電容器電容量的測量裝置及測量試驗研究

云南電網有限責任公司昆明供電局 楊文鏹 張 慶 楊 敏 張國志 王朝宇

在家用電器上都存在電容器的身影，而全球大力發展的新能源汽車核心技術也涉及到電容器領域，其最大缺陷就是續航和動力問題，從基礎物理知識可知，并聯電路中電壓相同，要增加電壓可將電容器串聯，而將電容器并聯可以解決續航問題[1]。在設計過程中多采用串聯并聯相結合的方式也引發了許多問題，因為無法保證電路中每個電容器地參數完全相同，在局部就有電容器被損壞，進而對整個閉合回路造成影響。由此，為了提高經濟效益和使用安全，準確對電容器各項參數進行評估就顯得尤為重要，其中以靜電容量最具代表性。

1 測量裝置簡介

電容器充放電測量裝置由直流充電電源KIKUSUI PBZ20-20、多個直流分流器、直流電子負載KIKUSUI PLZ164WA、交流內阻模擬器、數字采樣表Agilent 34411A、電容內阻測量電路以及一些相關部件組成（圖1）[2]，在充電回路中采用直流充電電源PBZ20-20作為電源，分流器RS1測量直流電流，放電回路中相關元件，直流電子負載PLZ164WA，分流器RS2測量放電回路中直流電流，S1、S2分別測量RS2電容兩端的直流電壓，項目中采用六位半數字多用表34411A[3]。

當采用恒電阻放電法測量電容靜電容量時，用S1測量電容器兩端的電壓，S2測量分流器RS2兩端的電壓，電子負載PLZ164WA調為恒阻模式；當采用恒流放電法測量靜電容量時，S1、S2的連接方式與上面保持一致，電子負載PLZ164WA調為恒流模式；當采用恒流充電法測量時，S2測量分流器RS1兩端的電壓。電容內阻的具體值可采用直流法測量，該方法可結合恒流放電法測量靜電容量的電路開展,還可以采用交流法進行測量。PBZ20-20程控電源作為實驗電源，采樣器為NI USB-6352數據采集卡，在測量交流電容和電阻R上的電壓采取兩個通道同時進行的方法，這樣可以減少交流電源帶來的誤差。

2 測量驗證試驗

通過已知電容的相關參數，然后設計實驗進行驗證，以此確保測量裝置的可使用性和精準性[4]。

2.1 電壓電流采樣測量

為確保裝置中測量電壓部分精確，通過標準電壓源輸出直流電壓信號，裝置中測量電壓的部分對電壓信號進行收集。此次實驗中采樣器模數轉換器積分時間設置0.004s，則電壓測量結果如表1，可以看出裝置對于電壓的測定還是相當精確的，在60V量程范圍內測量值與標準值的誤差控制在±0.02%以內，該測量精度能夠達到計劃要求。

測量電壓裝置的不確定度評定以2V電壓為基礎開展實驗。反復測量10次，然后對實驗結果采用標準偏差法得到A類測量不確定度為0.00002V；采樣器量程為10V，根據37711A使用手冊，測量2V電壓時的準確度為±0.00011V，則相應的B類不確定度分量為0.00007V；根據測量裝置使用手冊，采樣器每隔0.7s進行一次數據處理，外界噪聲干擾為±0.00002V，造成的測量不確定度為0.00002V。所以合成標準不確定度為0.0001V，相對擴展不確定度為0.01%（K=2）。測量裝置中直流分流器的作用是測定閉合回路直流電流的大小。

表1 電壓采樣測量驗證

表2 電流測量用分流器技術參數

采用標準電流源提供實驗直流電流，測量裝置對電流數據進行收集。在此次實驗中，采樣器模數轉換器積分時間設置為0.007s（表3），可以看出在0～50A的實驗區間內，測量電流裝置的準確度均優于±0.1%。

表3 電流采樣測量驗證

測量電流裝置的不確定度評定以1A電流為基礎開展實驗。反復測量10次，然后對實驗結果采用標準偏差法得到A類測量不確定度為0.00006A；采樣器量程為100mV，根據37711A使用手冊，測量分流器電壓裝置的準確度為±0.005mV，則相應的B類不確定度分量為0.00003A；根據實驗裝置實驗手冊，采樣器每隔0.7s進行一次數據處理，外界噪聲干擾為±0.0002mV，引起的測量不確定度為0.00001V；分流器準確度為±0.01%，造成的相對不確定度分量為0.008%。所以合成標準相對不確定度為0.01%，相對擴展不確定度為0.02%（K=2）。電容器充放電過程較慢時，采樣器的采樣周期可以適當增大，與此同時采樣數據處理器的處理周期也要適當增大，這樣得到的結果精確性更高。

2.2 靜電容量測量方法比較

本文對1F～100F電容靜電容量采取了多種方法進行測量，其中包括恒流放電法、恒流充電法和恒電阻放電法，其中在恒流充電法與恒流放電法測量時，控制兩者中的電流相同。結果見表4～表7。

表4 Maxwell 1F電容器靜電容量

表5 Panasonic 10F電容器靜電容量

在額定電壓70%至額定電壓80%電壓區間內被測電容的線性關系比較明顯，因此可采用直線近似法、三次多項式擬合法、線性擬合法、電量積分法以及能量積分法得到的計算結果更為準確，能量積分法在本文的相關計算過程中運用的最多。將采用能量積分法得到的結果進一步計算，發現這幾種測量方法中等效容量的誤差最大值分別為1.0%，1.3%，2.3%，2.0%，1.9%，2.0%，選取Nesscap 50F電容器靜電容量采用En值判斷法對結果進行

表6 Nesscap 50F電容器靜電容量

表7 Maxwell 100F電容器靜電容量

表8 三種方法測量靜電容量一致性核查

在此驗證，再結合前面測量的不確定度，通過計算得到表8結果。

根據En值判斷法的實際意義，|En|<1則表示測量結果誤差較小、可信度高。電容器靜電容量大小與標準大小相差在-20%～80%，且電容器電容量具有許多不可控的因素，通過分析以上結果判定三種測量方法得到的結果是一致的。