（电机与电器专业论文）超级电容器参数测试平台设计及研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s u p e r c a p a c i t o rd e s i g na n di n v e s t i g a t i o no n p a r a m e t r i cd e t e c t in gp l a t f o r m c a n d i d a t e ：y u eh u a n g s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 0 9 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n g m a j o r ： e l e c t r i c a lm o t o r sa n d a p p a r a t u s s u p e r v i s o r ：p r o f y i c h e n gz h a n g m a r c h ，2 0 1 0 学州大唧胁驯冈瞅 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：爱4 免 7 口i o 年岁月侈m 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：蛰杉乙 z 。7 。年弓r 弓b 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 超级电容器作为一种新型电荷储能元件，具有大容量、大电流快速充放电、 寿命长和无污染等特性。这使其在能量储能和回收方面有着广阔的应用前景。 但是由于对超级电容器内部特性研究不够深入，难以确定其使用和制造过程合 格与否，也难以确定其时域模型。 本文首先对比研究了国内外超级电容器的测试标准和实验方法，指出了标 准中的不足之处，确定了一个适合水系大功率超级电容器的实验方法；其次本 文搭建了一个超级电容器的充放电过程中电压、电流参数测试系统。测试系统 包括电源与负载系统、温控系统及检测系统，主要设计了电流、电压的p x i 数 据采集卡调理电路及对电压、电流检测系统的软件架构进行分析，利用 l a b v i e w 等虚拟仪器软件设计了友好的上位机软件监控界面；本文对所搭建的 测试平台进行了抗电磁干扰处理，降低了测试平台的纹波；此外还利用了误差 理论知识，对超级电容器测试平台的精度进行详细评估，以上方面的研究是整 篇论文的核心内容。 本文研究的超级电容器测试平台可满足不同电压条件下，不同电流等级的 超级电容充放电实验需求，其测试系统的速度和精度也同时达到了超级电容动 态特性测试的要求。本文通过该测试平台获取了大量的超级电容器充放电数据， 为超级电容器外特性参数的研究提供了帮助。最后利用所采集的数据对超级电 容器时域模型进行建模和参数推导，进一步验证了平台的可靠性。 关键词：超级电容器，测试标准，测试平台，检测系统。 iu n i v e r s i t ym a s t eo fe n g i n e e r i n ga b s t r a c t a b s t r a c t a san e we n e r g ys t o r a g ed e v i c e ，s u p e r c a p a c i t o rh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl a r g e c a p a c i t y , h i g h c u r r e n t ，f a s tc h a r g ea n dd i s c h a r g es p e e d ，l o n gl i f ea n dn op o l l u t i o n t h e s ea d v a n t a g e sh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ee n e r g ys t o r a g ea n de n e r g y r e c o v e r y h o w e v e r , d u et ot h ei n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p e r c a p a c i t o ri sn o t r e s e a r c h e dd e e pe n o u g h ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e r m i n et h e i rq u a l i t yw e l lo rn o td u r i n g u s i n ga n