CN112462186B - 一种用于超级电容器循环寿命的测试方法 - Google Patents

一种用于超级电容器循环寿命的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超级电容的技术领域，公开了一种用于超级电容器循环寿命的测试方法，应用于以超级电容器为电源辅助车辆启动的应用场景，以模拟车辆启动过程电流变化得到的曲线电流为放电电流，对超级电容器进行循环寿命测试。本发明的测试方法对超级电容器进行预置处理和激活态处理，再使用曲线电流对超级电容器进行循环放电测试，以达到对超级电容器在辅助车辆启动应用场景的循环寿命的等效测试结果，更符合实际情况，提高了超级电容器寿命测试的准确性，为人们对车辆启动系统电源的使用寿命估计提供了准确的数据依据，减少不必要的安全隐患，提高超级电器的利用率。

Description

一种用于超级电容器循环寿命的测试方法
技术领域
本发明属于超级电容的技术领域，具体涉及一种用于超级电容器循环寿命的测试方法。
背景技术
超级电容作为一种新型的储能器件，具有充放电效率高，功率大，响应速率快，内阻小等特点，当前被广泛应用于汽车领域，如与蓄电池配合作用于汽车启动，为汽车引擎启动提供能量，以延长蓄电池的使用寿命，以提高汽车整体性能。
受驾驶环境、规律及驾驶习惯的影响，驾驶员会对车辆进行频繁的启停，这种高频率的引擎启停操作对超级电容的连续启动支持次数有了新的要求，因此，超级电容可支持的引擎启动次数，决定了它的更换维护周期和车辆行驶的稳定性。
当前对超级电容的寿命测试方案是0.1A/F的恒流循环充放电，电压动作范围为额定电压UR～1/2UR，这与车辆引擎启动时场景不符，严重影响了人们对超级电容器的使用寿命预测，不可避免地造成资源浪费，甚至存在车辆安全隐患。
发明内容
本发明提供了一种用于超级电容器循环寿命的测试方法，解决了现有超级电容的寿命测试方案与车辆引擎启动时场景不符，严重影响了人们对超级电容器的使用寿命预测等问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种用于超级电容器循环寿命的测试方法，应用于以超级电容器为电源辅助车辆启动的应用场景，以模拟车辆启动过程电流变化得到的曲线电流为放电电流，对超级电容器进行循环寿命测试。
进一步，包括以下步骤：
步骤一、对超级电容器先后进行预置放电处理和激活态处理，再测量其内阻和容量的初始值；
步骤二、在激活状态下，将超级电容器的电压充电至额定电压，静置第一指定时间；
步骤三、使用曲线电流对超级电容器进行多次放电；
步骤四、重复步骤二至三，直到超级电容器的当前容量值小于初始值的80％，内阻值大于初始值两倍为止，判断此时的循环次数是否达到寿命测试要求。
进一步，所述曲线电流通过将霍尔传感器安装在车辆启动系统中超级电容器的正极端，再用数据采集仪采集霍尔传感器测量得到的随时间变化的电压值，然后，根据霍尔传感器自身的电压与电流比值，获得对应的电流值，最后，通过数据拟合方法得到车辆启动过程随时间变化的曲线电流。
进一步，根据超级电容器的当前电压与额定电压的关系，以不同的放电倍率电流对超级电容器进行多次放电，直至超级电容器的当前电压小于0.1V，然后，用导线将超级电容器的正负极短接，静置第二指定时间，移除导线，完成预置放电处理。
进一步，所述预置放电处理包括以下步骤：
步骤Ⅰ、根据超级电容器的当前电压与其额定电压的关系，采用不同的方式对超级电容器进行放电处理；
①、若超级电容器的当前电压大于1/2额定电压，则以第一预置电流N1*I1和第一预置时间t1对超级电容器进行放电，然后进行静置处理；再检测超级电容器的当前电压，若大于1/4额定电压，则以第二预置电流N2*I1和第二预置时间t2对超级电容进行放电，然后进行静置处理；再检测超级电容器的当前电压，若小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理；
