-2];在這樣的大背景下，電力儲能技術(shù)的研究和發(fā)展應(yīng)運而生。蓄電池作為當(dāng)前主要電力儲能裝置，其缺點非常明顯：如儲能容量較小、啟動較慢、電量衰減較為嚴(yán)重^[3-4]。而超級電容器因為具有可快速充放電、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保、功率密度高、可逆性好、工作溫度范圍寬、具有良好的低溫使用性能和安全性等優(yōu)點，世界各國學(xué)者都開展了廣泛的研究^[5]。超級電容器的綜合性能更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于充電電池和普通電容器，能很好地適用于備用電源系統(tǒng)，并已在交通、電力、工業(yè)生成等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超級電容器作為一種新型的綠色儲能元件，隨著其制造成本的降低和能量密度的提高，在儲能領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　目前超級電容器正是發(fā)展前景良好的電力儲能元件，市場上已有多家超級電容器生產(chǎn)廠家^[6];由于制造工藝水平、材料等不同，成品的性能存在一定差異，通過測試可更好掌握其充放電特性并準(zhǔn)確使用。所以，對超級電容器參數(shù)的準(zhǔn)確的測量并在電力儲能方面進(jìn)行應(yīng)用有著非常重要的意義^[7-8]。本文將對超級電容器的內(nèi)阻、漏電流、容量的測試方法進(jìn)行研究，為評價超級電容器的性能提供數(shù)據(jù)支持，使其更好的應(yīng)用于電力儲能領(lǐng)域，同時為超級電容器的測試提供參考方案^[9]。

1 實驗硬件

　　1.1 實驗裝置選取

　　超級電容器既具有普通電容器的充放電速度快的特性，同時又擁有充電電池儲能容量大的特性，是介于普通電容器和充電電池之間的一種新型儲能器件。故在超級電容器參數(shù)測試中將普通電容器與充電電池測試方法相結(jié)合，設(shè)計出適合超級電容器參數(shù)測試的方案。

　　實驗中所采用的超級電容器48V/165F模塊，質(zhì)量為13.70kg，工作溫度要求在-40 ℃~65 ℃之間。常應(yīng)用于混合動力汽車、軌道交通、重型工業(yè)設(shè)備、UPS系統(tǒng)等，對工作環(huán)境溫度沒有較高要求，故測試溫度在20℃~35℃之間，更能反映超級電容器在實際工作環(huán)境下的參數(shù)情況。

　　1.2 實驗設(shè)備

　　超級電容器充電電源采用邁盛直流穩(wěn)壓電源MS-605D，由220 V/50 Hz交流電供電，輸出電壓為0-60 V，輸出電流為0-5 A。放電設(shè)備為BTC放電儀，0-60 V輸入，0-10 A恒流放電。示波器采用固偉 GDS-2102 A示波器。

2 測試模型搭建

　　2.1 系統(tǒng)電路模型

　　通過超級電容器充放電測試來觀測電路中的電壓電流變化進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計算，尤其基本測試原理得出系統(tǒng)電路模型如圖1所示。系統(tǒng)模型主要分為電源、放電儀、示波器和超級電容器四部分組成，通過電源和放電儀對超級電容器充放電的同時觀察示波器所顯示的電壓變化情況計算得到超級電容器的內(nèi)阻、漏電流、容量等參數(shù)。

　　2.2 放電儀電路模型

　　為實現(xiàn)超級電容器可控制放電條件，使用BCT系列放電儀對超級電容器進(jìn)行放電，放電儀電路模型如圖2所示。其基本原理是將超級電容器接入BCT放電儀放電輸入端口，對超級電容器放電過程的電壓電流進(jìn)行實時檢測，并將檢測值發(fā)送給驅(qū)動電流對放電過程進(jìn)行實施控制，其放電產(chǎn)生能量由放電電阻消耗。