dt h em a n u f a c t u r i n g , a n di ti sa l s od i f f i c u l tt od e t e r m i n et h et i m ed o m a i n m o d e l i nt h i sp a p e r , i tc o m p a r a t i v es t u d yo ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt e s t i n g s t a n d a r d sf o r s u p e r c a p a c i t o r a n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，p o i n t e d o u tt h e s h o r t c o m i n g so ft h es t a n d a r dt od e t e r m i n eas u i t a b l ew a t e r - p o w e rs u p e r c a p a c i t o r e x p e r i m e n t a lm e t h o d s ；f o l l o w e db y t h i s p a p e r , i t b u i l da s u p e r c a p a c i t o r c h a r g e - d i s c h a r g ep r o c e s sv o l t a g ea n dc u r r e n tp a r a m e t e r so ft e s ts y s t e m s t e s ts y s t e m i n c l u d i n gt h ep o w e rs u p p l ya n dl o a ds y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dt e s t i n g s y s t e m ，t h em a i nd e s i g no fac u r r e n t ，v o l t a g ep x id a t aa c q u i s i t i o nc a r dc o n d i t i o n i n g c i r c u i ta n dt h ev o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o ns y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n a l y s i s ， t h eu s eo fl a b v l e wv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ed e s i g na n do t h e rf r i e n d l yh o s t c o m p u t e rs o f t w a r ec o n t r o li n t e r f a c e ；i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r eo ft h et e s tp l a t f o r m w a sa n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c et r e a t m e n t ，a n dr e d u c e dt h e r i p p l eo ft e s t p l a t f o r m ；i na d d i t i o nt ot h eu s eo ft h ee r r o rt h e o r yo fk n o w l e d g e , t h ea c c u r a c yo ft h e s u p e r c a p a c i t o rt e s t i n gp l a t f o r mc o n d u c tad e t a i l e da s s e s s m e n ti st h ee n t i r ep a p e r i ti s t h ec o r ec o n t e n to ft h es t u d i e sa b o v e i nt h i sp a p e r , t h es u p e r c a p a c i t o rt e s tp l a t f o r mm e tt h ed e m a n do fd i f f e r e n t v o l t a g ec o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tc