②、若超级电容器的当前电压大于1/4额定电压，则再以第二预置电流N2*I1和第二预置时间t2对超级电容进行放电，然后进行静置处理；再检测超级电容器的当前电压，若小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理；
③、若超级电容器的当前电压小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理；
其中，I1＝CN*(UR-Umin)/3600，I1表示超级电容器的放电倍率电流，CN表示超级电容器的额定容量，UR表示超级电容器的额定电压，Umin表示超级电容器的最低工作电压，N1、N1、N3均表示倍乘常数，t1＝CN*UR/2I1表示第一预置时间，t2＝CN*UR/4I1表示第二预置时间，t3表示第三预置时间即超级电容的内部电荷均衡时间；
步骤Ⅱ、用导线将超级电容器的正负极短接，静置第二指定时间，移除导线，完成预置放电处理。
进一步，所述激活态处理包括以第一预置电流N1*I1将超级电容的电压充电至额定电压，再进行静置处理，然后以第一预置电流N1*I1将超级电容器放电至1/2额定电压，再进行静置处理，然后，再以第一预置电流N1*I1将超级电容器的电压充电至额定电压，再进行静置处理，最后，以第一预置电流N1*I1将超级电容放电至1/2额定电压，完成激活态处理。
进一步，所述步骤二中以第一预置电流N1*I1将超级电容器的电压充电至额定电压。
本发明有益的技术效果如下：
以模拟车辆启动过程电流变化的曲线电流为放电电流，对超级电容器进行寿命测试，更符合车辆引擎启动过程的应用场景，提高了超级电容器寿命测试的准确性，为人们对车辆启动系统电源的使用寿命估计提供了准确的数据依据，减少不必要的安全隐患，提高超级电器的利用率。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图图；
图2为以超级电容器为供电电源的车辆启动系统中，实际使用过程中超级电容器的电流变化曲线示意图；
图3为采用本发明的曲线电流、恒流放电电流进行循环寿命测试时超级电容器的内阻变化曲线，与车辆启动系统中超级电容器的内阻实际变化曲线的对比示意图；
图4为采用本发明的曲线电流、恒流放电电流进行循环寿命测试时超级电容器的容量变化曲线，与车辆启动系统中超级电容器的容量实际变化曲线的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施案例详细说明本发明的具体实施方式。
参照附图1，本发明提供了一种用于超级电容器循环寿命的测试方法，应用于以超级电容器为电源辅助车辆启动的应用场景，以模拟车辆启动过程电流变化得到的曲线电流为放电电流，对超级电容器进行循环寿命测试，首先对超级电容器进行预置处理和激活态处理，再使用曲线电流对超级电容器进行循环放电测试，以达到对超级电容器在辅助车辆启动应用场景的循环寿命的等效测试结果，更符合实际情况，提高了超级电容器寿命测试的准确性，为人们对车辆启动系统电源的使用寿命估计提供了准确的数据依据，减少不必要的安全隐患，提高超级电器的利用率。
具体包括以下步骤：
步骤一、对超级电容器先后进行预置放电处理和激活态处理，再测量其内阻和容量的初始值；
预置放电处理：
首先，根据超级电容器的当前电压与额定电压的关系，以不同的放电倍率电流对超级电容器进行多次放电，直至超级电容器的当前电压小于0.1V。其不同的放电方式如下：
①若超级电容器的当前电压大于1/2额定电压，则以第一预置电流N1*I1和第一预置时间t1对超级电容器进行放电，然后进行静置处理，如静置3分钟；再检测超级电容器的当前电压，若大于1/4额定电压，则以第二预置电流N2*I1和第二预置时间t2对超级电容进行放电，然后进行静置处理，如静置3分钟；再检测超级电容器的当前电压，若小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理，如静置3分钟；
