CN111398709B - 一种储能电容器储能密度的测试方法 - Google Patents

一种储能电容器储能密度的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种储能电容器储能密度的测试方法，是通过包括充电回路与欠阻尼短路放电回路的测试电路对电容器的储能密度进行测试的方法，包括通过充电回路对电容器进行充电；通过欠阻尼短路放电回路对电容器进行放电，记录放电过程中电容器两端的电压、欠阻尼短路放电回路中的电流和放电时间；找出电压首次为零时对应的首次零电压时间；通过电流和放电时间计算电容器的电荷释放量，代入首次零电压时间，求出电容器的最大电荷释放量；利用最大电荷释放量减去电荷释放量，求出电容器上的电荷量；根据电压和电荷量，求出电容器从开始放电至电压首次为零为止释放的能量；将能量除以电容器的体积，求出电容器的储能密度。

Description

一种储能电容器储能密度的测试方法
技术领域
本发明涉及电容器的电学性能参数测量领域，具体涉及一种储能电容器储能密度的测试方法。
背景技术
高储能电容器可在瞬时将储存的能量释放出来产生大电流脉冲，可用于强冲击激光、导弹点火等应用领域。作为脉冲功率电源的重要储能元件，储能电容器在整个设备中占很大比重，是极为重要的关键部件。
储能密度是储能电容器工程应用的重要指标，对电容器的结构设计和工程应用至关重要。储能电容器在充电过程中储存的能量密度为充电储能密度，但在实际应用中使用的是放电时的储能密度，放电时的储能密度小于充电储能密度。放电过程的储能密度与放电回路有关，放电回路不同，放电频率不同，则储能电容器释放的储能密度不同。
储能电容器储能密度的测试方法有电滞回线法和充放电法。由例如GB/T 6426-1999铁电陶瓷材料电滞回线的准静态测试方法中描述的电滞回线法测量并计算得到的储能密度，是电容器释放的最大值，即电容器理论上释放的储能密度。充放电法测试原理是先对储能电容器外加电场，使电容器储存能量；再对外电路放电，在放电过程中电容器释放储存的能量。放电回路参数包括回路电容、回路电感和回路电阻，根据放电回路参数不同，放电过程呈现欠阻尼振荡、过阻尼、临界阻尼三种特性，这三种特性的放电周期差距巨大。由于电容器介质材料在不同频率下的放电响应不同，因此同一电容器在这三种放电条件下释放的储能密度也不同。
储能电容器用于脉冲电源时，需要大输出电流、短放电周期，因此工作时的放电模式为欠阻尼短路放电。电滞回线法测试频率通常为1Hz或10Hz，而欠阻尼短路放电的放电周期很短为μs级，可见电滞回线法测试频率远低于欠阻尼短路放电频率。电容器介质材料在不同频率下的放电响应不同，放电频率高时，介质材料偶极子反转跟不上电场的变化速度，因此欠阻尼短路放电法测得的储能密度小于电滞回线法。
由此可见，电滞回线法测量出的储能密度并不能很好地代表储能电容器在欠阻尼短路实际放电时的储能密度。
发明内容
发明要解决的问题
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能准确测量电容器在欠阻尼短路放电回路中实际放电时的储能密度的储能电容器储能密度的测试方法。
解决问题的手段：
本发明提供一种储能电容器储能密度的测试方法，是通过包括充电回路与欠阻尼短路放电回路的测试电路对电容器的储能密度进行测试的方法，
包括以下步骤：
(1)通过所述充电回路对电容器进行充电；
(2)通过所述欠阻尼短路放电回路对所述电容器进行放电，记录放电过程中所述电容器两端的电压、所述欠阻尼短路放电回路中的电流和放电时间；
(3)找出所述电压首次为零时对应的首次零电压时间；
(4)通过所述电流和所述放电时间计算所述电容器的电荷释放量，代入所述首次零电压时间，求出所述电容器的最大电荷释放量；
(5)利用所述最大电荷释放量减去所述电荷释放量，求出所述电容器上的电荷量；
(6)根据所述电压和所述电荷量，求出所述电容器从开始放电至所述电压首次为零为止释放的能量；