u r r e n tl e v e l sf o rs u p e r c a p a c i t o rc h a r g e d i s c h a r g e t e s t ，w h i c ht e s t ss p e e da n da c c u r a c yo ft h es y s t e ma l s oa c h i e v e das u p e r c a p a c i t o r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct e s t i n gr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , t h et e s tp l a t f o r mg o ta l a r g en u m b e ro fs u p e r c a p a c i t o rc h a r g e - d i s c h a r g ed a t a ，i th e l pt or e s e a r c ht h eo u t s i d e p a r a m e t e r so fs u p e r c a p a c i t o r a tl a s t ，i tb u i l d t h et i m e - d o m a i nm o d e lo ft h e s u p e r c a p a c i t o ra n dm o d e l e di t sp a r a m e t e rw i t ht h ed a t aw h i c hw a sc o l l e c t e db yt h e t e s t i n gp l a t f o r m ，a n dt h e nv a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo ft h ep l a t f o r mf u r t h e r k e yw o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r , e x p e r i m e n ts t a n d a r d ，e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，d e t e c t i o n s y s t e m i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章绪论1 1 1 超级电容器的特性及发展一1 1 1 1 超级电容器发展及国内外研究现状1 1 1 2 超级电容器特性和工作原理2 1 2 超级电容器参数检测平台搭建的必要性及意义3 1 3 论文的主要研究内容- 4 第2 章超级电容器测试标准及实验方法研究6 2 1 超级电容器的主要性能参数”6 2 2 超级电容器标准及实验方法7 2 2 1 国外超级电容器标准。“7 2 2 2 国内超级电容器标准1 1 2 2 3 超级电容器测试标准及实验方法的对比1 3 ， 2 3 本章小结1 4 ，慨 第3 章超级电容器测试平台的搭建1 5 3 1 测试平台概述1 5 3 2 电源及负载系统1 6 3 3 温控系统18 3 3 1 主要技术指标。1 8 3 3 2 设备周围环境条件1 9 3 - 3 3 除湿及水路系统”1 9 3 4 检测系统的研究及搭建2 0 3 4 1 检测系统概述及原理图：2 0 3 4 2 检测系统调理模块的硬件设计2 2 3 4 3 检测系统上位机软件设计2 7 3 5 检测系统滤波处理? ”3 3 3 6 测试平台实际技术参数3 7 3 7 实验操作规程3 8 3 8 本章小结j k ”。”3 9 第4 章超级电容器参数测试平台可行性研究。4 0 4 1 测试平台实验数据汇总及分析4 0 4 1 1 实验对象一4 0 4 1 2 实验数据汇总4 1 4 1 3 实验数据分析4 8 4 2 平台的误差分析及改进4 9 同济大学硕士学位论文超级电容器参数测试平台设计及研究 4 2 1 误差的基本理论4 9 4 2 2 检测系统各环节的误差分析5 1 4 2 3 检测系统整体误差分析5 3 4 3 超级电容器的时域模型的研究及验证5 3 4 3 1 超级电容器时域模型的确立5 3 4 3 2 超级电容器时域模型的参数推导5 5 4 3 3 超级电容器时域模型的验证5 9 4 4 本章小结6 1 第5 章结论与展望6 2 5 1 结论6 2 5 2 进一步工作的方向6 2 致谢“6 4 参考文献6 5 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果6 7 i v 1 1 超级电容器 1 1 1 超级电容器发展及国内外研究现状 超级电容器( s u p e r c a p a c i t o r 或u l t r a c a p a c i t o r ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起来 的一种新型储能单元，由美国标准石油公司( s o c ) 开始进行商业性研究。