遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 高興昌 韓昌健 呂 娓

超級(jí)電容器電容量測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 高興昌 韓昌健 呂 娓

超級(jí)電容器的電容量非常大，用傳統(tǒng)的方法不能對(duì)其電容量進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)試。針對(duì)超級(jí)電容器的工作原理，采用恒流充放電方式，在放電過(guò)程中來(lái)測(cè)試電容量的大小。并設(shè)置量程轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)測(cè)試對(duì)象不同，自行改變測(cè)試范圍，并通過(guò)數(shù)碼管顯示被測(cè)值。測(cè)試結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)具有檢測(cè)精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且采用五路測(cè)量的方式，提高了測(cè)量的速率。

電容量測(cè)量；恒流充放電；數(shù)字顯示

1 引言

超級(jí)電容器與常規(guī)電容器相比，具有容量大、儲(chǔ)能高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；與電池相比，又具有充放電速度快的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種新型的綠色儲(chǔ)能元件。因此超級(jí)電容器在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。由于超級(jí)電容器的電容量太大，并且容抗遠(yuǎn)小于ESR，傳統(tǒng)的電容量的測(cè)試方法已無(wú)法測(cè)試。國(guó)內(nèi)采用的是RC充電測(cè)試方法，這種測(cè)試方法盡管簡(jiǎn)單，但是所測(cè)得的電容量并不符合超級(jí)電容器的電容量測(cè)試規(guī)則。本系統(tǒng)根據(jù)超級(jí)電容器電容量的國(guó)際測(cè)試慣例，采用恒流充放電，在放電狀態(tài)下測(cè)試電容量。

2 電容量的測(cè)試條件和方法

通常的電容量的測(cè)試方法是采用電橋電路測(cè)試，在測(cè)試頻率上，一般的電容器的容抗都在Ω以上，并且電容器的ESR遠(yuǎn)小于容抗。而超級(jí)電容器的電容量極高，絕大多數(shù)在1法拉以上，即使在50Hz測(cè)試條件下1法拉的電容量也僅僅為3.18mΩ。而對(duì)于1法拉的超級(jí)電容器的ESR則最小也在100mΩ，更高電容量的超級(jí)電容器也是如此。如采用常規(guī)測(cè)試方法所測(cè)出的數(shù)值不是容抗，而是ESR。因此需要采用新的測(cè)試方法。

電容器的電荷與電流/時(shí)間的關(guān)系和電壓/電容量的關(guān)系，在電流為恒定值的條件下可以得到：

可以通過(guò)測(cè)試電容器恒流充電或放電過(guò)程中的電壓變化需要的時(shí)間t，將t換算為電容量即可。由于超級(jí)電容器的最初用途是作為儲(chǔ)能和放電，因而要求測(cè)試電容器的放電電容量。考慮超級(jí)電容器的介質(zhì)和其他材料存在雜質(zhì)，而在充電過(guò)程中產(chǎn)生微電池效應(yīng)，以及消除超級(jí)電容器自身的ESR在放電過(guò)程中的能量損耗。超級(jí)電容器的電容量的測(cè)試條件如圖1所示。首先恒流充電，到額定電壓時(shí)維持大約30秒的時(shí)間，目的是使超級(jí)電容器充滿電。然后再以恒流方式放電并在放電過(guò)程中測(cè)試電容量，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)電容器的電壓降到零時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束。將所計(jì)得的時(shí)間換算為電容量。

圖1 電容量的測(cè)試條件

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電容量測(cè)試電路

采用恒流充放電方式測(cè)量電容量的大小，難度比較大的是恒流放電，而且要放電到電容器的電壓為零時(shí)保持在零電壓不變?？梢岳米钊菀椎玫降钠骷捎米钊菀讓?shí)現(xiàn)的電路。一般而言充電單一回路可能比較簡(jiǎn)單，恒壓、恒流組合往往采用雙閉環(huán)控制方式。通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制首先要驗(yàn)證穩(wěn)定性，在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上才能考慮控制，其次是精度，通常要利用高的開環(huán)增益才能得到較高的精度。由于這兩個(gè)因素的影響，涉及和調(diào)試將可能遇到預(yù)想不到的問(wèn)題。為了減小風(fēng)險(xiǎn)，選用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317作為充電的恒壓、恒流電路。放電測(cè)試電流采用LM337作為恒壓、恒流電路。電容量測(cè)試電路原理如圖2所示。

3.2 量程轉(zhuǎn)換電路

圖2 電容量測(cè)試電路

設(shè)計(jì)的超級(jí)電容器電容量測(cè)試系統(tǒng)包含五路測(cè)試部分，每一路都可以獨(dú)立檢測(cè)電容器，互不干擾。測(cè)量的范圍分五部分，分別為：10～99F、1～9.9F、0.1～0.99F、0.01～0.099F、0.001～0.0099F?？呻S時(shí)根據(jù)超級(jí)電容器電容量的不同改變測(cè)量范圍。

3.3 顯示電路

通過(guò)五路數(shù)碼管進(jìn)行顯示，每路設(shè)置6位LED數(shù)碼管，保證測(cè)試結(jié)果及時(shí)、方便讀出。

4 系統(tǒng)測(cè)試

同時(shí)對(duì)五個(gè)電容器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，誤差不超過(guò)1%。

表1 參數(shù)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，即對(duì)電容器的電容量進(jìn)行正、反兩方向反復(fù)充放電的測(cè)量，其測(cè)量值的精度可達(dá)到±1%。系統(tǒng)采用恒流充放電方式測(cè)量，成功地解決了傳統(tǒng)方式測(cè)量速率慢、測(cè)量范圍小等致命弱點(diǎn)，具有檢測(cè)精度高、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且采用五路測(cè)量的方式大大提高了測(cè)量的速率。因此超級(jí)電容器電容量測(cè)試系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]王思博,韋統(tǒng)振,齊智平.超級(jí)電容器儲(chǔ)能的節(jié)能系統(tǒng)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(9):105-110.

[2]陳永真,李錦.電容器手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,2008: 626-687.

[3]吳運(yùn)昌.模擬電子線路基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社.

[4]劉曉臣.超級(jí)電容器的電容量快速測(cè)試方法研究[J].電子元器件與可靠性,2013(31):263-266.

[5]王振宇等.實(shí)驗(yàn)電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.