②若超级电容器的当前电压大于1/4额定电压，则再以第二预置电流N2*I1和第二预置时间t2对超级电容进行放电，然后进行静置处理，如静置3分钟；再检测超级电容器的当前电压，若小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理，如静置3分钟；
③若超级电容器的当前电压小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理，如静置3分钟；
其中，I1＝CN*(UR-Umin)/3600，I1表示超级电容器的放电倍率电流，CN表示超级电容器的额定容量，UR表示超级电容器的额定电压，Umin表示超级电容器的最低工作电压，一般Umin＝1/2UR，但特殊实验是特殊对待的，N1、N1、N3均表示倍乘常数，通常取N1＝100，N2＝65，N3＝45，t1＝CN*UR/2I1表示第一预置时间，t2＝CN*UR/4I1表示第二预置时间，t3表示第三预置时间即超级电容的内部电荷均衡时间，通常取值8小时。
然后，用导线将超级电容器的正负极短接，该导线的电阻不大于50mΩ，再进行静置处理，完毕后，移除导线，完成预置放电处理。
激活态处理：
以第一预置电流N1*I1将超级电容的电压充电至额定电压，再进行静置处理，如静置20秒，然后以第一预置电流N1*I1将超级电容器放电至1/2额定电压，再进行静置处理，如静置20秒，然后，再以第一预置电流N1*I1将超级电容器的电压充电至额定电压，再进行静置处理，如静置20秒，最后，以第一预置电流N1*I1将超级电容放电至1/2额定电压，完成激活态处理。
需要注意的是，对超级电容器进行预置放电处理后，须将超级电容静置至少8小时，使得超级电容器内部电荷达到平衡状态，才能进行激活态处理，然后根据汽车行业标准《QCT 741-2014车用超级电容器》对超级电容器的内阻和容量的初始值进行测试。
步骤二、在激活状态下，将超级电容器的电压充电至额定电压，静置第一指定时间，可以使用第一预置电流N1*I1对超级电容器进行充电。
步骤三、使用曲线电流对超级电容器进行多次放电，可以重复放电两次；
该曲线电流可通过将霍尔传感器安装在车辆启动系统中超级电容器的正极端，可采用LEM霍尔传感器，再用数据采集仪采集霍尔传感器测量得到的随时间变化的电压值，然后，根据霍尔传感器自身的电压与电流比值，获得对应的电流值，最后，通过数据拟合方法得到车辆启动过程随时间变化的曲线电流，如图2所示。
步骤四、重复步骤二至三多次，直到超级电容器的当前容量值小于初始值的80％，内阻值大于初始值两倍为止，判断此时的循环次数是否达到寿命测试要求。
以标称15V/150F型号的超级电容器、一般的小型燃油汽车启动为例，详细说明本发明的测试过程：
在预置放电处理和激活态处理完成后，根据汽车行业标准《QCT 741-2014车用超级电容器》对超级电容器的内阻和容量的初始值进行测试；然后，以上文所述的方法拟合获得曲线电流对超级电容器进行循环放电，该放电电流曲线可近似用一元三次式表示为：I＝388.1+4647t-22826t2+24559t3，从中可以看到，放电电流在40ms左右达到峰值，峰值电流在830A左右，放电过程持续0.61s，最低电流值204A左右，实现对超级电容器的等效循环寿命测试。
使用该曲线电流对超级电容的进行等效寿命循环测试时，包括：
1)在激活状态下，使用第一预置电流N1*I1将超级电容器的电压充电至额定电压，静置2秒；
2)使用上述曲线电流对超级电容器放电2次，放电间隔10s；
3)重复执行步骤1～2)20000次；
4)静置24小时，使超级电容器内部电荷达到平衡态；
5)根据汽车行业标准《QCT 741-2014车用超级电容器》对超级电容的内阻值和容量值进行测试；
若满足超级电容器的容量值大于初始值80％，内阻值小于初始值2倍，则继续循环实验，若不满足则实验结束。
测试结果如下：
如图3所示，超级电容经过相同次数的循环测试后，采用本发明中的曲线电流进行循环寿命测试的内阻变化情况，更符合车辆在实际应用场景的内阻变化情况，而采用恒流放电电流的内阻变化情况则与车辆在实际应用场景偏差较多。
