超級電容測試及應用

新型能源是當下的熱門研究領域，而超級電容作為介於電容器和電池之間的一種新型儲能器件，它既有電容器可以快速充放電的特點，又有電池的儲能機理。

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超級電容器早期有兩個主要的應用領域，第一個是當主能源能量不足時，充當臨時備用電源和短時間供電的應急電源。比如：主電源和備用電源切換時的續電(基站及伺服器，網絡機房，通訊等行業);在快充快放環境是替代一些蓄電池和動力電池(電動工具行業，電動大巴等)。第二個主要用途就是充當峰值功率電源。在這些應用中，超級電容器為系統單獨提供所需的峰值功率電源或與電池一起在連續工作時提供穩流低功率電源，而在峰值負載時提供一個高功率脈衝。在這裡，超級電容器減弱了用電器對電池提供峰值功率的要求，這樣就可以大大延長電池的壽命，並減小了電池的整體尺寸。近年來，超級電容器展現出更為廣泛的應用前景，特別是在發展混合動力或純電動汽車領域的應用。超級電容器與電池聯合，可以提供高功率輸出和高能量輸出，既減小了電源的體積，又延長了電池的壽命。

超級電容，又叫雙電層電容器或法拉第準電容器，他們可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

圖一、工作原理及結構示意圖

超級電容的「超級」在於其功率密度高，可達鋰電池的2~30倍;充放電時間短，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95%以上;循環壽命長，深度充放電可循環使用達數十萬次;工作溫度範圍寬;充放電線路簡單;失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠等，是兼備電容和電池特性的新型元件。可以應用在混合動力汽車、行動裝置電源、太陽能、風能、燃料電池等發電的儲存、緊急照明系統以及大功率電脈衝設備等。

那麼如何測量超級電容的參數?我們以實驗室測量結合計算的方法，簡單介紹一下。

容量測量：

如下圖測試電路，核心是用一個具有恆流輸出及電壓限制的功率電源作為充電電源。電容兩端的充電電壓波形可以通過一個數字示波器進行記錄。通過示波器的光標，可以很方便地讀出電壓從1.5V上升到2.5V所用的時間，基本的計算公式如下：i=C(△V/△t)公式變換為：C= i(△t/△V)。充電電流設定為1A，電壓變化範圍△V=2.5V-1.5V-1V 那麼C=△t，在這個示例中，超級電容的容量在數字上與電容從1.5V充電到2.5V的時間相等。時間單位為秒。由於超級電容結構的特殊性，電容在測試前必須進行完全的放電。

流入電流測量：

由於超級電容表現出明顯的非傳導性介質特性，所以測量實際的自放電或者自漏電數值是比較困難的。當一隻超級電容被充電至工作電壓的過程中，流入電流是很大的，並且逐步變小。此時流入電流是介質吸收電流與電容漏電流之和。介質吸收電流是作為能量儲存，但深度存儲需要比較長的時間，電容的流入電流與時間是對數關係，具體如下表所示。

只有當介質吸收電流為0時，此時的流入電流才是漏電電流，這大概需要連續充電100個小時才能達到，此時漏電流大概為幾微安。在這個點以後，為了繼續測量流入電流，需要使用一隻準確的微伏表與一隻比較大的電阻，數值參看上圖。

直流阻抗與交流阻抗測量：

串聯等效阻抗或者交流阻抗可以通過LCR電橋在1kHz下進行測量。這種方法測量的結果是比較準確的。另外一種方法是測量所謂的直流阻抗，可以用同一種儀器，但這種方法測量的結果是不準確的，誤差比較大。

下圖是用電容容量測量電路獲得的充電電壓曲線，起始階段的局部放大圖如下圖所示，當用1A的電流進行充電時，瞬間發生的電壓階躍可以被用來計算交流內阻，直流內阻或者DC阻抗等於階躍電壓值除以1A的電流，對於內阻很低的電容，可以用更大的電流進行測量。

在這個示例中，內部阻抗=初始電壓階躍/充電電流=0.15V/1A=0.15Ω，研究得出，直流阻抗是交流阻抗的1.1至1.5倍之間。

當然，要更深入的了解超級電容的性能，還必須配合一些高精度的電源、電子負載甚至一些智能化的測試系統做進一步的測試。例如，艾德克斯ITS5300電池測試系統集成了電源、電子負載、內阻分析儀、溫度測試儀、雙極性電源及專業的分析軟體，可以自動完成單節超級電容的充放電循環測試、超級電容PACK的充放電循環測試、IT5102多通道在線內阻分析儀採用500Hz或1KHz的交流小信號可以測量電容內阻(ESR，等效串聯電阻)以及多節電容一致性的測試及篩選、結合IT5601溫度測試儀，PACK測試時單節的電壓、內阻和溫度的一致性測試等也可以輕鬆完成。

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