一種電梯超級電容試驗裝置的設計與實現*

王 葵，林進展，代清友

（廣東省特種設備檢測研究院，廣州 528251）

0 引言

隨著我國城市化水平的提升，高樓大廈如雨后春筍般拔地而起，作為高樓非常重要的垂直交通工具，電梯的數量也在飛速的增長。電梯在給人們出行帶來巨大便利的同時，其造成的能耗對社會發展也造成了一定的負面影響。

最常用的曳引式電梯有轎廂和對重，兩者通過鋼絲繩連接，通過曳引輪的旋轉實現兩者的上下往復運動。由于對重比空載的轎廂重，在運行時，在啟動加速、重載上行和輕載下行階段處于耗電狀態，在減速制動、重載下行和輕載上行階段處于發電狀態。在未安裝相應節能裝置的情況下，電梯發電狀態的電能會被制動電阻或者其他方式消耗掉。這不僅增加了電能的浪費，而且消耗掉的電能變成熱量，造成機房內溫度的升高，影響電梯的使用環境[1]。

超級電容相比于其他儲能單元，具有循環壽命長、功率密度大、充放電速度快和效率高的優點[2-5]。超級電容和電梯變頻器直流母線連接。當電梯處于發電狀態，直流母線的電壓超過超級電容的啟動電壓時，超級電容開始充電，儲存電梯所發的電能。當電梯處于耗電狀態時，超級電容處于放電狀態，為電梯運行提供電能。部分超級電容還可以在停電狀態為電梯提供應急電源[6-12]。

超級電容在電梯節能中發揮著越來越重要的作用，然而國內并未發布電梯超級電容相關產品標準，沒有專門的試驗裝置和試驗方法，這也影響了超級電容的大規模應用。針對以上問題，本文開發了一種電梯超級電容試驗裝置，在試驗室可以完成超級的所有試驗項目，促進電梯超級電容技術的發展。

1 裝置的結構

儀器結構如圖1 所示，試驗裝置包括上位機、采集卡、直流電子負載、直流電源、接觸器、電信號采集模塊。直流電源采用可編程直流電源，通過RS232 通信方式和上位機連接通信，可以輸出電壓、電流和功率可變的直流電。直流電子負載采用可編程直流電子負載，通過RS232 通信方式和上位機連接通信，可以控制輸入的電壓、電流和功率。采集卡通過USB 和上位機連接，具有豐富的I∕O 口和模擬輸入口。采集卡和電信號采集模塊、接觸器連接，實現充放電電路電信號的采集和通斷控制。

圖1 裝置結構原理

如圖2 所示，霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器分別連接到采集卡的兩個模擬輸入口，采集充放電電路中的電壓和電流信號，通過采集卡處理后傳輸到上位機，上位機對數據進一步處理，從而實現超級電容相關參數的測量。

圖2 電信號采集模塊

如圖3 所示，接觸器電路的一端和220 V 的電源連接，一端和光耦輸出端的一端連接。光耦輸出端的另一端和電源連接，從而電源、接觸器和光耦的輸出端形成電回路。光耦輸入端的一端和采集卡的I∕O 口連接，另一端通過一個電阻和采集卡的地端口連接，從而采集卡和光輸入端、電阻形成另一個電回路。

圖3 接觸器電路

開啟電源，當采集卡I∕O 口的輸出為高電平時，光耦輸入端電路導通，光耦的輸出端電路同時導通，接觸器處于吸合狀態。接觸器吸合后，接觸器控制的充放電電路也導通，被測超級電容開始充放電。當采集卡I∕O口的輸出為低電平時，光耦輸入端電路斷開，光耦的輸出端電路同時斷開，接觸器處于釋放狀態。接觸器釋放后，接觸器控制的充放電電路斷開，被測超級電容停止充放電。

