CN103389426A - 一种超级电容器一致性测试装置以及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超级电容器一致性测试装置以及测试方法，所述测试装置包括复数组负责测试电容器参数的电参数检测芯片，电参数检测芯片带有通讯口，电参数检测芯片通过通讯口连接在负责数据采集/整理的下位机上，下位机上连接有对超级电容器性能测试记录的上位机。本发明对批次单体超级电容器分别进行电参数测试时，采用了参数转换方式，即将表征超级电容器充放电特性的电容量、等效串联电阻ESR、漏电流等参数值，分别借助于对不同方式下的电流、电压及充放电时间性能测试来转换。由此可得出该电容器的充放电性能参数和指标曲线。再依据此指标来分选出性能接近的电容器，从而构成可充放电性能接近的、一致性较好的实际应用电容器组。

Description

一种超级电容器一致性测试装置以及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置以及测试方法，尤其涉及一种通过对生产后期的超级电容器做一定周期、次数可控的充放电试验并检测、记录和分析其充放电电流及电压的变化规律，对被检测的超级电容器的关键电参数性能进行分选，进而将充放电参数变化规律一致性较好的电容器标示、分类以构成参数值接近的电容器组的超级电容器一致性测试装置以及测试方法。

背景技术

超级电容器也称电化学电容器，电化学双电层电容器。它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能，因其功率密度大，质量轻，无污染，可多次充放电等优点而成为一种新型的储能装置，近年来受到科学研究人员的广泛重视。它填补了普通电容器与电池之间的比能量与比功率空白，具有高至数千法拉的电容量，瞬间放电电流可达数千安培，同时还具有安全可靠、适用温度范围宽的特点，是改善和解决电能动力性能应用的突破性元器件。超级电容器在电力、能源、铁路、通讯、国防、以及汽车(特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆)、消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力，因此被世界各国所广为关注。

近年来，超级电容器研究开发热潮席卷全球，美国、日本、俄罗斯、德国、韩国等国家都投入了大量人力、物力对超级电容器及其相关应用进行了研究，一些大公司如NEC、EPCOS、ELNA、MAXWELL、NESS等都有生产容量范围从几法拉到数千法拉的超大容量商品。

同样，在国内的一些科研院所，如清华、哈工大、有色金属研究总院、中科院电工所等单位都开展了对超级电容器材料、制作工艺、特殊应用等相关领域的研究。此外，也有一些专门生产超级电容器的科技公司，如北京集星集团、江苏双登集团、哈尔滨巨容新能源、锦州富辰等等，产品的实用化程度不断提高，应用范围也在逐渐扩大，但与发达国家相比还有一定的距离，尤其是在电参数性能一致性方面。

超级电容器是介于传统电容器和化学电源之间的一种新型储能元件，它具有许多传统电池不具备的优点：

（1）、具有非常高的功率密度：电容器的功率密度可为电池的10—100倍，可以达到10kw/kg左右，能够在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得电容器更适合用于短时间高功率输出的场合。

（2）、充电速度快：超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快速、可逆的电化学过程，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电，而普通蓄电池充电需要数小时完成，即使采用快速充电也需几十分钟。

（3）、使用寿命长：超级电容器充放电过程中的电化学反应具有很好的可逆性，不出现类似电池中活性物质那样的晶型转变、脱落等引起的寿命终止的现象，碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达100,000次以上，比电池高出10-100倍。

（4）、使用温度范围广，低温性能优越：超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小。其工作温度为-40-85℃，而二次电池仅为0℃—40℃。

（5）、漏电电流小，内阻小，抗过充放和短路性能好。

（6）、对环境无污染，尤其碳基超级电容器，成本低廉，可作为真正的绿色能源。

虽然超级电容器有着诸如上述的许多优点，但由于单个超级电容开路电压约为1.5—2.4V，因此在实际使用时常常必须将多只超级电容串联或并联起来以获得较高的输出电压和功率。因此，在作为储能系统使用时，为确保其可靠性，了解各单体电容器的工作情况及整个储能系统所处的状态十分重要。正是由于超级电容的额定电压很低(不到3v)，在应用中需要大量的串联或并联。而串联时，由于各单体电容器参数（如电容量、ESR、漏电流等）存在差异，大电流充放电过程中容易造成各单体电容两端电压不均衡，从而导致部分电容过充电、过放电，影响了电容器的寿命和整体电路的可靠性。尤其是一致性较差的电容器组，在其使用的中后期，随着性能参数的离散性变大，对超级电容器电压均分的影响也会越来越大，最终导致电容器寿命的急剧缩短。因此，串联中的各个单体电容器电参数一致性选择至关重要。

