超級(jí)電容器參數(shù)測(cè)試與特性研究

作者 / 曾進(jìn)輝 段斌 劉秋宏 蔡希晨 吳費(fèi)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(xiàng)目：2017年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201711535016)

摘要：為研究超級(jí)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(duì)超級(jí)電容的部分動(dòng)態(tài)行為參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與辨識(shí)，一種在蓄電池和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)裝置下，基于直流內(nèi)阻法、恒壓漏電法以及動(dòng)態(tài)充電法對(duì)超級(jí)電容器的內(nèi)阻、漏電流和容量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各參數(shù)與理論值匹配度較高，可為超級(jí)電容器的動(dòng)態(tài)特性和狀態(tài)評(píng)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(lái)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(diǎn)，使得電力系統(tǒng)無(wú)法更好的削峰填谷^[1-2];在這樣的大背景下，電力儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。蓄電池作為當(dāng)前主要電力儲(chǔ)能裝置，其缺點(diǎn)非常明顯：如儲(chǔ)能容量較小、啟動(dòng)較慢、電量衰減較為嚴(yán)重^[3-4]。而超級(jí)電容器因?yàn)榫哂锌煽焖俪浞烹?、循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(diǎn)，世界各國(guó)學(xué)者都開(kāi)展了廣泛的研究^[5]。超級(jí)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(jí)電容器作為一種新型的綠色儲(chǔ)能元件，隨著其制造成本的降低和能量密度的提高，在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　目前超級(jí)電容器正是發(fā)展前景良好的電力儲(chǔ)能元件，市場(chǎng)上已有多家超級(jí)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(guò)測(cè)試可更好掌握其充放電特性并準(zhǔn)確使用。所以，對(duì)超級(jí)電容器參數(shù)的準(zhǔn)確的測(cè)量并在電力儲(chǔ)能方面進(jìn)行應(yīng)用有著非常重要的意義^[7-8]。本文將對(duì)超級(jí)電容器的內(nèi)阻、漏電流、容量的測(cè)試方法進(jìn)行研究，為評(píng)價(jià)超級(jí)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(chǔ)能領(lǐng)域，同時(shí)為超級(jí)電容器的測(cè)試提供參考方案^[9]。

1 實(shí)驗(yàn)硬件

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置選取

　　超級(jí)電容器既具有普通電容器的充放電速度快的特性，同時(shí)又擁有充電電池儲(chǔ)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(chǔ)能器件。故在超級(jí)電容器參數(shù)測(cè)試中將普通電容器與充電電池測(cè)試方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)出適合超級(jí)電容器參數(shù)測(cè)試的方案。

　　實(shí)驗(yàn)中所采用的超級(jí)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(dòng)力汽車、軌道交通、重型工業(yè)設(shè)備、UPS系統(tǒng)等，對(duì)工作環(huán)境溫度沒(méi)有較高要求，故測(cè)試溫度在20℃~35℃之間，更能反映超級(jí)電容器在實(shí)際工作環(huán)境下的參數(shù)情況。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

　　超級(jí)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(cè)試模型搭建

　　2.1 系統(tǒng)電路模型

　　通過(guò)超級(jí)電容器充放電測(cè)試來(lái)觀測(cè)電路中的電壓電流變化進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算，尤其基本測(cè)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(jí)電容器四部分組成，通過(guò)電源和放電儀對(duì)超級(jí)電容器充放電的同時(shí)觀察示波器所顯示的電壓變化情況計(jì)算得到超級(jí)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(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器可控制放電條件，使用BCT系列放電儀對(duì)超級(jí)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(jí)電容器接入BCT放電儀放電輸入端口，對(duì)超級(jí)電容器放電過(guò)程的電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)值發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電流對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行實(shí)施控制，其放電產(chǎn)生能量由放電電阻消耗。

3 測(cè)試方案設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

　　3.1 直流內(nèi)阻法測(cè)內(nèi)阻

　　由于超級(jí)電容器有內(nèi)阻的存在，而電流通過(guò)阻性元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的能量消耗。使用一固定大小的電流給超級(jí)電容器充電和放電，超級(jí)電容器由于內(nèi)阻的存在會(huì)使得電壓發(fā)生波動(dòng)，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過(guò)這個(gè)波動(dòng)的電壓值來(lái)檢測(cè)超級(jí)電容器的內(nèi)阻大小，其充放電電壓波動(dòng)模型如圖3。

