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​超级电容器参数测试与特性的研究方向

本文将对超级电容器的内阻、漏电流、容量的测试方法进行研究,为评价超级电容器的性能提供数据支持,使其更好的应用于电力储能领域,同时为超级电容器的测试提供参考方案。


实验硬件


实验装置选取


超级电容器既具有普通电容器的充放电速度快的特性,同时又拥有充电电池储能容量大的特性,是介于普通电容器和充电电池之间的一种新型储能器件。故在超级电容器参数测试中将普通电容器与充电电池测试方法相结合,设计出适合超级电容器参数测试的方案。


实验中所采用的超级电容器48V/165F模块,质量为13.70kg,工作温度要求在-40℃~65℃之间。常应用于混合动力汽车、轨道交通、重型工业设备、UPS系统等,对工作环境温度没有较高要求,故测试温度在20℃~35℃之间,更能反映超级电容器在实际工作环境下的参数情况。


实验设备



超级电容器充电电源采用迈盛直流稳压电源MS-605D,由220V/50Hz交流电供电,输出电压为0-60V,输出电流为0-5A。放电设备为BTC放电仪,0-60V输入,0-10A恒流放电。示波器采用GDS-2102A示波器。



测试模型搭建


系统电路模型


通过超级电容器充放电测试来观测电路中的电压电流变化进行相关参数计算,尤其基本测试原理得出系统电路模型如图1所示。系统模型主要分为电源、放电仪、示波器和超级电容器四部分组成,通过电源和放电仪对超级电容器充放电的同时观察示波器所显示的电压变化情况计算得到超级电容器的内阻、漏电流、容量等参数。


超级电容器参数测试与特性的研究方向

放电仪电路模型


为实现超级电容器可控制放电条件,使用BCT系列放电仪对超级电容器进行放电,放电仪电路模型如图2所示。其基本原理是将超级电容器接入BCT放电仪放电输入端口,对超级电容器放电过程的电压电流进行实时检测,并将检测值发送给驱动电流对放电过程进行实施控制,其放电产生能量由放电电阻消耗。


测试方案设计与测试结果


直流内阻法测内阻



由于超级电容器有内阻的存在,而电流通过阻性元件时会产生一定的能量消耗。使用一固定大小的电流给超级电容器充电和放电,超级电容器由于内阻的存在会使得电压发生波动,最终达到稳定状态,可以通过这个波动的电压值来检测超级电容器的内阻大小,其充放电电压波动模型如图3。

超级电容器参数测试与特性的研究方向


具体测试方法如下:

(1)将示波器接入超级电容器两端,并调试好示波器相应参数便于观察电压变化情况;

(2)超级电容器以恒定电流I1=3A充电至某一电压,断开充电电源,并记录停止瞬间的电压值1544166313282307.jpg,观察示波器波形变化,记录在停止充电后的电压变化至稳定状态的电压值;

(3)重复步骤2操作5次,在表一中记录相应的数据,分析并计算出超级电容器的充电情况下的内阻;

(4)将超级电容器以初始电流为I=3A放电至某一电压,然后迅速停止放电,记录此时电流I2和电压停止瞬间值,观察示波器波形变化,记录在停止放电后的电压变化至稳定状态的电压值;

(5)重复步骤(4操作5次并在表二中记录相应的数据,分析并计算出超级电容器的放电情况下的内阻;

(6)计算超级电容器充电停止瞬间到相对稳定状态的电压变化大小Δμ1,和放电停止瞬间到相对稳定状态的电压变化大小Δμ2。由于这两段时间内电流从I变为0,故近似认为电压发生变化时间内的电流的平均大小为I/2,由此可计算出:

超级电容器参数测试与特性的研究方向


根据已有的实验条件,可以测出超级电容器48V/165F模块内阻在0.2~0.4 Ω之间,其可提供的最大输出电流在120~240 A。由此充分展示出超级电容器可提供大电流输出的特性,在平抑短时尖峰负荷上具有较好的效果。


漏电流测试



(1)将超级电容器正极接上空气开关,引出导线,便于其它仪器的连接;


(2)将BCT放电仪的放电电流设定为5A,截止电压设定为3V,然后将放电仪接上超级电容器,打开空气开关,超级电容器开始放电,直至BCT放电仪提示放电到截止电压,关闭空气开关,断开BCT放电仪,再使用粗导线将超级电容器两端直接短路,使之完全放电;


(3)调试电源:先将电流粗调和电流细条旋钮顺时针调至最大,再调节电压粗调旋钮和电压细调旋钮将电压值设定为48V,然后将电源接入超级电容器,打开空气开关,给超级电容器充电,由于电源的最大电流只有5.06A,故前期处于恒流充电状态,直至48V,然后电源自动转变为恒压浮充,在恒压浮充阶段,电流处于一个下降趋势变化,最终电流值趋于稳定,此时电源上显示的电流大小即为超级电容器在48V电压状态下的漏电流大小。


(4)从超级电容器充电至48V转为恒压浮充后,每隔10min记录一次对应时刻的漏电流大小。


(5)在测出一号和二号超级电容器漏电流数据后绘制出其漏电流变化曲线如图4所示。


由于目前国内缺乏超级电容器检测评价标准,但根据国家电容漏电流标准K=0.03相比,超级电容器具有极小的漏电流。


直流充电测容量

超级电容器参数测试与特性的研究方向


(1)超级电容器放电:使用BCT放电仪将超级电容器电压释放到3V之后,使用放电导线进行将超级电容器完全放电。

(2)调试直流电源:先将电流粗调和电流细调旋钮顺时针调至最大,再调节电压粗调旋钮和电压细调旋钮将电压值设定为48.0V。

(3)超级电容器充电:将调试好的直流电源接入超级电容器充放电端口,启动开关,超级电容器充电。

(4)数据记录:每隔一分钟通过电源显示器观察一次此时的电流大小,记录相应数据并绘制超级电容器充电电流变化曲线如图5所示。

超级电容器参数测试与特性的研究方向

由测量出的数据根据公式1544166472810673.jpg可计算出该超级电容器的容量为8584.2C即一个ma超级电容器48V模块若以额定工作电流(100A)的情况下充电仅需86s即可充满,而以1A的电流则可以连续放电约2.4h,这充分展示出了超级电容器在迅速充电方面极具优越性。

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