3 測試方案設(shè)計與測試結(jié)果

　　3.1 直流內(nèi)阻法測內(nèi)阻

　　由于超級電容器有內(nèi)阻的存在，而電流通過阻性元件時會產(chǎn)生一定的能量消耗。使用一固定大小的電流給超級電容器充電和放電，超級電容器由于內(nèi)阻的存在會使得電壓發(fā)生波動，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過這個波動的電壓值來檢測超級電容器的內(nèi)阻大小，其充放電電壓波動模型如圖3。

　　具體測試方法如下：

　　1)將示波器接入超級電容器兩端，并調(diào)試好示波器相應(yīng)參數(shù)便于觀察電壓變化情況;

　　2)超級電容器以恒定電流I₁=3 A充電至某一電壓，斷開充電電源，并記錄停止瞬間的電壓值，觀察示波器波形變化，記錄在停止充電后的電壓變化至穩(wěn)定狀態(tài)的電壓值;

　　3)重復(fù)步驟2)操作5次，在表一中記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，分析并計算出超級電容器的充電情況下的內(nèi)阻;

　　4)將超級電容器以初始電流為I=3 A放電至某一電壓，然后迅速停止放電，記錄此時電流I₂和電壓停止瞬間值，觀察示波器波形變化，記錄在停止放電后的電壓變化至穩(wěn)定狀態(tài)的電壓值;

　　5)重復(fù)步驟(4)操作5次并在表二中記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，分析并計算出超級電容器的放電情況下的內(nèi)阻;

　　6)計算超級電容器充電停止瞬間到相對穩(wěn)定狀態(tài)的電壓變化大小Δμ₁，和放電停止瞬間到相對穩(wěn)定狀態(tài)的電壓變化大小Δμ₂。由于這兩段時間內(nèi)電流從I變?yōu)?，故近似認(rèn)為電壓發(fā)生變化時間內(nèi)的電流的平均大小為I/2，由此可計算出：

　　根據(jù)已有的實驗條件，可以測出超級電容器48V/165F模塊內(nèi)阻在0.2~0.4 Ω之間，其可提供的最大輸出電流在120~240 A。由此充分展示出超級電容器可提供大電流輸出的特性，在平抑短時尖峰負(fù)荷上具有較好的效果。

　　3.2 漏電流測試

　　1)將超級電容器正極接上空氣開關(guān)，引出導(dǎo)線，便于其它儀器的連接;

　　2)將BCT放電儀的放電電流設(shè)定為5 A，截止電壓設(shè)定為3 V，然后將放電儀接上超級電容器，打開空氣開關(guān)，超級電容器開始放電，直至BCT放電儀提示放電到截止電壓，關(guān)閉空氣開關(guān)，斷開BCT放電儀，再使用粗導(dǎo)線將超級電容器兩端直接短路，使之完全放電;

　　3)調(diào)試電源：先將電流粗調(diào)和電流細(xì)條旋鈕順時針調(diào)至最大，再調(diào)節(jié)電壓粗調(diào)旋鈕和電壓細(xì)調(diào)旋鈕將電壓值設(shè)定為48 V，然后將電源接入超級電容器，打開空氣開關(guān)，給超級電容器充電，由于電源的最大電流只有5.06 A，故前期處于恒流充電狀態(tài)，直至48 V，然后電源自動轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐焊〕洌诤銐焊〕潆A段，電流處于一個下降趨勢變化，最終電流值趨于穩(wěn)定，此時電源上顯示的電流大小即為超級電容器在48 V電壓狀態(tài)下的漏電流大小。

　　4)從超級電容器充電至48 V轉(zhuǎn)為恒壓浮充后，每隔10 min記錄一次對應(yīng)時刻的漏電流大小。

　　5)在測出一號和二號超級電容器漏電流數(shù)據(jù)后繪制出其漏電流變化曲線如圖4所示。

　　由于目前國內(nèi)缺乏超級電容器檢測評價標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)國家電容漏電流標(biāo)準(zhǔn)K=0.03相比，超級電容器具有極小的漏電流。

