電容器電容量及內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)研究

物理學(xué)家亥姆霍茲在物理學(xué)研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并提出了雙電層理論，以這一理論為鋪墊，全新的電容器概念被提出，與普通的電容器相比，全新的電容器附加了電池功能。但是其與電池相比不具備電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，電容器擁有可逆的儲(chǔ)能過(guò)程，意味著電容器可以進(jìn)行多次的充電與放電，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究其充放電次數(shù)高達(dá)十萬(wàn)，除了次數(shù)多之外，對(duì)環(huán)境友好、快速完成充電、較好的溫度特性以及使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)[1]。

正是由于以上的特點(diǎn)，其在實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)用的范圍較廣，在開(kāi)路電壓上電容器的常見(jiàn)電壓為2.7V，在數(shù)值上相對(duì)較低，為了保證加大的開(kāi)路電壓數(shù)值，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中常常串聯(lián)多個(gè)電容器使用，在考慮到能量存儲(chǔ)問(wèn)題時(shí)有需要將其并聯(lián)使用[2]。單體電容的內(nèi)阻與靜電容量等參數(shù)在串聯(lián)或者并聯(lián)的過(guò)程中在數(shù)值上并不相同，同時(shí)其器械兩端的電壓也會(huì)在大電流流經(jīng)時(shí)出現(xiàn)平衡失調(diào)的情況，進(jìn)而出現(xiàn)了電容器的過(guò)度充放電情況，長(zhǎng)久以往將對(duì)電容器造成損耗，影響使用時(shí)間，同時(shí)電路也會(huì)出現(xiàn)隱患問(wèn)題。因此在設(shè)備出廠時(shí)必要進(jìn)行測(cè)試參數(shù)的工作，主要測(cè)試的參數(shù)內(nèi)容是內(nèi)阻與靜電容量。

1 電容器的工作原理

正負(fù)兩極以及電解液與隔膜組成了電容器，在結(jié)果與設(shè)計(jì)原理上與普通電容器的差別并不顯著，電極材料的才是主要區(qū)別[3]。電容器實(shí)現(xiàn)工作的基本原理，主要依靠雙電層，也是電荷的存儲(chǔ)部位，雙電層的組成是建立在多孔電極與電解液的基礎(chǔ)上的，多孔電極主要是活性炭，擁有很大的表面積，在厚度上，雙電層通常不大于0.5mm。電容器在進(jìn)行充電的過(guò)程中，正負(fù)電荷分別被正負(fù)極材料所吸引搜集，由于電荷的積累，進(jìn)而觸發(fā)靜電，電解液的電子吸附于正負(fù)極正好相反，電極與離子上的電荷在大小相等但是正負(fù)符號(hào)相反，因此形成了雙電層，電勢(shì)差出現(xiàn)在正負(fù)極之間。外電源被切斷之后，電解液當(dāng)中離子濃度變小，但是依然保持中性狀態(tài)，說(shuō)明了雙電層繼續(xù)平衡存在的原因。從而實(shí)現(xiàn)了電能與靜電能之間的轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)靜電能。

放電的過(guò)程與充電的過(guò)程是相反的，放電時(shí)電勢(shì)差存在于正負(fù)兩個(gè)電極之間，充電過(guò)程中存儲(chǔ)的靜電能依靠負(fù)載電阻轉(zhuǎn)化為電能，電解液中的離子濃度加大。但容器儲(chǔ)存能量過(guò)程中是物理反應(yīng)，具有一定的安全性。

2 電容器測(cè)試技術(shù)研究

2.1 測(cè)量參考標(biāo)準(zhǔn)

2006年提出的《IEC62391電氣設(shè)備用固定式雙層電容器》這一標(biāo)準(zhǔn)是電容器測(cè)量工作中被各大實(shí)驗(yàn)室普遍采用的，此標(biāo)準(zhǔn)的修訂時(shí)間是2015年，對(duì)電容量計(jì)算方法進(jìn)行了增補(bǔ)，添加了建立在能量變化之上的計(jì)算方法，這一標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍局限在中小容量電容器[4]。