(7)将所述能量除以所述电容器的体积，求出所述电容器的储能密度。
根据本发明，能通过对储能电容器进行充放电测试来计算出储能电容器的储能密度。
也可以是，本发明中，所述充电回路由电源、电容器和高压开关串联构成；所述欠阻尼短路放电回路由所述电容器、所述高压开关和脉冲电流互感器串联构成；所述高压开关切换所述电容器接入所述充电回路或所述欠阻尼短路放电回路。
也可以是，本发明中，所述电源为直流高压电源。
发明效果：
本发明通过利用充放电法对储能电容器进行充放电测试来获得欠阻尼短路放电回路中电容器的放电曲线，并由此计算出储能电容器的储能密度，从而能够准确测量电容器在欠阻尼短路放电回路中实际放电时的储能密度，有助于电容器的结构设计和工程应用。
附图说明
图1是本发明一实施形态的储能电容器储能密度的测试方法所采用的测试电路的示意图；
图2是图1的电容器两端电压随时间的变化以及欠阻尼短路放电回路中电流随时间的变化示意图；
图3是电容器上的电荷量与电容器两端电压的关系曲线示意图；
图4是实施例1的电容器两端电压随时间的变化以及欠阻尼短路放电回路中电流随时间的变化图；
图5是实施例1的电荷量与电容器两端电压的关系曲线图；
符号说明：
1、直流高压电源；2、电容器(储能电容器)；3、高压开关；4、脉冲电流互感器；5、示波器。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在此公开一种能准确测量电容器在欠阻尼短路放电回路中实际放电时的储能密度的储能电容器储能密度的测试方法。
图1是本发明一实施形态的储能电容器储能密度的测试方法所采用的测试电路(以下简称测试电路)的示意图。如图1所示，测试电路由充电回路和放电回路构成。
充电回路由直流高压电源1、电容器2和高压开关3串联而成。
放电回路是欠阻尼短路放电回路，由电容器2、高压开关3和脉冲电流互感器4串联而成。放电回路参数分别是电阻R、电感L和电容C，其中，放电回路的电容C指电容器2的电容，电阻R包括连接线路的电阻和高压开关3的通态电阻，电感L包括电容器2的电感、高压开关3的分布电感和连接线路的分布电感。电阻R、电感L和电容C应满足
Figure BDA0002419519110000031
由此确保放电回路呈欠阻尼短路放电。
直流高压电源1主要作用是对电容器2进行充电。高压开关3主要作用是对充电回路与放电回路之间进行切换。脉冲电流互感器4是可对快变的交流电流进行测试的非接触式电流探头，主要作用是测量放电回路中的电流i。脉冲电流互感器4上连接有示波器5，示波器5主要作用是记录放电过程中电容器2两端的电压U、放电回路中的电路i和放电时间t。电容器2上还并联有未图示的高压探头，用以读取电容器2两端的电压U。
电容器2的一端与高压开关3相连，另一端接地，由此电容器2在高压开关3的切换下接入充电回路或是放电回路。具体而言，高压开关3首先接通充电回路，使直流高压电源1对电容器2进行充电，当电容器2充电完毕时，将高压开关3切换至放电回路，使电容器2进行放电，电容器2放电完毕后再将高压开关3从放电回路切换至充电回路，如此循环。
基于上述测试电路，本发明提供一种储能电容器储能密度的测试方法，其包括以下步骤：
(1)按照图1连接测试电路，用高压探头并联在电容器2两端，将直流高压电源1设置为所需的充电电压值；
(2)充电完成时，高压开关3切换至放电回路，电容器2开始放电。放电过程中，同步记录电容器两端的电压U、放电回路中的电流i和放电时间t，由此获得图2中示出的电容器2的放电曲线；
(3)放电结束后，根据图2中的电压-时间曲线，找到电压首次降为0对应的时间t1；
(4)根据图2中的电流-时间曲线，通过
Figure BDA0002419519110000041
求出电容器2随时间t变化的电荷释放量Qt，当t＝t1时，得到电荷释放量最大值Qmax；
(5)根据Q’＝Qmax-Qt，求出电容器2上随时间t变化的电荷量Q’；