7 0 年代初美国将超级电容器用在了计算机上n 1 ，1 9 7 5 年及随后的几年，n e c 公司 研究了基于h 在p t 上的欠电位沉积，r u 0 2 的氧化还原反应类型的超级电容器， 并称之为s u p e r c a p a c i t o r s 口1 。8 0 年代国外已经进入商业应用规模。 超级电容器具有很高的功率密度( 大于1 k w 蚝甚至几十k w k g ) ，寿命长 ( 1 0 5 次以上) 、使用温度宽( - 4 0 6 0 ) 及充电快速( 小于3 m i n ) 。超级电容 器作为电能储存的工具还不到半个世纪，但其所能达到的能量特性已经有目共 睹。超级电容器产品以其自身特殊的优点，已在许多领域中获得了应用，各国 政府和企业都积极开展此方面的研发工作u 1 。 9 0 年代初，两家俄罗斯公司e e o n d 和e l i t 开始销售超级电容器，采用碳 复合体及水系电解质，额定电压在1 2 - 4 5 0 v ，容量从1 法拉到几百法拉，r c 常 数大约为o 3 s 。日本松下公司的圆柱形超级电容器，采用碳材料及有机电解质， 额定电压为3 v ，容量8 0 0 - - 3 0 0 0 f ，功率密度1 0 0 0 w & g 。美国m a x w e l l 公司的 方形超级电容器采用碳布与铝箔复合及有机电解质，额定电压为3 v ，容量 1 0 0 0 - - 2 7 0 0 f 。日本的e p c o s 公司也开发出同类产品，准备推向市场。法国s a f t 公司的3 3 6 8 0 型超级电容器额定电压为3 v ，单体重量为9 5 9 ，比能量4 8 w h k g ， 比功率为3 4 k w k g 。此外，美国p o w e r s t o r 、e v a n s 公司和l o sa l a m o sn a t i o n a l l a b 、p i n n a c l er e s e a r c hi n s i t u t e ，和日本n e c 公司，澳大利亚c a p - x x 公司，韩 国n e s s 公司等在超级电容研究方面也很活跃h 1 。 从超级电容器的整个发展过程可以看出，日本、美国、俄罗斯的研究处于 领先地位。目前，在超级电容器的产业化方面，三国几乎占据了整个超级电容 器市场，特别是日本，2 0 0 0 年统计的数据日本本土的生产量占全球的7 0 。 在我国，大庆华隆电子有限公司是首家实现超级电容产业化的公司，其产 品有5 5 v 、3 5 v 、1 1 v 等系列。北京金正平科技有限公司和石家庄开发区高 达科技开发有限公司在2 0 0 0 年7 月共同研究开发成功大功率超级电容产品，并 同济大学硕士学位论文超级电容器参数测试平台设计及研究 已开始批量生产，其技术水平己与俄罗斯相近。北京有色金属研究总院、锦州 电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、北 京金正平公司、解放军防化院，哈尔滨巨容公司等也在开展电动车用超级电容 器的开发研究工作陆1 。 由上海奥威科技开发公司、上海交大等十多家科研单位联合开发的电容公 交车快速充电站系统于2 0 0 4 年7 月通过验收，我国首部“超级电容公交车”在 上海张江已经开始投入试运行。 总体来说国内对超级电容的研究起步不算太晚，约于2 0 世纪7 0 年代末开 始，但只限于对双电层电容器的研究，对一些新型电容器的研究尚未正式开展。 在超级电容的应用研究方面，关于新成果的研究报道非常少。 1 1 2 超级电容器特性和工作原理 早在1 8 7 9 年德国人海姆霍兹( h e l m h o l t z ) 就发现了双电层原理，即现在 超级电容器( 也称为双电层电容器) 的工作原理。双电层电容器的工作原理是 根据电化学基本原理，即导体与电解质( 液体与固体) 接触后会在其表面( 即 界面) 产生稳定而符号相反的双层电荷，称为双电层1 。超级电容器是根据双 电层的原理设计的，双电层原理包括界面极化理论和界面双电层理论。 所有的物质都是原子的集合体。一般情况下，原子内部正、负电荷中心是 重合的，如果外加电场，正电荷受到库仑力向电场正方向移动，负电荷向电场 负方向移动，正、负电荷中心位置发生错开而形成偶极子，产生偶极矩这就称 为极化现象。极化按其机理分有四种：电子极化、原子或离子极化、转向极化、 空间电荷极化。空间电荷极化又叫界面极化，是指介质中的正负离子移动，并 聚集在绝缘物分界面上的极化。