　　3.3 直流充電測容量

　　(1)超級電容器放電：使用BCT放電儀將超級電容器電壓釋放到3 V之后，使用放電導(dǎo)線進(jìn)行將超級電容器完全放電。

　　(2)調(diào)試直流電源：先將電流粗調(diào)和電流細(xì)調(diào)旋鈕順時針調(diào)至最大，再調(diào)節(jié)電壓粗調(diào)旋鈕和電壓細(xì)調(diào)旋鈕將電壓值設(shè)定為48.0 V。

　　(3)超級電容器充電：將調(diào)試好的直流電源接入超級電容器充放電端口，啟動開關(guān)，超級電容器充電。

　　(4)數(shù)據(jù)記錄：每隔一分鐘通過電源顯示器觀察一次此時的電流大小，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制超級電容器充電電流變化曲線如圖5所示。

　　由測量出的數(shù)據(jù)根據(jù)公式可計算出該超級電容器的容量為8584.2 C.即一個ma超級電容器48 V模塊若以額定工作電流(100 A)的情況下充電僅需86 s即可充滿，而以1A的電流則可以連續(xù)放電約2.4 h，這充分展示出了超級電容器在迅速充電方面極具優(yōu)越性。

4 結(jié)論

　　通過對超級電容器的內(nèi)阻、漏電流和容量的測試結(jié)果來看，超級電容器具有極小的內(nèi)阻，即使單個的超級電容器就能提供100 A以上的大電流，足以應(yīng)對儲能系統(tǒng)短時大功率充電，且超級電容器能夠在極短時間內(nèi)升至額定電壓。通過超級電容器的漏電與傳統(tǒng)電容器漏電流檢測標(biāo)準(zhǔn)相比，超級電容器具有極小的漏電流，使得超級電容器的使用壽命更為長久。而通過超級電容器的容量測試，顯示出超級電容器與同體積的蓄電池相比，其功率密度更高。

　　超級電容器支持大電流充電特性，可將其應(yīng)用于城市公交等可短距離行駛的交通運輸車輛上，可實現(xiàn)超短時間充電并提供短時內(nèi)充沛與持續(xù)的續(xù)航能力。超級電容器支持超大電流放電，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小可支持大型電氣設(shè)備啟動時所需的尖峰電流。利用其大電流充放電的綜合特性可應(yīng)用于電網(wǎng)重負(fù)荷運行時段，可降低電網(wǎng)電壓波動，提高電能質(zhì)量。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李軍求, 孫逢春, 張承寧,等. 純電動大客車超級電容器參數(shù)匹配與實驗[J]. 電源技術(shù), 2004, 28(8):483-486.

　　[2]唐剛. 最小二乘法在超級電容器參數(shù)辨識中的應(yīng)用[J]. 電子元件與材料, 2015(7):95-97.

　　[3]施濟(jì)杰. 基于嵌入式的超級電容器參數(shù)測量系統(tǒng)的研究[D]. 天津大學(xué), 2011.

　　[4]時洪雷. 超級電容器參數(shù)老化趨勢預(yù)測[D]. 大連理工大學(xué), 2017.

　　[5]郭瑞, 劉敬力, 李寶華. RLS算法在碳基超級電容器參數(shù)辨識中的應(yīng)用[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014(12):1660-1664.

　　[6]趙洋, 韋莉, 張逸成,等. 基于粒子群優(yōu)化的超級電容器模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)辨識[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(15):155-161.

　　[7]趙洋, 張逸成, 孫家南,等. 混合型水系超級電容器建模及其參數(shù)辨識[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(5):186-191.

　　[8]Fuertes A B, Lota G, Centeno T A, et al. Templated mesoporous carbons for supercapacitor application[J]. Electrochimica Acta, 2005, 50(14):2799-2805.

　　[9]Yao Y Y, Zhang D L, Xu D G. A Study of Supercapacitor Parameters and Characteri stics[C]// International Conference on Power System Technology, 2006. Powercon. IEEE, 2006:1-4.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。