CN105911373A - 一种测量超级电容器静电容量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量超级电容器静电容量的方法及装置，该方法包括：对超级电容器进行充电，直至超级电容器两端的电压达到额定电压；停止充电，对连接有采样电阻R的放电回路进行放电，实时采集采样电阻两端的电压；根据采样电阻R两端的电压来计算得到超级电容器的静电容量C。该装置包括：充电电源、电压表、采样电阻以及采样器，其中，电压表并联到超级电容器的两端；充电电源与超级电容器构成充电回路；采样电阻与超级电容器构成放电回路；采样器并联到采样电阻的两端。本发明的测量超级电容器静电容量的方法及装置，与放电电流的稳定性没有关系，对放电曲线的斜率也无要求，进而减小了静电容量的测量误差，提高了测量准确度。

Description

一种测量超级电容器静电容量的方法及装置

技术领域

本发明涉及电磁测量领域，特别涉及一种测量超级电容器静电容量的方法及装置。

背景技术

超级电容器是一种新兴的能量存储器件，它是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新电容器。超级电容器兼具传统电容器和电池的优点。相比电池，由于超级电容器在储能过程不发生化学反应，且储能过程可逆，因此可以反复充放电可以达到数十万次，充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长。另外，相较传统电容器，超级电容通过电极材料里庞大的表面积和极小的电荷分离距离能储存非常大的静电容量，比普通电容器的容量大3-4个数量级。

超级电容因其优点，在能量缓冲及其再利用领域、储能领域等得到广泛应用，如新能源汽车、轨道交通、储能电站等场合。

超级电容单体耐压较低，额定电压典型值为2.7V，在应用中常需大量串联；为提高超级电容储能系统的容量，需对电容器进行并联。通过串并联构成的超级电容储能模块的性能并不是对单体性能的简单叠加，而是受特性最差的单体电容约束，无法充分发挥其余电容器的性能；单体电容特性存在差别时，其承受的电压应力不同，极有可能造成过充或过放从而损坏电容器；此外，由于电压应力的不同，各单体的老化程度不同，且随着使用时间和充放电循环次数的增加，各单体间性能差异变大，从而影响整个模块的输出性能。控制超级电容单体一致性的重要基础是对其静电容量进行测量。

目前，已有的关于超级电容静电容量和等效串联电阻的测量方法相关的标准有《IEC62391-1电子设备用固定式双电层电容器》和《QCT741-2006车用超级电容》,QCT741-2006借鉴了IEC62391-1中的方法。

测量静电容量时，上述标准中采用恒流放电方法，原理为：首先用直流电源对超级电容进行充电，至额定电压U_R后再恒压充电30分钟，然后进行恒流放电，测量超级电容两端电压从U₁(0.8U_R)到U₂(IEC标准为0.4U_R，QCT标准为0.5U_R)的时间t₁和t₂，根据式(1)来计算容量值，充放电过程中的电压变化曲线如图1所示，

$C=\frac{I\×(t_2-t_1)}{U_1-U_2}---\left(1\right)$

采用恒流放电方法测量静电容量时存在着下述缺陷：(1)放电曲线理论为直线，事实上由于内阻、自放电等的影响，放电时电压跌落曲线的斜率不断发生变化，所以计算静电容量时，直接用式(1)的线性方程将会产生误差；(2)其次，恒流放电法对放电电流I的稳定性有较高要求，必须保证整个放电过程中电流I保持不变，即在用公式(1)计算静电容量时，电流参数I默认为一常数。由于超级电容静电容量较大，放电过程会持续较长一段时间，且放电过程中无法保证回路负载阻抗保持不变，所以放电电流I难以保持恒定，对静电容量的准确测量带来一定影响。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种测量超级电容器静电容量的方法及装置，与放电电流的稳定性没有关系，对放电曲线的斜率也无要求，进而减小了静电容量的测量误差，提高了测量准确度。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种测量超级电容器静电容量的方法，其包括以下步骤：