由于超级电容在生产过程中产生的电容容值差异以及漏阻抗的不同，导致超级电容在使用时每个单体的电压会存在电压差，而且会随着使用时间的变长越来越大。表1显示了上海某超级电容企业生产的超级电容在使用了12个月后对其进行充电实验，充满电后的单体开路端电压值的差异变化，以1.5V为基准，变化单位为mv。

表1：某超级电容器组在使用后单体开路端电压值的差异变化表

从中可以看出，超级电容的一致性不是很好，同一组超级电容器的每个单体电容开路端电压变化差别很大，正/负最大差异近100mV。对此，仅仅测量整个超级电容组的电压是不能反映单体电容器电压变化情况和使用状况的,而在这样单体电容器一致性较差情况下成组使用、不断地用相同一致的充放电电压、电流来对其进行充放电的话，必然会导致超级电容器寿命缩短乃至损坏。

为得到各串联电容器端电压的均压，目前主要是采用一些经典的均衡电路，或者是采用电力电子与之相结合的动态均衡方案。但这些方案都是对于已经组合好的超级电容器组操作，进行均衡充电。比如，对于串联超级电容器组单体性能电参数不同的问题，通常采用电压均衡方法。均衡分为能耗型和回馈型。能耗型电压均衡方法的原理是将电压较高的单体电容部分能量以热量或其它形式的能量消耗掉，从而降低其充电速率。这种方法具有电路简单、易于控制、成本低等优点：缺点是元件发热量大，能量损耗严重、均衡效率低；回馈型电压均衡方法能够较好地解决能耗型均衡法耗能严重的问题，其原理是通过能量变换器将单体间的偏差能量馈送回电容器组或组中某些电压较低的单体。由于不消耗能量，因此也不存在发热问题，均衡效率较高，但存在着控制电路复杂、成本较高等限制因素。特别是考虑到两种均衡方法都需应用于用户使用端，因此对用户的最终使用来说，势必每组超级电容器都需配置均衡电路，从而大大增加了实际使用的成本和复杂性。

超级电容器的用途根据其放电量、放电时间以及电容量大小，主要用做主电源、替代电源及后备电源三类。由于超级电容器具有低价格和高容量的特点，因此特别适合于电网、新能源和电动/混合型汽车市场。例如，在电动车，混合动力车以及燃料电池车的应用方面，可作为一个具有高功率、短时间存储能量的装置，并且可回收刹车时得到的能量使之再次用在车辆的加速过程中。因此，它可使主电源（电池、内部燃烧发动机，燃料电池等)的体积缩减，并在优化的状态下运行。此外，医院、仓库或工厂的搬运车、飞机场的公共汽车、轮椅、小孩及娱乐性玩具车等也为超级电容器提供了用武之地。在现代通讯领域，电池和超级电容器的混用可大大提高功率输出和延长电池寿命。再有，一些工业过程（如半导体、化学、制药、造纸、纺织工业)对电源的短暂中止和混乱非常敏感，并且会引起昂贵的生产损失。从几秒到几分钟的UPS（不间断电源)装置可以保护这些敏感负载。超级电容器对于这些应用能提供更好的比能量和比功率，并且缩减这类系统体积的大小和成本，更能使得它们更加可靠。

军事和空间应用中都使用各种各样的传动器，如潜艇系统中的排水控制、海军航行器的发射、坦克和卡车在很冷或很热情况下的启动、运载火箭上强行引导控制传动器、雷管、脉冲激光等等以及燃料电池的动力响应也都可以用超级电容器来激发。如果仅仅需要部分燃料电他的能量(如晚上)，那么超级电容器就能提供基本负载，燃料电池其它的辅助系统(泵、压缩机)就可关闭，这将大幅提高电源供应的效率。

表2：超级电容器、静电电容器、电池性能比较

超级电容器还可与电池或传统电容器组合成多动力系统。在这样的情况下，电池提供基本的负载电力或在低功率下给超级电容器充电，这种组合系统供能与仅有电池的系统相比，具有更佳的性能比。

然而，由于超级电容器单元工作电压不高，对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电压等级的需要，一般是由多个超级电容器以串联和并联的组合方式工作。作为一个整体进行充放电的电容器组，其各个单体必须具有同样的充放电电流。在串联组件设计中，由于各个单体性能参数存在一定的分散性，为了避免实际使用过程中过充和过放情况的发生，就需首先解决串联电容器组电压不均衡现象。