　　具體測(cè)試方法如下：

　　1)將示波器接入超級(jí)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(jí)電容器以恒定電流I₁=3 A充電至某一電壓，斷開(kāi)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(jì)算出超級(jí)電容器的充電情況下的內(nèi)阻;

　　4)將超級(jí)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(shí)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(jì)算出超級(jí)電容器的放電情況下的內(nèi)阻;

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

　　根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)條件，可以測(cè)出超級(jí)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(jí)電容器可提供大電流輸出的特性，在平抑短時(shí)尖峰負(fù)荷上具有較好的效果。

　　3.2 漏電流測(cè)試

　　1)將超級(jí)電容器正極接上空氣開(kāi)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(jí)電容器，打開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)，超級(jí)電容器開(kāi)始放電，直至BCT放電儀提示放電到截止電壓，關(guān)閉空氣開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)BCT放電儀，再使用粗導(dǎo)線將超級(jí)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(shí)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(jí)電容器，打開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)，給超級(jí)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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐焊〕?，在恒壓浮充階段，電流處于一個(gè)下降趨勢(shì)變化，最終電流值趨于穩(wěn)定，此時(shí)電源上顯示的電流大小即為超級(jí)電容器在48 V電壓狀態(tài)下的漏電流大小。

　　4)從超級(jí)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(duì)應(yīng)時(shí)刻的漏電流大小。

　　5)在測(cè)出一號(hào)和二號(hào)超級(jí)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(guó)內(nèi)缺乏超級(jí)電容器檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)國(guó)家電容漏電流標(biāo)準(zhǔn)K=0.03相比，超級(jí)電容器具有極小的漏電流。

　　3.3 直流充電測(cè)容量

　　(1)超級(jí)電容器放電：使用BCT放電儀將超級(jí)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(jí)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(shí)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(jí)電容器充電：將調(diào)試好的直流電源接入超級(jí)電容器充放電端口，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，超級(jí)電容器充電。

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

　　由測(cè)量出的數(shù)據(jù)根據(jù)公式可計(jì)算出該超級(jí)電容器的容量為8584.2 C.即一個(gè)ma超級(jí)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(jí)電容器在迅速充電方面極具優(yōu)越性。

4 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)超級(jí)電容器的內(nèi)阻、漏電流和容量的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，超級(jí)電容器具有極小的內(nèi)阻，即使單個(gè)的超級(jí)電容器就能提供100 A以上的大電流，足以應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)短時(shí)大功率充電，且超級(jí)電容器能夠在極短時(shí)間內(nèi)升至額定電壓。通過(guò)超級(jí)電容器的漏電與傳統(tǒng)電容器漏電流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相比，超級(jí)電容器具有極小的漏電流，使得超級(jí)電容器的使用壽命更為長(zhǎng)久。而通過(guò)超級(jí)電容器的容量測(cè)試，顯示出超級(jí)電容器與同體積的蓄電池相比，其功率密度更高。

　　超級(jí)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(yùn)輸車輛上，可實(shí)現(xiàn)超短時(shí)間充電并提供短時(shí)內(nèi)充沛與持續(xù)的續(xù)航能力。超級(jí)電容器支持超大電流放電，能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小可支持大型電氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)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(yùn)行時(shí)段，可降低電網(wǎng)電壓波動(dòng)，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(dòng)大客車超級(jí)電容器參數(shù)匹配與實(shí)驗(yàn)[J]. 電源技術(shù), 2004, 28(8):483-486.

　　[2]唐剛. 最小二乘法在超級(jí)電容器參數(shù)辨識(shí)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(jí)電容器參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的研究[D]. 天津大學(xué), 2011.

　　[4]時(shí)洪雷. 超級(jí)電容器參數(shù)老化趨勢(shì)預(yù)測(cè)[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(jí)電容器參數(shù)辨識(shí)中的應(yīng)用[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(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(jí)電容器模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)辨識(shí)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(15):155-161.

　　[7]趙洋, 張逸成, 孫家南,等. 混合型水系超級(jí)電容器建模及其參數(shù)辨識(shí)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第45頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。