上述四种极化中，前两者为可逆极化，在施加 电场的瞬间形成，而释放电场的瞬间即消失，且不带有能量的损耗，后两种属 于不可逆极化，它要伴随极化而消耗能量，极化过程需要一定的时间，用驰豫 时间( 或松弛时间) 表示。驰豫时间是影响带电粒子电化学运动的重要因素， 它指极化强度p 从电场释去瞬间开始按指数函数减少，把p 减少到l i e 所需要 的时间 。 双电层电容器的工作原理是根据电化学基本原理即导体与电解质( 液体与 固体) 接触后会在其表面( 即界面) 产生稳定而符号相反的双层电荷，称为双电 层。通过离子在界面的特性吸附，偶极子的定向排列和原子或分子在界面的极 化也能导致界面两侧电荷的分离，我们称之为吸附双电层和偶极双电层，双电 层原理如图1 1 所示。 2 第1 章绪论 多孔电极 电解质 。+ ：+ 。 。+ ：+ 。 + ： + 4 - i4 - + 。+ -4-i+ +l+ 一+ +- + 一一+ + ：+ + ：+ + ：+ + ：+ 一 隔膜 图1 1 双电层原理 界面双电层是由离子双电层、吸附双电层和偶极双电层共同作用的结果。 电极电解液两相间的电极电位主要来源于离子双电层。通常情况下，离子双电 层不能自发形成，而是通过施加外界的电场力产生电位差而形成离子双电层， 俗称充电。 虽然通常界面上产生的电位差只有0 1 1 v ，超级电容器额定的工作电压也 在零点几伏到几伏之间，但由于双电层中荷电层之间的距离很小，离子双电层 的厚度为一个到几个分子直径，产生的电场强度高达1 0 8 1 0 9 v m 。除了电化学 的情况之外，没有一个实际的电场能产生这样大的场强，因为所有的电介质在 1 0 6 v m 级的电场强度下就会被破坏。双电层导致了这样大的电场，对电荷产生 一个非常大的加速力，因而能够产生很高的电流和比功率，形成大容量的超级 电容器哺1 。 7 觥 1 2 超级电容器参数检测平台搭建的必要性及意义 超级电容器单体额定电压很低，有机系双电层超级电容器额定电压只有2 5 伏左右，而水系的超级电容器则更低，因此在实际应用中一般由多个超级电容 器通过串联和并联的方式组合构成超级电容储能模块，以满足储能容量和电压 等级需要。然而受制造工艺影响，同一型号的超级电容器单体之间的容量、等 效并联内阻等参数各不相同，并且各个参数随着时间的推移会发生变化嘲。另 一方面超级电容器的数学模型的建立需要对其进行深入的，精确的充放电数据 采集，有必要构建一个超级电容器动态特性测试平台，以完成不同电流等级下， 超级电容的恒流限压充放电实验，并且能够准确快速地同步采集、记录若干节 超级电容充放电过程中的电流、电压曲线，以协助完成超级电容器参数识别和 模型验证等研究工作。 与国外相比我们国家超级电容器的发展起步较晚，研究程度较浅，对超级 3 同济大学硕士学位论文超级电容器参数测试平台设计及研究 电容的一些参数的研究还很薄弱，以往的超级电容器检测平台主要是测试超级 电容器单体电压，一方面仅仅对超级电容器单体电压进行区间测试，当超出电 容器最高和最低电压时进行报警，使得超级电容器稳定运行在额定电压之间， 另一方面测试效果不明显，测试纹波比较大，测试速度缓慢，这主要是因为以 往的检测平台大多使用单片机a d 采样的方法进行测试，运行速度无法达到高 速采集的要求，而且由于单片机程序循环运行，难以达到同步采集的目的。此 外在超级电容器生产过程中要达到更高的一致性也必须建立一个能够符合超级 电容器测试标准的超级电容器测试平台，为此很有必要搭建一个高可靠性，高 标准的超级电容器的参数测试平台，这是对超级电容器的基础性研究项目。具 有很高的研究价值和实际意义。 本课题的研究意义在于通过超级电容器测试平台的搭建，可以对超级电容 器的多方面参数进行检测，为超级电容器的生产过程、控制策略研究以及时域 建模提供数据支持。有利于更好的理解超级电容器各物理参数的特性，从而为 更有效的生产、应用超级电容器提供帮助。 1 3 论文的主要研究内容 超级电容器因其独特的优点，在储能和能量回收方面有着广阔的应用前景。 但目前国内对超级电容的应用还处于初步阶段，因此对搭建超级电容参数测试 平台的研究以期实现建立超级电容时域模型，将为超级电容的均压方案提供支 持，并为整个能量回收系统的控制策略提供理论依据。因此搭建超级电容器测 试平台和对测试平台的可行性研究将是整篇论文的核心内容。 全文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章：首先介绍了超级电容器的工作原理、发展和国内外研究现状，阐 述了搭建超级电容器参数测试平台的必要性及意义，最后给出了全文的研究重 点以及主要研究内容。 第二章：本章介绍超级电容器的主要性能参数，工作原理，以及超级电容器 的国内外测试标准、实验方法等，并通过比较超级电容器国内外测试标准，确 立了一种比较可行的超级电容器测试实验方法，对测试平台的搭建起到了指导 性的作用。 