一種超級電容器充放電測試方法的研究

田虓+孫誼

摘 要： 超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有非常大的容量，但是其表現(xiàn)出顯著的“非傳導(dǎo)性吸收”儲能方式，用傳統(tǒng)的方法將不能準(zhǔn)確地對超級電容器進(jìn)行測試。針對超級電容器的工作原理，提出一種有針對性的超級電容器測試的方法。采用Buck變化器實(shí)現(xiàn)超級電容器的恒流充電，采用Boost變化器模擬有源電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)超級電容器恒流放電，利用芯片SG3525產(chǎn)生PWM控制波形，實(shí)現(xiàn)恒流充放電，利用DSP（TMS3210C2812）完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理。該方法保證了放大精度，有效抑制了共模噪聲，對超級電容器在不同充放電電流下的電容與內(nèi)阻工作情況實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、有效的測試。

關(guān)鍵詞： 超級電容器； 充放電電路； PWM控制； DSP

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0160?03

Method of current charging and discharging test of super?capacitor

TIAN Xiao1， SUN Yi2

（1. The Open University of China， Beijing 100031， China； 2. Chinese Electrotechnical Society， Beijing 100823， China）

Abstract： The super?capacitor has larger capacity than traditional capacitor， but traditional methods can not be used to test the super capacitor accurately because of its obvious "non conductive absorption" energy storage mode. According to the working principle of the super capacitor， a method for super?capacitor test is presented in this paper， in which Buck converter is used to achieve constant current charging of the super?capacitor， Boost converter is used to analog active electronic load and achieve constant current discharging of the super?capacitor， SG3525 chip is used to produce the PWM control waveform to realize constant current charging and discharging， and DSP （TMS3210C2812） is used to complete the data processing. This method can ensure the amplification accuracy， effectively suppress the common mode noise， and achieve the accurate test of the super?capacitors capacity and internal resistance in the different charging or discharging current

Keywords： super?capacitor； charging and discharging circuit； PWM control； DSP

0 引 言

當(dāng)今社會，能源問題越來越受人類的關(guān)注。超級電容器作為一種新型的綠色儲能元件，由于其不可替代的優(yōu)良特性，針對其的研究和認(rèn)識越來越深刻。LI，NIMH諸如此類的新型電池已經(jīng)在大家的生活中廣泛應(yīng)用。但由于其原理為電化學(xué)反應(yīng)，在使用壽命及環(huán)境友好方面是存在缺陷的。而超級電容器具有使用壽命長、環(huán)境良好、功率密度高、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且在短時間內(nèi)可以瞬時釋放能量、高低溫性能好，所以在能量供應(yīng)方面的優(yōu)越性得到越來越多國家、軍事部門及工業(yè)界的重視。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在在混合電動車、武器及不間斷電源等領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。

1 超級電容器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)構(gòu)造的不同，超級電容分為兩類：雙電層電容與法拉第準(zhǔn)電容[1]。前者在外加電壓作用下，一層電荷在電極上，另一層電荷在溶液里，所以稱之為雙電層[2]，整個過程是簡單的物理儲能。后者被稱為電化學(xué)電容。在相同電極面積下，法拉第準(zhǔn)電容可達(dá)到雙電層電容量[3]的上百倍。現(xiàn)在廣泛認(rèn)可的超級電容器模型如圖1所示，在大部分測試中，可以忽略EPR的影響。

圖1 超級電容器典型模型

圖中ESR表示等效串聯(lián)電阻，它會降低超級電容器實(shí)際可用的有效儲能率，值較小；EPR[3]表示等效并聯(lián)電阻，它會產(chǎn)生靜態(tài)漏電流，在超級電容器處于靜止儲能狀態(tài)時會造成電能的損失，其值較大；C表示超級電容的電容量。

2 恒流充放電性能測試

恒流源作為一種穩(wěn)定的電源，他的輸出與外接負(fù)載無關(guān)。由于市場需求，恒流源在近幾年發(fā)展比較迅速，由原先的鎮(zhèn)流管發(fā)展到半導(dǎo)體集成電路。恒流充放電測試法是一種比較直觀準(zhǔn)確的超級電容器的測試方法，它測量的指標(biāo)主要有在充放電過程中，電容量與內(nèi)阻的變換規(guī)律。