目前主要有恒流放電法和時(shí)間常數(shù)法用于測(cè)試IEC靜電容量。前者方法：對(duì)電容的充電電流為直流，當(dāng)達(dá)到額定電壓的數(shù)值之后，再充電半個(gè)小時(shí)，此時(shí)采用恒壓而后恒流的方式進(jìn)行電容放電操作，對(duì)電容的端電壓進(jìn)行測(cè)量，靜電容量值的計(jì)算根據(jù)端電壓從80%降至40%額定電壓過(guò)程的用時(shí)；后者方法：通過(guò)將電阻以串聯(lián)的形式接入充電回路對(duì)電阻的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持在1min～2min 內(nèi)將電壓從0升至63.2%的額定電壓，靜定容量可以根據(jù)實(shí)際所需時(shí)間確定。直流與交流是針對(duì)電容內(nèi)阻的方法，直流方法：對(duì)電容器進(jìn)行充點(diǎn)，以達(dá)到額定電壓，放電過(guò)程使用的電流為直流大電流，測(cè)量并記錄電壓在放電瞬間的突變，從而將內(nèi)阻數(shù)值計(jì)算得出。交流方法測(cè)量?jī)?nèi)阻在原理上與蓄電池、鋰電池相同，都使用到1kHz的交流信號(hào)。

我國(guó)于2006年發(fā)布了《QCT741車(chē)用電容器》，主要適用于國(guó)內(nèi)的汽車(chē)行業(yè)，此標(biāo)準(zhǔn)在2014年進(jìn)行了修訂補(bǔ)充，這一標(biāo)準(zhǔn)中提出的方法與恒流放電法的差異不大，但是我國(guó)頒布的這一標(biāo)準(zhǔn)是偏向于大靜電容量與大電流，被我國(guó)汽車(chē)技術(shù)中心與實(shí)驗(yàn)室普遍采用。

2.2 國(guó)內(nèi)外電容器測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

電容器測(cè)試工作已經(jīng)相對(duì)成熟，國(guó)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，R.L.Spyker、R.M.Nelms 等學(xué)者在測(cè)量靜電容量的研究中依托了恒流放電法，并結(jié)合多支路等效電路模型與電容器經(jīng)典模型。此外意大利研究人員在測(cè)量靜電容量的過(guò)程中也建立并使用了“兩支路模型”，研究結(jié)果顯示其誤差結(jié)果不大于4%[5]。

加利福尼亞大學(xué)研究了電容器相關(guān)參數(shù)的測(cè)量工作，研究結(jié)果標(biāo)明，電容器的電壓與經(jīng)典容量之間存在關(guān)聯(lián)，在測(cè)量靜電容量時(shí)使用的方法是恒流與恒功率放電法，結(jié)果的確定度在數(shù)值上不大于10%，兩種方法在對(duì)450F的標(biāo)稱值電容測(cè)量工作中，前者的誤差是1.5%量級(jí)，后者是9.6%；兩種方法在對(duì)3000F的標(biāo)稱值電容測(cè)量工作中，前者的誤差是1.1%量級(jí)，后者是11%。

我國(guó)雖然研究電容器的時(shí)間很短，但是在研究過(guò)程中取得的進(jìn)展卻是突破性的。當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)當(dāng)中已經(jīng)擁有大量可以進(jìn)行電容檢測(cè)的儀器，其測(cè)量范圍幾乎涵蓋了電容器的每一個(gè)參數(shù)，國(guó)內(nèi)一些設(shè)備雖然擁有相對(duì)齊全的測(cè)量功能，但是在結(jié)果的準(zhǔn)確性上往往很難保障，并且具有較差的穩(wěn)定性，與先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器之間存在一定程度的距離[6]。

我國(guó)已經(jīng)有大量科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究電容器材料、工藝制作流程的工作。目前國(guó)內(nèi)較為推崇的參數(shù)測(cè)量方法是恒流放電法，依托IEC 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于在確定區(qū)間之間的等效電容測(cè)量上能發(fā)揮較大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容是測(cè)試電容動(dòng)態(tài)變化特性。于鵬等學(xué)者將電容值測(cè)量的數(shù)學(xué)方程組依托電荷與能量關(guān)系式推導(dǎo)得出，在測(cè)量技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)測(cè)量到動(dòng)態(tài)測(cè)量的突破。李忠等學(xué)者對(duì)充電兩個(gè)階段過(guò)程的試驗(yàn)與時(shí)間序列進(jìn)行研究，在數(shù)定量的數(shù)學(xué)關(guān)系上確定了時(shí)間電容量與充電電流之間的擬合關(guān)系。