2 儀器檢測原理

2.1 性能指標的檢測

2.1.1 充放電效率

超級電容充放電的效率通過下式計算得到：

式中：η為超級電容充放電效率；Eout為超級容器放出的能量；Ein為超級容器充入的能量。

啟動試驗裝置，首先接通放電電路，斷開充電電路，采用恒流放電方式將超級電容的電能全部放掉。然后接通充電電路，斷開放電電路，超級電容充滿后，接通放電電路，斷開充電電路，采用恒流放電方式將超級電容的電能全部放掉。采用電信號采集模塊記錄超級電容充放電過程中的電壓和電流，通過計算得到充電過程中的能量和放電過程中的能量，最終得到超級電容的充放電效率。

2.1.2 容量

超級電容容量通過下式計算得到：

式中：C為超級電容的容量；i為充放電電流；t為充放電時間；Umax為試驗最高電壓；Umin為試驗最低電壓。

首先，對超級電容進行放電，使其電壓達到試驗最低電壓Umin，然后以電流值i進行恒電流充電。當超級電容電壓達到Umax時，停止充電10 s。然后再以電流值i進行恒電流放電，直到超級電容電壓達到Umin時，停止放電10 s。完成以上5個充放電循環，讀取后面3次充放電循環的數據。通過計算每一次充電或者放電過程中的超級電容容量值，進一步得到平均值，即為超級電容的容量。

2.1.3 能量密度

質量能量密度通過下式計算得到：

式中：ρM為超級電容的質量能量密度；Emax為超級電容最大儲存能量；M為電容器的質量。

體積能量密度通過下式計算得到：

式中：ρM為超級電容的體積能量密度；Emax為超級電容最大儲存能量；V為超級電容的體積。

在進行充放電效率試驗中，測得的Eout即為超級電容的最大儲存能量Emax，通過查找超級電容的參數，得到超級電容的質量和體積數據，計算得到超級電容的能量密度。

2.2 性能功能

啟動試驗裝置，被測超級電容正常工作，通過模擬相應的工況和故障狀態，測試超級電容的性能。

（1）循環壽命

通過模擬超級電容在電梯運行中的不同溫度、不同充電狀態及其他壓力條件的工況下，對超級電容進行長期往復的充放電試驗，測試超級電容的性能變化。

（2）溫度特性

將超級電容置于溫度試驗箱內，在不同的溫度下試驗超級電容的穩定性。.

（3）短路保護

將超級電容進行短路，然后開啟試驗裝置，觀察超級電容是否停止工作，并且不損壞。

（4）斷路保護

將超級電容進行短斷路，然后開啟試驗裝置，觀察超級電容是否停止工作，并且不損壞。

3 測量儀器技術方案

在進行電梯超級電容進行充電時，需要向超級電容提供恒壓、恒流、恒功率或者模擬電梯運行過程中變頻器直流母線變化的直流電源裝置，用以完成超級電容充電過程中相關參數和性能的檢測。

通過對市場上裝配超級電容的電梯進行調研，考慮到超高速和超大載重的電梯銷量比較少，市場上裝配超級電容的電梯的功率一般不超過20 kW。本文設計的超級電容試驗裝置安裝在實驗室內，考慮試驗室的供電容量，試驗的超級電容的最大功率設定為20 kW。

如圖4 所示，直流電源采用艾德克斯電子公司的型號為IT6036D-1500-80 型大功率可編程直流電子負載。最大功率達到36 kW，額定電壓為1 500 V，額定電流為80 A，電壓分辨率達到0.1 V，電流分辨率達到0.01 A，內置RS232接口。

圖4 可編程直流電源

在進行超級電容充電的試驗過程中，根據試驗要求，設置恒壓、恒流或者恒功率充電模式，設定試驗要求的電壓、電流和功率參數。試驗開始后，直流電源輸出的電能逐步達到試驗要求的參數。當輸出電能充電電壓達到超級電容的啟動電壓后，超級電容開始啟動，直到達到設定的參數后，超級電容進行試驗要求的充電過程。