(6)根据放电时间0～t1内电容器2两端的电压U和电荷量Q’，得到如图3所示的电荷量Q’与电压U的关系曲线，根据图3按照W＝∫UdQ′计算得到电容器2释放的能量W；
(7)利用能量W除以电容器2的体积，得到电容器2的储能密度。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
(实施例1)
电容器2选用制造商EPCOS制造的CeraLink LP Series，电容量为0.5μF，尺寸为7.2×7.9×2.7(单位mm)，测试900V下的储能密度。
(1)按图1接好测试线路，用高压探头并联在电容器2两端用以读取电容器2两端的电压U，直流高压电源设置为900V。
(2)充电完成时，高压开关3切换至放电回路，电容器2开始放电。放电过程中，同步记录电容器2两端的电压U、放电回路中的电流i和放电时间t，由此获得图4中示出的电容器2的放电曲线。
(3)放电结束后，根据图4中的电压-时间曲线，找到电压首次降为0对应的时间t1，t1为3.64μs。
(4)根据图4所示电流-时间曲线，通过
Figure BDA0002419519110000042
求出电容器2的电荷释放量Qt，当t＝t1时，得到电荷释放量Qt的最大值Qmax，Qmax为2.71×10-4C。
(5)根据Q’＝Qmax-Qt，求出电容器2上随时间t变化的电荷量Q’。
(6)根据放电时间0～t1内电容器2两端的电压U和电荷量Q’，得到如图5所示的电荷量Q’与电压U的关系曲线，根据图5按照W＝∫UdQ′计算得到释放的能量W，计算结果为0.12J。
(7)用上述能量除以电容器2的体积0.154cm3，得到电容器2的储能密度为0.78J/cm3。
本申请方法测得的结果与采用例如GB/T 6426-1999铁电陶瓷材料电滞回线的准静态测试方法中描述的电滞回线法得到的结果比较参见下表。
[表1]
参数 电滞回线法 本方法
储能密度(J/cm<sup>3</sup>) 0.84 0.78
由于电滞回线法测得的是电容器释放的最大储能密度，因此本方法略小于电滞回线法的测量值是合理的。
根据本发明，通过利用充放电法对储能电容器进行充放电测试来获得欠阻尼短路放电回路中电容器的放电曲线，并由此计算出储能电容器的储能密度。与电滞回线法相比，能准确地测量储能电容器在欠阻尼短路实际放电过程中的储能密度，有助于电容器的结构设计和工程应用。
以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种陶瓷脉冲储能电容器储能密度的测试方法，其特征在于，
是通过包括充电回路与欠阻尼短路放电回路的测试电路对电容器的储能密度进行测试的方法，
包括以下步骤：
（1）通过所述充电回路对电容器进行充电；
（2）通过所述欠阻尼短路放电回路对所述电容器进行放电，记录放电过程中所述电容器两端的电压、所述欠阻尼短路放电回路中的电流和放电时间；
（3）找出所述电压首次为零时对应的首次零电压时间；
（4）通过所述电流和所述放电时间计算所述电容器的电荷释放量，代入所述首次零电压时间，求出所述电容器的最大电荷释放量；
（5）利用所述最大电荷释放量减去所述电荷释放量，求出所述电容器上的电荷量；
（6）根据所述电压和所述电荷量，按照
Figure DEST_PATH_IMAGE002
求出所述电容器从开始放电至所述电压首次为零为止释放的能量，其中W为所述释放的能量，U为所述电压，Q’为所述电荷量；
（7）将所述能量除以所述电容器的体积，求出所述电容器的储能密度。
2.根据权利要求1所述的储能电容器储能密度的测试方法，其特征在于，
所述充电回路由电源、电容器和高压开关串联构成；
所述欠阻尼短路放电回路由所述电容器、所述高压开关和脉冲电流互感器串联构成；
所述高压开关切换所述电容器接入所述充电回路或所述欠阻尼短路放电回路。
3.根据权利要求2所述的储能电容器储能密度的测试方法，其特征在于，
所述电源为直流高压电源。
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