2.1 充電電路

如圖2所示，恒流充電電路采用Buck電路的拓?fù)鋄4]，開關(guān)K采用功率開關(guān)管Mosfet，二極管采用快恢復(fù)型，通過實(shí)時采樣由電感輸出的電流值，與PWM波產(chǎn)生芯片SG3525的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出PWM波，再經(jīng)過芯片IR2110驅(qū)動并控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。通過仿真可得以下超級電容器恒流充電的圖形如圖3和圖4所示。

圖2 超級電容器傳統(tǒng)恒流充電電路原理圖

圖3 超級電容器恒流充電電流波形

圖4 超級電容器恒流充電電壓波形

2.2 放電電路

對于超級電容器恒流放電電路，其工作原理圖如圖5所示。

圖5 超級電容器恒流放電原理圖

超級電容器恒流放電電路，電流響應(yīng)波形與超級電容器端電壓波形如圖6和圖7所示。本文主要討論電容量與內(nèi)阻是不是會隨著充放電電流的變化而有所變化。

一般情況下，選定的測試電流值為0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

圖6 超級電容器恒流放電電流波形

圖7 超級電容器恒流放電電壓波形

3 電容量性能測試

超級電容器在不同放電電流作用下的電容量曲線如圖8所示。由圖可知，當(dāng)測試電流小于峰值電流時，超級電容器的電容量[5]基本保持不變，當(dāng)測試電流超過峰值電流的情況下，超級電容器的電容量迅速下降，這是因?yàn)楫?dāng)測試電流大于或者等于峰值電流的情況下，放電時間過短，放電電路電流還未達(dá)到穩(wěn)定。通過圖8看出，在實(shí)際應(yīng)用場合，可以認(rèn)為超級電容器的電容量是保持恒定的。

圖8 超級電容器在不同放電電流下電容值

4 超級電容器內(nèi)阻

本文采用階躍信號激勵測試超級電容器內(nèi)阻，如圖9，圖10所示。

圖9 超級電容內(nèi)阻測試階躍信號

圖10 超級電容階躍響應(yīng)

仿真超級電容器在上述不同測試電流階躍信號下[6]，計算內(nèi)阻的值，經(jīng)過擬合得到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 超級電容器放電電流

從圖中可以看出，當(dāng)有小電流作用時，超級電容器內(nèi)阻較將有較大變動幅度，在中等電流作用時，超級電容器內(nèi)阻變動幅度不大。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，超級電容器的電容量特性、內(nèi)阻特性有如結(jié)論：超級電容器的電容量在不同的充放電電流作用下，變幅很小，所以在實(shí)際應(yīng)用的場合，可看作定值。超級電容器在不同的充放電電流作用下，由于內(nèi)阻的存在，會使電壓產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的突變，尤其在小電流的作用下，內(nèi)阻對輸出電壓的影響是最大的。

參考文獻(xiàn)

[1] Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Freedom CAR ultracapacitor test manual [M]. USA： DOE/NE ID， 2004.

[2] SPYKER R L， NELMS R M. Classical equivalent circuit parameters for a double?layer capacitor [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2000， 36（2）： 829?836.

[3] CONWAY B E.電化學(xué)雙電層電容器：科學(xué)原理及技術(shù)應(yīng)用[M].陳艾，譯.化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4] 陳永真，李錦.電容器手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[5] 鄧隆陽，黃海燕，盧光蘭，等.超級電容性能試驗(yàn)與建模[J].車用發(fā)動機(jī)，2010（1）：28?32.

[6] 王國慶，林忠富，左偉忠.超大容量雙電層電容器主要技術(shù)參數(shù)的測試[J].電子元件與材料，2000，19（2）：15?16.

圖2 超級電容器傳統(tǒng)恒流充電電路原理圖

圖3 超級電容器恒流充電電流波形

圖4 超級電容器恒流充電電壓波形

2.2 放電電路

對于超級電容器恒流放電電路，其工作原理圖如圖5所示。

圖5 超級電容器恒流放電原理圖

超級電容器恒流放電電路，電流響應(yīng)波形與超級電容器端電壓波形如圖6和圖7所示。本文主要討論電容量與內(nèi)阻是不是會隨著充放電電流的變化而有所變化。

一般情況下，選定的測試電流值為0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

圖6 超級電容器恒流放電電流波形

圖7 超級電容器恒流放電電壓波形

3 電容量性能測試

超級電容器在不同放電電流作用下的電容量曲線如圖8所示。由圖可知，當(dāng)測試電流小于峰值電流時，超級電容器的電容量[5]基本保持不變，當(dāng)測試電流超過峰值電流的情況下，超級電容器的電容量迅速下降，這是因?yàn)楫?dāng)測試電流大于或者等于峰值電流的情況下，放電時間過短，放電電路電流還未達(dá)到穩(wěn)定。通過圖8看出，在實(shí)際應(yīng)用場合，可以認(rèn)為超級電容器的電容量是保持恒定的。

