超級(jí)電容器基礎(chǔ)知識(shí)概述

新型能源是當(dāng)下的熱門(mén)研究領(lǐng)域，而超級(jí)電容作為介于電容器和電池之間的一種新型儲(chǔ)能器件，它既有電容器可以快速充放電的特點(diǎn)，又有電池的儲(chǔ)能機(jī)理。

超級(jí)電容器早期有兩個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，第一個(gè)是當(dāng)主能源能量不足時(shí)，充當(dāng)臨時(shí)備用電源和短時(shí)間供電的應(yīng)急電源。比如：主電源和備用電源切換時(shí)的續(xù)電（基站及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，通訊等行業(yè)）；在快充快放環(huán)境是替代一些蓄電池和動(dòng)力電池（電動(dòng)工具行業(yè)，電動(dòng)大巴等）。第二個(gè)主要用途就是充當(dāng)峰值功率電源。在這些應(yīng)用中，超級(jí)電容器為系統(tǒng)單獨(dú)提供所需的峰值功率電源或與電池一起在連續(xù)工作時(shí)提供穩(wěn)流低功率電源，而在峰值負(fù)載時(shí)提供一個(gè)高功率脈沖。在這里，超級(jí)電容器減弱了用電器對(duì)電池提供峰值功率的要求，這樣就可以大大延長(zhǎng)電池的壽命，并減小了電池的整體尺寸。近年來(lái)，超級(jí)電容器展現(xiàn)出更為廣泛的應(yīng)用前景，特別是在發(fā)展混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。超級(jí)電容器與電池聯(lián)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(zhǎng)了電池的壽命。

超級(jí)電容，又叫雙電層電容器或法拉第準(zhǔn)電容器，他們可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

超級(jí)電容的“超級(jí)”在于其功率密度高，可達(dá)鋰電池的2~30倍；充放電時(shí)間短，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；循環(huán)壽命長(zhǎng)，深度充放電可循環(huán)使用達(dá)數(shù)十萬(wàn)次；工作溫度范圍寬；充放電線路簡(jiǎn)單；失效開(kāi)路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠等，是兼?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦缘男滦驮??？梢詰?yīng)用在混合動(dòng)力汽車、移動(dòng)設(shè)備電源、太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池等發(fā)電的儲(chǔ)存、緊急照明系統(tǒng)以及大功率電脈沖設(shè)備等。

那么如何測(cè)量超級(jí)電容的參數(shù)？我們以實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)合計(jì)算的方法，簡(jiǎn)單介紹一下。

容量測(cè)量：

如下圖測(cè)試電路，核心是用一個(gè)具有恒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(guò)一個(gè)數(shù)字示波器進(jìn)行記錄。通過(guò)示波器的光標(biāo)，可以很方便地讀出電壓從1.5V上升到2.5V所用的時(shí)間，基本的計(jì)算公式如下：i=C（△V/△t）公式變換為：C= i（△t/△V）。充電電流設(shè)定為1A，電壓變化范圍△V=2.5V-1.5V-1V 那么C=△t，在這個(gè)示例中，超級(jí)電容的容量在數(shù)字上與電容從1.5V充電到2.5V的時(shí)間相等。時(shí)間單位為秒。由于超級(jí)電容結(jié)構(gòu)的特殊性，電容在測(cè)試前必須進(jìn)行完全的放電。

流入電流測(cè)量：

由于超級(jí)電容表現(xiàn)出明顯的非傳導(dǎo)性介質(zhì)特性，所以測(cè)量實(shí)際的自放電或者自漏電數(shù)值是比較困難的。當(dāng)一只超級(jí)電容被充電至工作電壓的過(guò)程中，流入電流是很大的，并且逐步變小。此時(shí)流入電流是介質(zhì)吸收電流與電容漏電流之和。介質(zhì)吸收電流是作為能量?jī)?chǔ)存，但深度存儲(chǔ)需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，電容的流入電流與時(shí)間是對(duì)數(shù)關(guān)系，具體如下表所示。

只有當(dāng)介質(zhì)吸收電流為0時(shí)，此時(shí)的流入電流才是漏電電流，這大概需要連續(xù)充電100個(gè)小時(shí)才能達(dá)到，此時(shí)漏電流大概為幾微安。在這個(gè)點(diǎn)以后，為了繼續(xù)測(cè)量流入電流，需要使用一只準(zhǔn)確的微伏表與一只比較大的電阻，數(shù)值參看上圖。

直流阻抗與交流阻抗測(cè)量：

串聯(lián)等效阻抗或者交流阻抗可以通過(guò)LCR電橋在1kHz下進(jìn)行測(cè)量。這種方法測(cè)量的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。另外一種方法是測(cè)量所謂的直流阻抗，可以用同一種儀器，但這種方法測(cè)量的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，誤差比較大。

下圖是用電容容量測(cè)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(dāng)用1A的電流進(jìn)行充電時(shí)，瞬間發(fā)生的電壓階躍可以被用來(lái)計(jì)算交流內(nèi)阻，直流內(nèi)阻或者DC阻抗等于階躍電壓值除以1A的電流，對(duì)于內(nèi)阻很低的電容，可以用更大的電流進(jìn)行測(cè)量。

在這個(gè)示例中，內(nèi)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(dāng)然，要更深入的了解超級(jí)電容的性能，還必須配合一些高精度的電源、電子負(fù)載甚至一些智能化的測(cè)試系統(tǒng)做進(jìn)一步的測(cè)試。例如，艾德克斯ITS5300電池測(cè)試系統(tǒng)集成了電源、電子負(fù)載、內(nèi)阻分析儀、溫度測(cè)試儀、雙極性電源及專業(yè)的分析軟件，可以自動(dòng)完成單節(jié)超級(jí)電容的充放電循環(huán)測(cè)試、超級(jí)電容PACK的充放電循環(huán)測(cè)試、IT5102多通道在線內(nèi)阻分析儀采用500Hz或1KHz的交流小信號(hào)可以測(cè)量電容內(nèi)阻（ESR，等效串聯(lián)電阻）以及多節(jié)電容一致性的測(cè)試及篩選、結(jié)合IT5601溫度測(cè)試儀，PACK測(cè)試時(shí)單節(jié)的電壓、內(nèi)阻和溫度的一致性測(cè)試等也可以輕松完成。

艾德克斯ITECH是專業(yè)生產(chǎn)電源及電子負(fù)載的廠家，始終致力于最新最前沿的測(cè)試測(cè)量解決方案的研究。歡迎關(guān)注更多測(cè)試測(cè)量動(dòng)態(tài)。