第三章：本章介绍了所测试的超级电容器型号及性能参数，构建了超级电 容器参数测试平台，其中包括所整合搭建的电源及负载系统、温控系统及检测 系统。本章还详细介绍了检测系统软硬件组成，包括电压、电流检测调理模块 及上位机l a b v i e w 软件，给出了实验的操作规范，并通过比较分析，指出了 4 第1 章绪论 通过测试平台与超级电容器检测标准的对比，本检测系统符合测试标准的要求。 第四章：本章主要分析研究了超级电容器参数测试系统的可行性，通过初 步处理，基本消除了抗电磁干扰所带来的共模噪声的影响，对测试平台得出的 实验数据波形进行分析，并对测试平台的误差进行了分析演算，验证了本测试 平台的准确性。本章还根据测试平台得出的实验数据对超级电容器的模型进行 推导。进一步验证平台的可行性。 第五章：结论与展望，总结本课题所取得的研究成果和所做的工作，以及 对后续工作的展望和建议。 5 济大学硕士学位论文超级电容器参数测试平台设计及研究 第2 章超级电容器测试标准及实验方法研究 1 超级电容器的主要性能参数 超级电容的主要性能参数决定于电容器电极、电解液的材质和制造工艺。 超级电容的性能参数主要有n 0 1 ： 1 电容容量：超级电容能够存储电荷的最大容量。 2 等效串联内阻e s r ( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) ：当超级电容模拟成 电阻、电容、电感的等效模拟电路时，其中串联部分的电阻就是等效串联内阻。 3 等效并联电阻e p r ( e q u i v a l e n tp a r a l l e lr e s i s t a n c e ) ：超级电容的等效 模型中并联部分的电阻，也叫做漏电阻。 4 漏电流：超级电容静置自放电时的放电电流。 5 工作电压：电容器能够连续长期保持的最大电压，也就是电容器的额定 电压或耐压值。 6 时间常数：如果超级电容能够模拟为一个电容和电阻的简单串联组合， 该电容和电阻的乘积就是时间常数，其单位是秒，相当于电容器恒压充电至额 定电压的6 3 2 所需要的时间。 7 放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部能量，具体计算方法是 将放电过程中每一瞬间的电压和电流值相乘对时间积分。 8 理想存储能量：电容存储能量的理想值。对于一个最简单的电化学电容 器，其理想存储能量可以通过式( - 1 1 ) 来计算。 1 e = 二c v 。2( 1 1 ) 2 9 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大 输出功率，计算公式为式( 1 2 ) 所示。 p ：里墨( 1 2 ) 4 e s r 一 式中“为电容器的初始电压，e s r 为电容器的等效串联内阻。 l o 充放电效率：在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入 能量的百分比。 1 1 工作电位窗：可以稳定的对电容器进行充放电操作或实现某种特定功 能的范围。对于应用于电动车的电化学电容器，其范围一般为0 5 以1 o u , ， 其中以为电容器的额定电压。 6 第2 章超级电容器测试标准及实验方法研究 1 2 可利用容量( 色) 或有效容i t - 一个电容器的可利用容量和工作电位 窗密切相关。对于一个理想电容器来说，有效容量为： e 扣 2 式中q 为电容器在电源系统中的可操作电压的下限， 色= 0 7 5 e , ，当哆= o 2 5 虬时，e = o 9 4 e e 。 ( 1 3 ) 当哆= 0 5 u , 时， 一般来说，都是根据色= 0 s e e 来计算电容器的能量密度和充放电效率。 2 2 超级电容器标准及实验方法 2 2 1 国外超级电容器标准 为了对超级电容器进行测试、考核以及评估，需要制定一套超级电容的实 验、检测规范以及对超级电容器状态评估的标准，国外对超级电容器的研究起 盎。 步较早，很多政府机构以及企业制定了一系列的超级电容器的标准和实验方法， 下面详细介绍国外的超级电容器标准以及实验方法。 目前超级电容器标准主要是美国制定的，包括u s a b c 标准和f r e e d o m c a r蟠i 标准，其中u s a b c 电池试验手册是由美国先进电池联合体( u n i t e ds t a t e s a d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ) 和美国能源部国家试验室共同制定的。该手册总 结了美国先进电池联合体发起的蓄电池试验方法，主要用来测试与美国先进电 嘲二 池联合体中期和远期蓄电池要求相关的特定电池性能特性，对超级电容器测试 标准有一定的指导意义。