S11：对超级电容器进行充电，直至所述超级电容器两端的电压达到额定电压；

S12：停止充电，对连接有采样电阻R的放电回路进行放电，实时采集所述采样电阻两端的电压；

S13：根据所述采样电阻R两端的电压来计算得到所述超级电容器的静电容量C。

较佳地，所述步骤S13具体为：根据任意两时刻的所述采样电阻两端的电压以及该两时刻的时间差来计算得到所述超级电容器的静电容量。

较佳地，所述步骤S13具体为：放电时，所述采样电阻R两端的电压U为：

$U\left(t\right)=\frac{UR}{2l_0\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}}{e}^{-\frac{t}{C(R+r)}}={\mathrm{Ae}}^{-\frac{t}{C(R+r)}};$

其中，r为所述超级电容器的内阻，U为放电开始时所述超级电容器两端的初始电压，，l₀为所述放电回路中的回路电感。

任意选取两时刻t₁和t₂，该两时刻对应的电压分别为U(t₁)和U(t₂)分别为：

$U\left(t_1\right)={\mathrm{Ae}}^{-\frac{t_1}{C(R+r)}},$

$U\left(t_2\right)={\mathrm{Ae}}^{-\frac{t_2}{C(R+r)}};$

根据上述两式得出：

$C=\frac{t_2-t_1}{R+r}\frac{1}{ln\frac{U\left(t_1\right)}{U\left(t_2\right)}};$

较佳地，所述步骤S13还包括：根据多个任意两时刻的所述采样电阻两端的电压以及该两时刻的时间差来计算得到多个所述超级电容器的静电容量，然后取平均值。

本发明还提供测量超级电容器静电容量的装置，其包括：充电电源、电压表、采样电阻以及采样器，其中，

所述电压表并联到超级电容器的两端，用于测量所述超级电容器两端的电压；

当对所述超级电容器进行充电时，所述充电电源与所述超级电容器构成充电回路；

当对所述超级电容器进行放电时，所述采样电阻与所述超级电容器构成放电回路；

所述采样器并联到所述采样电阻的两端，用于实时采集所述采样器两端的电压。

较佳地，测量超级电容器静电容量的装置还包括：双路开关，所述双路开关的一端与所述超级电容器相连；

当对所述超级电容器进行充电时，所述双路开关的另一端与所述充电电源串联；

当对所述超级电容器进行放电时，所述双路开关的另一端与所述采样电阻串联。采用双路开关在充电回路和放电回路之间进行切换，可以简化结构、

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的测量超级电容器静电容量的方法及装置，通过采集放电回路中串联的采样电阻两端的电压来计算得到超级电容器的静电容量，静电容量的测量只与采样电阻上的电压以及放电时间有关，而与放电电流的稳定性无关，且对放电曲线的斜率也无要求，因此，避免了由于放电曲线的斜率不断变化而引起的测量误差，也避免了由于放电电流不稳定而对测量结果造成的影响，对测量环境要求低；

(2)本发明在放电回路中串联采样电阻，由于采样电阻的阻值恒定，因此，对其两端的电压测量也能获得较高的准确度，进而超级电容器的静电容量的测量准确度也得到了提高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优 点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为恒流放电法的超级电容器放电过程中的电压变化曲线；

图2为本发明的测量超级电容器静电容量的装置的电路示意图；

图3为本发明的测量方法的超级电容器放电过程中的采样电阻两端的电压变化曲线；

图4为本发明的测量超级电容器静电容量的方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

结合图2-图3，本实施例对本发明的测量超级电容器静电容量的装置进行详细描述，如图2所述为其电路原理图，其中，C为超级电容器的静电容量，r为超级电容器的内阻，K为双路开关，直流电压表V₁用于测量超级电容器两端的电压；充电回路中，充电电源I_ch用于对超级电容器进行充电；放电回路中，l₀为回路电感，R为采样电阻，采样器S用于实时采集采样电阻R两端的电压。

测量时，双路开关K首先切换至a触点，充电电源I_ch开始对超级电容器C进行充电，当直流电压表V₁检测到的超级电容器C两端的电压充至额定电压U_R后，充电完毕，双路开关切换至b触点，超级电容器C开始放电，可以计算出采样电阻R两端的电压为：

