超級電容測試及應用

新型能源是當下的熱門(mén)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)，又有電池的儲能機理。

超級電容器早期有兩個(gè)主要的應用領(lǐng)域，第一個(gè)是當主能源能量不足時(shí)，充當臨時(shí)備用電源和短時(shí)間供電的應急電源。比如：主電源和備用電源切換時(shí)的續電(基站及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò )機房，通訊等行業(yè));在快充快放環(huán)境是替代一些蓄電池和動(dòng)力電池(電動(dòng)工具行業(yè)，電動(dòng)大巴等)。第二個(gè)主要用途就是充當峰值功率電源。在這些應用中，超級電容器為系統單獨提供所需的峰值功率電源或與電池一起在連續工作時(shí)提供穩流低功率電源，而在峰值負載時(shí)提供一個(gè)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(cháng)電池的壽命，并減小了電池的整體尺寸。近年來(lái)，超級電容器展現出更為廣泛的應用前景，特別是在發(fā)展混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應用。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(cháng)了電池的壽命。

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

圖一、工作原理及結構示意圖

超級電容的“超級”在于其功率密度高，可達鋰電池的2~30倍;充放電時(shí)間短，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95%以上;循環(huán)壽命長(cháng)，深度充放電可循環(huán)使用達數十萬(wàn)次;工作溫度范圍寬;充放電線(xiàn)路簡(jiǎn)單;失效開(kāi)路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠等，是兼備電容和電池特性的新型元件?？梢詰迷诨旌蟿?dòng)力汽車(chē)、移動(dòng)設備電源、太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池等發(fā)電的儲存、緊急照明系統以及大功率電脈沖設備等。

那么如何測量超級電容的參數?我們以實(shí)驗室測量結合計算的方法，簡(jiǎn)單介紹一下。

容量測量：

如下圖測試電路，核心是用一個(gè)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(guò)一個(gè)數字示波器進(jìn)行記錄。通過(guò)示波器的光標，可以很方便地讀出電壓從1.5V上升到2.5V所用的時(shí)間，基本的計算公式如下：i=C(△V/△t)公式變換為：C= i(△t/△V)。充電電流設定為1A，電壓變化范圍△V=2.5V-1.5V-1V 那么C=△t，在這個(gè)示例中，超級電容的容量在數字上與電容從1.5V充電到2.5V的時(shí)間相等。時(shí)間單位為秒。由于超級電容結構的特殊性，電容在測試前必須進(jìn)行完全的放電。

流入電流測量：

由于超級電容表現出明顯的非傳導性介質(zhì)特性，所以測量實(shí)際的自放電或者自漏電數值是比較困難的。當一只超級電容被充電至工作電壓的過(guò)程中，流入電流是很大的，并且逐步變小。此時(shí)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?jì)Υ?，但深度存儲需要比較長(cháng)的時(shí)間，電容的流入電流與時(shí)間是對數關(guān)系，具體如下表所示。

只有當介質(zhì)吸收電流為0時(shí)，此時(shí)的流入電流才是漏電電流，這大概需要連續充電100個(gè)小時(shí)才能達到，此時(shí)漏電流大概為幾微安。在這個(gè)點(diǎn)以后，為了繼續測量流入電流，需要使用一只準確的微伏表與一只比較大的電阻，數值參看上圖。

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(guò)LCR電橋在1kHz下進(jìn)行測量。這種方法測量的結果是比較準確的。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果是不準確的，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(xiàn)，起始階段的局部放大圖如下圖所示，當用1A的電流進(jìn)行充電時(shí)，瞬間發(fā)生的電壓階躍可以被用來(lái)計算交流內阻，直流內阻或者DC阻抗等于階躍電壓值除以1A的電流，對于內阻很低的電容，可以用更大的電流進(jìn)行測量。

在這個(gè)示例中，內部阻抗=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、電子負載甚至一些智能化的測試系統做進(jìn)一步的測試。例如，艾德克斯ITS5300電池測試系統集成了電源、電子負載、內阻分析儀、溫度測試儀、雙極性電源及專(zhuān)業(yè)的分析軟件，可以自動(dòng)完成單節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(xiàn)內阻分析儀采用500Hz或1KHz的交流小信號可以測量電容內阻(ESR，等效串聯(lián)電阻)以及多節電容一致性的測試及篩選、結合IT5601溫度測試儀，PACK測試時(shí)單節的電壓、內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(zhuān)業(yè)生產(chǎn)電源及電子負載的廠(chǎng)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(dòng)態(tài)。