而f r e e d o m c a r 标准由美国能源部爱达荷州能源效率 和国家工程与环境实验室于2 0 0 4 年修订。用于混合动力汽车上的超级电容，他 参考了蓄电池和纯电容储能系统的标准制定出来。该试验规范给出了可以用来 评价超级电容性能的评价指标以及相关参数的期望区间，并针对车用超级电容 器的使用情况和寿命等特点，确定了一系列以大电流直流充放电试验为主的电 容器性能参数的试验方法，包括恒电流和恒功率充放电实验等n 1 1 。 一实验的内容 试验项目分超级电容器特性测试、寿命测试、参考性能测试三类。其中包 括： 1 特性测试：如静( 参考) 电容测试、脉冲特性测试、漏电流测试、自放电 实验、冷启动实验、温度特性测试、效率测试等。 2 寿命测试：包括不同温度、充电状态及其他压力条件情况下长时间运行 前后电容器性能变化的测定。 。7 容器参数测试平台设计及研究 给出了基本性能的变化值，又可以在寿命测试的整 二测试的环境和取值 1 超级电容器的测试电压稳定在额定运行的最高和最低电压之间。 2 温度控制在3 0 ，上下浮动2 c ，如果实验设备是能温控的，那么可以 在额定电压间充放电任意时间，如果不能温控则应开始以最大电流或功率对其 充放电，测量达到3 0 的充放电时间，在这个时间段内充放电。 3 充电电流控制在5 c 。即q = c ( 圪砌一) 3 6 0 0 的5 倍为充电电流。假 设超级电容8 0 0 0 0 f 、1 5 - 0 9 v ，那么充电电流1 - - 8 0 0 0 0 ( 1 5 0 9 ) 5 3 6 0 0 a = 6 6 6 7 a ，时间为1 2 分钟。 4 最大充放电电流厶似应定义为在固定温度内瞬间( 0 i s ) 内使电压降 2 0 ，或者在2 s 内使电压由最高降至最低的电流大小。 5 荷电状态用制造商给定的充电方法充电计算，或者用5 c 的恒定电流充 电到额定电压再恒压至电流稳定在0 1 c 状态计算。 6 静置状态时温度控制应在3 0 以内，电压在0 8 - 0 5 倍的最高电压之 间，不应低于最低电压，并定期保养。有时可以略低于最高电压，以便下一次 检测。 三特性测试 1 容量测试 ( 1 ) 、在电容满负荷状态下精确测量其开路电压，并观察放电前的电容 温度。 ( 2 ) 、以5 c 恒流从额定最高电压放电至额定最低电压。 ( 3 ) 、开路状态下静置1 小时。 ( 4 ) 、再重复充电至满负荷状态。 收集放电状态的数据到开路( 静置) 状态，一秒钟一个数据，至少1 0 0 个 数据。 2 恒流充放电测试 ( 1 ) 、充电至满负荷最大电压。 ( 2 ) 、以最低电流放电至额定最低电压。 ( 3 ) 、开路静置1 0 s ，观察其电压。 ( 4 ) 、以最低电流充电至额定最高电压。 ( 5 ) 、开路静置1 0 s ，如果需要使温度返回到定义的温度值则可加长时间。 ， ( 6 ) 、重复步骤2 5 两次，总共3 次。 测量数据也应至少一个充电或放电过程提取1 0 0 个，如果出于建模需要 8 第2 章超级电容器测试标准及实验方法研究 最好到1 0 0 0 个，但是大电流充放电的过程中是很难实现的，但是应该在现有测 量仪器条件下准确可靠的测量。 3 恒功率测试 所测量功率为= 、尸删= 5 c 。 ( 1 ) 、充电至满负荷最大电压。 ( 2 ) 、以最d , n 量电流放电至最低电压。 ( 3 ) 、静置1 0 s 。 ( 4 ) 、以指定的恒流电流充电至最高电压通常5 c 。 ( 5 ) 、静置1 0 s 并重复2 次，总共3 次充放电实验。 4 漏电流测试 漏电流通常在电容器最高电压时测量，温度控制在3 0 ，有时也用不同温 度测量以验证温度对漏电流的影响，但是一般温度越低，得到的漏电越小。实 验步骤如下： ( 1 ) 、电容放置在恒定温度下。 ( 2 ) 、充电至测量电压。 ( 3 ) 、维持该电压至少7 2 小时，或者充电至相对稳定值，测量漏电压，测 量精度应在0 1 m a 以内。 如果时间在2 4 小时内测量数据应该为一分钟收集一个，超过2 4 小时可以 l o 分钟收集一个数据。 5 自放电测试 可以直接计算出电容静置时的能量损失以及在测试过程中的电压下降幅 度。步骤如下： 一 ( 1 ) 、反复执行上面提到的容量测试步骤。 ( 2 ) 、再以小电流充点至额定最高电压。 ( 3 ) 、维持温度为3 0 度。 ( 4 ) 、使电容器开路放置7 2 小时，并测量其电压，有些低损耗的电容器要 搁置7 天甚至以上，直到可用的能量损失达到5 以上，并还原至3 0 度。： ( 5 ) 、以5 c 的电流放电至额定最低电压，测量其能量损耗。数据测量只 要每分钟一次即可。高于7 2 小时的可以1 0 分钟一次。 6 温度性能实验 ( 1 ) 、3 0 情况下充电至额定最高电压。 一 ( 2 ) 、改变周围环境温度并维持最高电压。 ( 3 ) 、根据电容器的不同物理特性等待4 8 小时以便使电容器本身达到周 围温度再进行必要的测试。 