基于超级电容器广泛的应用前景和巨大的应用潜力，减轻或在一定程度上消除各单体电容器电参数的不一致性具有非常重要的意义。

导致电容器组不平衡的主要因素分析：

（1）、单体容量偏差对电容器组的影响：通常超级电容器容量偏差为-10%～+30%,最大偏差1.44倍，当电容器组中出现容量偏差较大时，在充电时容量最小的单体电容器首先到达额定电压而单体电容器容量最大的仅充到69%的额定电压。显然，电容器容量的不一致，导致了超级电容器在充电过程中的电压不均衡，进而使超级电容器模块的储能容量大大下降，浪费了容量大电容器的储能容量。因此在批量生产电容器组时精选电容量，使得精选电容量控制在很小的偏差内对提高电容器组的储能有重要的意义。

（2）、漏电流对超级电容器组的影响：超级电容器多用于储能，充有电荷并在静置状态下的电荷（或电压）保持能力取决于漏电流。经过相对的静置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电荷明显低于漏电流小的。因此放电时，漏电流大的电容器首先放电结束，而漏电流小的仍保持较多的电荷。充电时漏电流小的首先充电结束。

（3）、ESR的影响：ESR表示超级电容器的等效串联阻抗，是表征超级电容器性能的主要参数之一。当超级电容器的ESR相对较高，且反复充电后ESR逐渐变大，因此ESR大的电容器将越来越大，在充放电时，ESR大的将先于ESR小的充放电结束，使其他ESR相对小的电容器充放电处于不充分状态。

综上所述，长期运行在电压不一致工作状态下，会使超级电容器组中的电容器寿命变得不一致，放电效率也大受影响。这是因为电容器中电解液的挥发和分解速度与工作电压有关，工作电压越高，越多的电解液杂质便会参与氧化反应，电解液的分解也越快，这样，就导致电容内部等效串联内阻和自放电率加大，电容容量下降，电容性能变差。由此可见，对于串联电容组来说，电容组电压不均衡问题是限制其大量使用的主要因素，对其进行动态均衡是有意义的且是必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种通过对生产后期的超级电容器做一定周期、次数可控的充放电试验并检测、记录和分析其充放电电流及电压的变化规律，对被检测的超级电容器的关键电参数性能进行分选，进而将充放电参数变化规律一致性较好的电容器标示、分类以构成参数值接近的电容器组的超级电容器一致性测试装置以及测试方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种超级电容器一致性测试装置，所述测试装置包括复数组负责测试电容器参数的电参数检测芯片，电参数检测芯片带有通讯口，电参数检测芯片通过通讯口连接在负责数据采集/整理的下位机上，下位机上连接有对超级电容器性能测试记录的上位机。

在本发明的具体实施例中：所述电参数检测芯片对批次量产的超级电容器分别进行程序设定的次数、时间、电流、电压进行充放电试验。

一种利用上述的测试装置进行超级电容器一致性测试的方法，所述方法包括如下步骤：

（1）.用带有通讯口的电参数检测芯片对批次量产的超级电容器分别进行程序设定的次数、时间、电流、电压进行充放电试验；

（2）.采用下位机将每次各单体电容器在试验中的各项电参数的数据进行实时采集、整理并通过数据通讯口传到上位机进行记录和存储；

（3）.通过上位机对多路测试中每个超级电容器在一定周期中的测试数据进行单次测试数据记录、储存、分析、计算，大致得出各单体电容器电容容量、ESR、漏电流在充放电过程中的性能指标曲线，并据此作为各单体电容器电参数一致性选择的判断依据；

（4）.将性能指标接近的超级电容器列为性能相同备选组，再据此进行分选。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的超级电容器一致性测试装置以及测试方法具有以下优点：本发明对批次单体超级电容器分别进行电参数测试时，采用了参数转换方式，即将表征超级电容器充放电特性的电容量、等效串联电阻ESR、漏电流等参数值，分别借助于对不同方式下的电流、电压及充放电时间性能测试来转换。由此可得出该电容器的充放电性能参数和指标曲线。再依据此指标来分选出性能接近的电容器，从而构成可充放电性能接近的、一致性较好的实际应用电容器组。

附图说明

图1为本发明提供的超级电容器一致性测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

针对背景技术中指出的超级电容器实际应用中必须采用均衡电路来解决各串联单体电容均压的问题，本发明的特色是将实际应用阶段的均衡充/放电需求放在生产过程的后期检测中来解决，也就是采用对超级电容器在分组组装前进行检测。并将充放电性能最接近的超级电容器标示、分成一组，以尽可能使超级电容器在成组应用中获得较为一致的充放电特性，从而最终提高实际应用时期超级电容器组的整体效率。即：本项目的特色在于解决超级电容器生产过程中的一致性检测问题，因而，这将在很大程度上解决超级电容器组的均衡使用问题。这也是本项目在引导性阶段的主要实施目标。在本项目引导性目标基本实现的基础上，拟将基于充放电实验、电参数检测、性能区分等基础上的项目实施结果，进一步拓展至如下功能并形成下一阶段的支撑性项目：1）加大超级电容器容量至成百法拉级；2）增强对大容量超级电容器的充放电电流和功率；3）增加多路分选机械装置；从而实现具有实际应用价值的大功率超级电容器一致性检测设备。

