遼寧工業(yè)大學電子與信息工程學院 高興昌 韓昌健 呂 娓

超級電容器電容量測試系統(tǒng)的設(shè)計

遼寧工業(yè)大學電子與信息工程學院 高興昌 韓昌健 呂 娓

超級電容器的電容量非常大，用傳統(tǒng)的方法不能對其電容量進行準確地測試。針對超級電容器的工作原理，采用恒流充放電方式，在放電過程中來測試電容量的大小。并設(shè)置量程轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)測試對象不同，自行改變測試范圍，并通過數(shù)碼管顯示被測值。測試結(jié)果顯示，本設(shè)計具有檢測精度高、速度快等優(yōu)點，并且采用五路測量的方式，提高了測量的速率。

電容量測量；恒流充放電；數(shù)字顯示

1 引言

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

2 電容量的測試條件和方法

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

電容器的電荷與電流/時間的關(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：

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

圖1 電容量的測試條件

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 電容量測試電路

采用恒流充放電方式測量電容量的大小，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保持在零電壓不變?？梢岳米钊菀椎玫降钠骷捎米钊菀讓崿F(xiàn)的電路。一般而言充電單一回路可能比較簡單，恒壓、恒流組合往往采用雙閉環(huán)控制方式。通過反饋實現(xiàn)閉環(huán)控制首先要驗證穩(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。由于這兩個因素的影響，涉及和調(diào)試將可能遇到預想不到的問題。為了減小風險，選用了可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317作為充電的恒壓、恒流電路。放電測試電流采用LM337作為恒壓、恒流電路。電容量測試電路原理如圖2所示。

3.2 量程轉(zhuǎn)換電路

圖2 電容量測試電路

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

3.3 顯示電路

通過五路數(shù)碼管進行顯示，每路設(shè)置6位LED數(shù)碼管，保證測試結(jié)果及時、方便讀出。

4 系統(tǒng)測試

同時對五個電容器進行測試，結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，誤差不超過1%。

表1 參數(shù)測試結(jié)果

5 結(jié)論

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

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