9 同济大学硕士学位论文超级电容器参数测试平台设计及研究 其中自放电测试取1 0 c 和5 0 c ，能效测试取5 0 c 、1 0 。c 、一1 0 ( 2 等温度。 7 能效测试 表2 1 能效测试时间和电流大小 步骤时间( s )电流大小( c ) 放电 3 61 0 0 静置13 60 充电 3 6 或达到v t a r g e t 1 0 0 或最大电流 静置2 3 6o 图2 1 能效测试方案图 上表2 1 为能效测试时间和电流大小表，其中v t a r g e t 一般定为额定电压。 图2 1 为能效测试方案图，测试步骤如下： ( 1 ) 、使电容器充电到目标电压，开路放置1 小时。 ( 2 ) 、重复上图表所示方法4 0 0 次，或达到稳定循环状态为止。这可以从 温度变化上看出，充放电温度变化在少于1 度的情况下再做2 0 次测试。 ( 3 ) 、如果温度变化达到5 1 0 度，则扩大上面的r e s t 2 步骤时间。 ( 4 ) 、测试结束后开路静置1 小时，测量开路电压，应使其达到目标电压， 如果不是则适当调整继续测量步骤。测量的数据在第一步时可以是分钟级的， 第二步应该达到秒级。 四寿命测试 1 循环寿命测试 循环寿命实验步骤和上面提到的能效实验差不多，温度控制很重要，在3 0 度上下两度浮动。接下来以5 c 的电流做放电实验，测量电容的容量。在最初 和末尾的1 0 0 次实验中数据测量的时间应达到1 s 一个。 2 日常寿命测试 1 0 一墓摹警uvl，a 第2 章超级电容器测试标准及实验方法研究 芒 耋 善 薹 勰- 4 0 弧虮嗍| 。 图2 2 日常寿命测试方案图 1 在日常寿命测试时按照图2 2 中所示，分五个步骤进行测试，第一步先用1c 电流充电9 s ，第二步静置6 0 s ，第三步用1 c 电流放电2 s ，第四步静置2 s ，第五步 用0 1 4 9 c 电流放电4 7 秒，如此五个步骤为一个循环，不断的重复实验，直到超 级电容器失效为止n 幻。 2 2 2 国内超级电容器标准 由于我们国家对超级电容器的研究起步较晚，国家测试标准仍在制定当中， 特别是在城市轨道能量回收系统中所使用到的大功率超级电容器的国家标准也 正在起草阶段，目前只有上海奥威科技开发有限公司与中国电子科技集团第十 八研究所制定的行业标准，该标准是参考铅酸电池和锂离子蓄电池标准制定出 来的n 朝。 该测试标准包括静电容量测试、储存能量测试、内阻测试、大电流放电能 力测试、电压保持能力测试、高温性能测试、低温特性测试、循环耐久能力测 试等八个部分组成。 一实验条件及仪表准确度 1 温度：1 5 n 3 5 。 2 相对湿度：2 5 8 5 。 3 大气压力：8 6 k p a 10 6 k p a 。 4 电压测量装置的准确度不低于0 5 级( 正负误差为0 5 ) ，输入阻抗不 小于1 k q 。 5 电流测量装置的准确度不低于o 5 级。 6 温度测量装置应具有适当的量程，分度值不应大于l ，标定准确度 不低于0 5 c 。 7 计时器：按时、分、秒分度，准确度为4 - 1 。 二静电容量测试 同济大学硕士学位论文超级电容器参数测试平台设计及研究 方法：用恒定电流，对电容充电到额定电压，然后以恒流，对电容器放电 到额定电压的1 2 ，记录从额定电压的8 0 ( 狮) 到1 2 ( u 2 ) 之间的电压范 围内电容器的放电时间，共循环3 次按公式( 1 4 ) - 计算每次循环静电容量， 取平均值。 c = i t c u , 一) ( 1 4 ) 要求：达到标称容量的8 0 一1 5 0 。 三储存能量测试 方法：用恒定电流，对电容器充电到额定电压，再恒压3 0 m i n ，静置5 s 后， 用恒定电流i 对电容器放电到额定电压的1 2 ，记录电流、电压、和时间，共循 环测试3 次，取平均值。按公式( 1 5 ) 计算存储能量。 形= ，p 以 ( 1 5 ) 要求：存储能量为标称能量的8 0 一15 0 。 冰其中u 为电容器的即时电压 四内阻测试 以恒定电流，对电容器充电到额定电压，静置5 s ，用恒定电流i 对电容器 放电到额定电压的1 2 ，记录停止充电时起1 0 m s 后电压的变化值。测试3 次， 取平均值。按式( 1 6 ) 计算内阻。 r = ( 一) 1 ( 1 6 ) 要求：不大于标称内阻。 ：i c 其中为额定电压。为停止充电后1 0 m s 的电压。 五大电流放电能力测试 将电容器置于2 5 。c 5 的环境中，用恒定电流i 对其充电到额定电压，再 恒压充电3 0 r a i n ，静置5 s ，并在该环境中用下列电流放电至额定电压的1 2 ， 录放电容量，公式参照( 1 5 ) 式。 能量型电容器： 1 0 i 。 功率型电容器：之l o 凹。 要求：放电容量不应低于3 0 ( c ) 。 六高温特性