直流電子負載用于電梯超級電容的放電過程，通過恒流、恒功率或者模擬電梯運行過程中發電工況等模式消耗超級電容儲存的電能，用以完成超級電容放電過程中相關參數和性能的檢測。

如圖5 所示，直流電源采用艾德克斯電子公司的型號為IT8924A-1200-960 型大功率可編程直流電源。最大功率達到24 kW，最大電壓為1 200 V，最大電流為960 A，電壓分辨率達到1 mV，電流分辨率達到1 mA，內置RS232接口。

圖5 可編程直流電子負載

在進行超級電容放電試驗中，根據試驗要求，設置恒壓、恒流或者恒功率放電模式，設定試驗要求的電壓、電流和功率參數。試驗開始后，超級電容按照直流電子負載設置的參數進行放電，直到試驗結束。

采集卡采集2 路霍爾電壓傳感器和2 路霍爾傳感器的電壓模擬信號，并且通過控制接觸器電路的通斷實現超級電容充放電電路的通斷。這就需要采集卡具有多路模擬輸入通道和數字I∕O 通道，能夠通過常用的通信接口和上位機進行通信。

如圖6 所示，采集卡采用NI公司的型號為NI USB-6001 型數據采集卡。該型號采集卡擁有8通道14位模擬輸入通道，并可作為4 位差分輸入；其采樣頻率達到20 kS∕s，保 證 了 在 超 級電容充放電過程中能夠準確地采集電路中各電信號模擬量。采集卡還有13 雙向I∕O 通道，能夠輸出數字信號，控制測試電路中接觸器動作。采集卡通過USB 接口形式和上位機通信，通用性強。

圖6 采集卡

作為NI 公司的數據采集卡，NI USB-6001 型數據采集卡可以與該公司的LabVIEW 編程軟件完美兼容，輕松上手。

從分析可以看出，NI USB-6001 型數據采集卡能夠勝任本裝置對充放電電路電信號數據的采集任務，能夠控制接觸器電路的通斷，從而實現對接觸器動作的控制。

超接電容的充放電電路都是直流電，同時考慮到安裝的方便，故采用霍爾電流傳感器。測試過程中，將被測的導線直接穿過霍爾傳感器。如圖7 所示，霍爾電流傳感器采用上海某公司的型號為FXBY35 的霍爾電流傳感器。該傳感器電流量程達到0～1 000 A，輸出信號為模擬電壓0～10 V。

圖7 霍爾電流傳感器

超級電容充放電電路的電壓較高，通過采用霍爾電壓傳感器，將較高的電壓轉化為較低電壓的模擬信號，便于采集卡讀取。如圖8 所示，霍爾電壓傳感器采用德昌電氣有限公司的型號為MTVA601的電壓傳感器，可測電壓范圍達到0～15 000 V，輸出±5 V模擬信號。測試過程中，將霍爾電壓傳感器串聯到被測電路中。

圖8 霍爾電壓傳感器

綜上所述，本裝置可完成額定功率為20 kW 的超級電容的試驗，基本滿足市場上常規超級電容的試驗要求。

4 結束語

（1）該試驗裝置可以在實驗室內完成電梯超級電容的相關試驗項目，無需安裝到現場電梯上進行試驗，簡化了試驗流程，降低了試驗成本。

（2）該試驗裝置模擬電梯超級電容的運行工況，完成超級電容相關性能指標的試驗，可以提高超級電容試驗質量。

（3）該試驗裝置的研發可以對電梯超級電容的性能指標進行更深入地試驗研究，對促進電梯超級電容產品技術和檢測技術發展都具有十分重要的意義。

（4）該試驗裝置結構原理簡單，界面操作友好，便于產品的進一步市場推廣。

（5）該試驗平提高了電梯行業的科技和裝備水平，對提升電梯節能水平、促進我國低碳環保社會的建設具有積極的推動作用。