如上所述，本项目为达到通过一致性检测，对生产的超级电容器性能进行细化并分类的目的，最关键的就是找到合适的、能基本代表超级电容器性能的技术参数作为分组依据，开发出相应的检测设备，以此来探索解决超级电容器的一致性检测问题。本项目的技术方案理论根据为：通常同批次生产的超级电容器容量有一定偏差，该偏差也存在于单体电容之间。超级电容器的端电压u、电流I、电容量C、电量Q以及能量W满足以下关系式：

I=C*du/dt

Q=∫I*dt=∫C*du

W=1/2*C*u²

从上式可以看出：

a）在恒定电流I的充电条件下，电容器的容量与电压的变化率相关;

b）充放电电量Q恒定时，电容器的漏电流与电容充放电时间相关；

c）电容器的放电能量W与放电电压的平方成正比，输出电流一定时，ESR大的电容器实际输出电压将比ESR小的电容器低。

综上可见，超级电容器的容量C、漏电流、ESR三项参数均与其充放电的电流/电压及时间密切相关。所以通过对生产后期的超级电容器做一定周期、次数可控的充放电试验并检测、记录和分析其充放电电流及电压的变化规律，就能够对被检测的超级电容器的关键电参数性能进行分选，进而将充放电参数变化规律一致性较好的电容器标示、分类以构成参数值接近的电容器组，从而可有效避免成组超级电容器电参数不一致带来的单体电容器损坏及寿命缩短问题。

图1为本发明提供的超级电容器一致性测试装置的结构示意图。如图1所示：本发明提供的超级电容器一致性测试装置包括复数组负责测试电容器参数的电参数检测芯片，电参数检测芯片带有通讯口，电参数检测芯片通过通讯口连接在负责数据采集/整理的下位机上，下位机上连接有对超级电容器性能测试记录的上位机。

电参数检测芯片对批次量产的超级电容器分别进行程序设定的次数、时间、电流、电压进行充放电试验。

一种利用上述的测试装置进行超级电容器一致性测试的方法，所述方法包括如下步骤：

（1）.用带有通讯口的电参数检测芯片对批次量产的超级电容器分别进行程序设定的次数、时间、电流、电压进行充放电试验；

（2）.采用下位机将每次各单体电容器在试验中的各项电参数的数据进行实时采集、整理并通过数据通讯口传到上位机进行记录和存储；

（3）.通过上位机对多路测试中每个超级电容器在一定周期中的测试数据进行单次测试数据记录、储存、分析、计算，大致得出各单体电容器电容容量、ESR、漏电流等在充放电过程中的性能指标曲线，并据此作为各单体电容器电参数一致性选择的判断依据；

（4）.将性能指标接近的超级电容器列为性能相同备选组，再据此进行分选。

（5）.在本次引导性项目目标基本实现的基础上，探索、总结实验规律，进一步研究增大超级电容器容量及其充放电功率并配备自动分选设备的可行性，以形成在引导项目成功实施基础上，拓展实验结果，为形成下阶段支撑性项目的实施创造良好的条件。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种超级电容器一致性测试装置，其特征在于：所述测试装置包括复数组负责测试电容器参数的电参数检测芯片，电参数检测芯片带有通讯口，电参数检测芯片通过通讯口连接在负责数据采集/整理的下位机上，下位机上连接有对超级电容器性能测试记录的上位机。

2.根据权利要求1所述的超级电容器一致性测试装置，其特征在于：所述电参数检测芯片对批次量产的超级电容器分别进行程序设定的次数、时间、电流、电压进行充放电试验。

3.一种利用权利要求1所述的测试装置进行超级电容器一致性测试的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

（1）.用带有通讯口的电参数检测芯片对批次量产的超级电容器分别进行程序设定的次数、时间、电流、电压进行充放电试验；

（2）.采用下位机将每次各单体电容器在试验中的各项电参数的数据进行实时采集、整理并通过数据通讯口传到上位机进行记录和存储；

（3）.通过上位机对多路测试中每个超级电容器在一定周期中的测试数据进行单次测试数据记录、储存、分析、计算，大致得出各单体电容器电容容量、ESR、漏电流在充放电过程中的性能指标曲线，并据此作为各单体电容器电参数一致性选择的判断依据；

（4）.将性能指标接近的超级电容器列为性能相同备选组，再据此进行分选。

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