$U\left(t\right)=\frac{UR}{2l_0\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}}{e}^{-\frac{t}{C(R+r)}}={\mathrm{Ae}}^{-\frac{t}{C(R+r)}}---\left(2\right)$

式中，U为放电开始时超级电容两端的初始电压,A 为常数，可见采样电阻R两端的电压U(t)呈指数衰减，衰减的时间常数为τ＝C(R+r)，电压U(t)随时间变化曲线如图3所示。

如图3所示，在U(t)曲线上任意选取t₁和t₂两个时刻，对应的电压分别为U(t₁)和U(t₂)，且存在以下关系

$U\left(t_1\right)={\mathrm{Ae}}^{-\frac{t_1}{C(R+r)}}---\left(3\right)$

$U\left(t_2\right)={\mathrm{Ae}}^{-\frac{t_2}{C(R+r)}}---\left(4\right)$

根据式(3)和(4)可得

$C=\frac{t_2-t_1}{R+r}\frac{1}{ln\frac{U\left(t_1\right)}{U\left(t_2\right)}}---\left(5\right)$

由式(5)可知，静电电量的测量与采样电阻两端的电压和放电时间相关，而与放电电流的稳定性无关，对放电曲线的斜率也无要求，提高了测量的准确度；且采样电阻的阻值恒定，对其电压的测量也可获得较高的准确度，进一步提高了静电容量测量的准确度。

较佳实施例中，可以多测几组，然后取平均值，可以进一步提高测量精度。

实施例2：

结合图4，本实施例对本发明的测量超级电容器静电容量的方法进行详细描述，其流程图如图4所示，包括以下步骤：

S11：利用充电电源I_ch对超级电容器C进行充电，直至超级电容器两端的电压达到额定电压U_R；

S12：停止充电，切换至放电回路进行放电，实时采集采样电阻R两端的电压U(t)；

S13：任意选取两时刻t₁和t₂，根据采样电阻R两端的电压U(t₁)和U(t₂)来计 算得到超级电容器的静电容量C，计算公式如实施例1中所述。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种测量超级电容器静电容量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：对超级电容器进行充电，直至所述超级电容器两端的电压达到额定电压；

S12：停止充电，对连接有采样电阻R的放电回路进行放电，实时采集所述采样电阻两端的电压；

S13：根据所述采样电阻R两端的电压来计算得到所述超级电容器的静电容量C。

2.根据权利要求1所述的测量超级电容器静电容量的方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：根据任意两时刻的所述采样电阻两端的电压以及该两时刻的时间差来计算得到所述超级电容器的静电容量。

3.根据权利要求2所述的测量超级电容器静电容量的方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：放电时，所述采样电阻R两端的电压U为：

其中，r为所述超级电容器的内阻，U为放电开始时所述超级电容器两端的初始电压，l₀为所述放电回路中的回路电感。

任意选取两时刻t₁和t₂，该两时刻对应的电压分别为U(t₁)和U(t₂)分别为：

根据上述两式得出：

。

4.根据权利要求2或3所述的测量超级电容器静电容量的方法，其特征在于，所述步骤S13还包括：根据多个任意两时刻的所述采样电阻两端的电压以及该两时刻的时间差来计算得到多个所述超级电容器的静电容量，然后取平均值。

5.一种测量超级电容器静电容量的装置，其特征在于，包括：充电电源、电压表、采样电阻以及采样器，其中，

所述电压表并联到超级电容器的两端，用于测量所述超级电容器两端的电压；

当对所述超级电容器进行充电时，所述充电电源与所述超级电容器构成充电回路；

当对所述超级电容器进行放电时，所述采样电阻与所述超级电容器构成放电回路；

所述采样器并联到所述采样电阻的两端，用于实时采集所述采样器两端的电压。

6.根据权利要求5所述的测量超级电容器静电容量的装置，其特征在于，还包括：双路开关，所述双路开关的一端与所述超级电容器相连；

当对所述超级电容器进行充电时，所述双路开关的另一端与所述充电电源串联；

当对所述超级电容器进行放电时，所述双路开关的另一端与所述采样电阻串联。