同样，如图4所示，超级电容经过相同次数的循环测试后，采用本发明中的曲线电流进行循环寿命测试的容量变化情况，更符合车辆在实际应用场景的容量变化情况，采用恒流放电电流的容量变化情况则与车辆在实际应用场景偏差较多。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种用于超级电容器循环寿命的测试方法，其特征在于：应用于以超级电容器为电源辅助车辆启动的应用场景，以模拟车辆启动过程电流变化得到的曲线电流为放电电流，对超级电容器进行循环寿命测试；
包括以下步骤：
步骤一、对超级电容器先后进行预置放电处理和激活态处理，再测量其内阻和容量的初始值；
步骤二、在激活状态下，将超级电容器的电压充电至额定电压，静置第一指定时间；
步骤三、使用曲线电流对超级电容器进行多次放电；
步骤四、重复步骤二至三，直到超级电容器的当前容量值小于初始值的80％，内阻值大于初始值两倍为止，判断此时的循环次数是否达到寿命测试要求；
根据超级电容器的当前电压与额定电压的关系，以不同的放电倍率电流对超级电容器进行多次放电，直至超级电容器的当前电压小于0.1V，然后，用导线将超级电容器的正负极短接，静置第二指定时间，移除导线，完成预置放电处理；
所述预置放电处理包括以下步骤：
步骤Ⅰ、根据超级电容器的当前电压与其额定电压的关系，采用不同的方式对超级电容器进行放电处理；
①若超级电容器的当前电压大于1/2额定电压，则以第一预置电流N1*I1和第一预置时间t1对超级电容器进行放电，然后进行静置处理；再检测超级电容器的当前电压，若大于1/4额定电压，则以第二预置电流N2*I1和第二预置时间t2对超级电容进行放电，然后进行静置处理；再检测超级电容器的当前电压，若小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理；
②若超级电容器的当前电压大于1/4额定电压，则再以第二预置电流N2*I1和第二预置时间t2对超级电容进行放电，然后进行静置处理；再检测超级电容器的当前电压，若小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理；
③若超级电容器的当前电压小于1/4额定电压，则以第三预置电流N3*I1和第三预置时间t3对超级电容进行放电直至其当前电压小于0.1V，然后进行静置处理；
其中，I1＝CN*(UR-Umin)/3600，I1表示超级电容器的放电倍率电流，CN表示超级电容器的额定容量，UR表示超级电容器的额定电压，Umin表示超级电容器的最低工作电压，N1、N1、N3均表示倍乘常数，t1＝CN*UR/2I1表示第一预置时间，t2＝CN*UR/4I1表示第二预置时间，t3表示第三预置时间即超级电容的内部电荷均衡时间；
步骤Ⅱ、用导线将超级电容器的正负极短接，静置第二指定时间，移除导线，完成预置放电处理。
2.根据权利要求1所述的用于超级电容器循环寿命的测试方法，其特征在于：所述曲线电流通过将霍尔传感器安装在车辆启动系统中超级电容器的正极端，再用数据采集仪采集霍尔传感器测量得到的随时间变化的电压值，然后，根据霍尔传感器自身的电压与电流比值，获得对应的电流值，最后，通过数据拟合方法得到车辆启动过程随时间变化的曲线电流。
3.根据权利要求1所述的用于超级电容器循环寿命的测试方法，其特征在于：所述激活态处理包括以第一预置电流N1*I1将超级电容的电压充电至额定电压，再进行静置处理，然后以第一预置电流N1*I1将超级电容器放电至1/2额定电压，再进行静置处理，然后，再以第一预置电流N1*I1将超级电容器的电压充电至额定电压，再进行静置处理，最后，以第一预置电流N1*I1将超级电容放电至1/2额定电压，完成激活态处理。
4.根据权利要求1所述的用于超级电容器循环寿命的测试方法，其特征在于：所述步骤二中以第一预置电流N1*I1将超级电容器的电压充电至额定电压。
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