圖8 超級電容器在不同放電電流下電容值

4 超級電容器內(nèi)阻

本文采用階躍信號激勵測試超級電容器內(nèi)阻，如圖9，圖10所示。

圖9 超級電容內(nèi)阻測試階躍信號

圖10 超級電容階躍響應(yīng)

仿真超級電容器在上述不同測試電流階躍信號下[6]，計算內(nèi)阻的值，經(jīng)過擬合得到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 超級電容器放電電流

從圖中可以看出，當(dāng)有小電流作用時，超級電容器內(nèi)阻較將有較大變動幅度，在中等電流作用時，超級電容器內(nèi)阻變動幅度不大。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，超級電容器的電容量特性、內(nèi)阻特性有如結(jié)論：超級電容器的電容量在不同的充放電電流作用下，變幅很小，所以在實(shí)際應(yīng)用的場合，可看作定值。超級電容器在不同的充放電電流作用下，由于內(nèi)阻的存在，會使電壓產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的突變，尤其在小電流的作用下，內(nèi)阻對輸出電壓的影響是最大的。

參考文獻(xiàn)

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[6] 王國慶，林忠富，左偉忠.超大容量雙電層電容器主要技術(shù)參數(shù)的測試[J].電子元件與材料，2000，19（2）：15?16.

圖2 超級電容器傳統(tǒng)恒流充電電路原理圖

圖3 超級電容器恒流充電電流波形

圖4 超級電容器恒流充電電壓波形

2.2 放電電路

對于超級電容器恒流放電電路，其工作原理圖如圖5所示。

圖5 超級電容器恒流放電原理圖

超級電容器恒流放電電路，電流響應(yīng)波形與超級電容器端電壓波形如圖6和圖7所示。本文主要討論電容量與內(nèi)阻是不是會隨著充放電電流的變化而有所變化。

一般情況下，選定的測試電流值為0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

圖6 超級電容器恒流放電電流波形

圖7 超級電容器恒流放電電壓波形

3 電容量性能測試

超級電容器在不同放電電流作用下的電容量曲線如圖8所示。由圖可知，當(dāng)測試電流小于峰值電流時，超級電容器的電容量[5]基本保持不變，當(dāng)測試電流超過峰值電流的情況下，超級電容器的電容量迅速下降，這是因?yàn)楫?dāng)測試電流大于或者等于峰值電流的情況下，放電時間過短，放電電路電流還未達(dá)到穩(wěn)定。通過圖8看出，在實(shí)際應(yīng)用場合，可以認(rèn)為超級電容器的電容量是保持恒定的。

圖8 超級電容器在不同放電電流下電容值

4 超級電容器內(nèi)阻

本文采用階躍信號激勵測試超級電容器內(nèi)阻，如圖9，圖10所示。

圖9 超級電容內(nèi)阻測試階躍信號

圖10 超級電容階躍響應(yīng)

仿真超級電容器在上述不同測試電流階躍信號下[6]，計算內(nèi)阻的值，經(jīng)過擬合得到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 超級電容器放電電流

從圖中可以看出，當(dāng)有小電流作用時，超級電容器內(nèi)阻較將有較大變動幅度，在中等電流作用時，超級電容器內(nèi)阻變動幅度不大。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，超級電容器的電容量特性、內(nèi)阻特性有如結(jié)論：超級電容器的電容量在不同的充放電電流作用下，變幅很小，所以在實(shí)際應(yīng)用的場合，可看作定值。超級電容器在不同的充放電電流作用下，由于內(nèi)阻的存在，會使電壓產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的突變，尤其在小電流的作用下，內(nèi)阻對輸出電壓的影響是最大的。

參考文獻(xiàn)

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[2] SPYKER R L， NELMS R M. Classical equivalent circuit parameters for a double?layer capacitor [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2000， 36（2）： 829?836.

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[4] 陳永真，李錦.電容器手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[5] 鄧隆陽，黃海燕，盧光蘭，等.超級電容性能試驗(yàn)與建模[J].車用發(fā)動機(jī)，2010（1）：28?32.

[6] 王國慶，林忠富，左偉忠.超大容量雙電層電容器主要技術(shù)參數(shù)的測試[J].電子元件與材料，2000，19（2）：15?16.