由于制造工艺水平、材料等不同

 电容器新闻     |      2019-05-01 06:14

  :为研究超级电容器的电气原理,构建一种符合其工作特性的精确电路模型。需对超级电容的部分动态行为参数进行测试与辨识,一种在蓄电池和超级电容组成的混合储能实验装置下,基于直流内阻法、恒压漏电法以及动态充电法对超级电容器的内阻、漏电流和容量等参数进行测量的方法。实验结果表明,各参数与理论值匹配度较高,可为超级电容器的动态特性和状态评估提供数据支撑。

  作者/ 曾进辉 段斌 刘秋宏 蔡希晨 吴费祥 赵盼瑶 湖南工业大学 电气与信息工程学院(湖南 株洲 412000)

  摘要:为研究超级电容器的电气原理,构建一种符合其工作特性的精确电路模型。需对超级电容的部分动态行为参数进行测试与辨识,一种在蓄电池和超级电容组成的混合储能实验装置下,基于直流内阻法、恒压漏电法以及动态充电法对超级电容器的内阻、漏电流容量等参数进行测量的方法。实验结果表明,各参数与理论值匹配度较高,可为超级电容器的动态特性和状态评估提供数据支撑。

  随着电力电子技术的发展,越来越多的新能源发电被接纳入电网中,由于分布式发电的随机性、间歇性等特点,使得电力系统无法更好的削峰填谷[1-2];在这样的大背景下,电力储能技术的研究和发展应运而生。蓄电池作为当前主要电力储能装置,其缺点非常明显:如储能容量较小、启动较慢、电量衰减较为严重[3-4]。而超级电容器因为具有可快速充放电、循环寿命长、绿色环保、功率密度高、可逆性好、工作温度范围宽、具有良好的低温使用性能和安全性等优点,世界各国学者都开展了广泛的研究[5]。超级电容器的综合性能更是远远优于充电电池和普通电容器,能很好地适用于备用电源系统,并已在交通、电力、工业生成等领域得到了广泛的应用。超级电容器作为一种新型的绿色储能元件,随着其制造成本的降低和能量密度的提高,在储能领域具有巨大的发展潜力。

  目前超级电容器正是发展前景良好的电力储能元件,市场上已有多家超级电容器生产厂家[6];由于制造工艺水平、材料等不同,成品的性能存在一定差异,通过测试可更好掌握其充放电特性并准确使用。所以,对超级电容器参数的准确的测量并在电力储能方面进行应用有着非常重要的意义[7-8]。本文将对超级电容器的内阻、漏电流容量的测试方法进行研究,为评价超级电容器的性能提供数据支持,使其更好的应用于电力储能领域,同时为超级电容器的测试提供参考方案[9]。

  超级电容器既具有普通电容器的充放电速度快的特性,同时又拥有充电电池储能容量大的特性,是介于普通电容器和充电电池之间的一种新型储能器件。故在超级电容器参数测试中将普通电容器与充电电池测试方法相结合,设计出适合超级电容器参数测试的方案。

  实验中所采用的超级电容器48V/165F模块,质量为13.70kg,工作温度要求在-40 ℃~65 ℃之间。常应用于混合动力汽车、轨道交通、重型工业设备、UPS系统等,对工作环境温度没有较高要求,故测试温度在20℃~35℃之间,更能反映超级电容器在实际工作环境下的参数情况。

  超级电容器充电电源采用迈盛直流稳压电源MS-605D,由220 V/50 Hz交流电供电,输出电压为0-60 V,输出电流为0-5 A。放电设备为BTC放电仪,0-60 V输入,0-10 A恒流放电。示波器采用固伟 GDS-2102 A示波器。

  通过超级电容器充放电测试来观测电路中的电压电流变化进行相关参数计算,尤其基本测试原理得出系统电路模型如图1所示。系统模型主要分为电源、放电仪、示波器和超级电容器四部分组成,通过电源和放电仪对超级电容器充放电的同时观察示波器所显示的电压变化情况计算得到超级电容器的内阻、漏电流、容量等参数。

  为实现超级电容器可控制放电条件,使用BCT系列放电仪对超级电容器进行放电,放电仪电路模型如图2所示。其基本原理是将超级电容器接入BCT放电仪放电输入端口,对超级电容器放电过程的电压电流进行实时检测,并将检测值发送给驱动电流对放电过程进行实施控制,其放电产生能量由放电电阻消耗。

  由于超级电容器有内阻的存在,而电流通过阻性元件时会产生一定的能量消耗。使用一固定大小的电流给超级电容器充电和放电,超级电容器由于内阻的存在会使得电压发生波动,最终达到稳定状态,可以通过这个波动的电压值来检测超级电容器的内阻大小,其充放电电压波动模型如图3。

  1)将示波器接入超级电容器两端,并调试好示波器相应参数便于观察电压变化情况;

  3)重复步骤2)操作5次,在表一中记录相应的数据,分析并计算出超级电容器的充电情况下的内阻;

  4)将超级电容器以初始电流为I=3 A放电至某一电压,然后迅速停止放电,记录此时电流I和电压停止瞬间值,观察示波器波形变化,记录在停止放电后的电压变化至稳定状态的电压值

  5)重复步骤(4)操作5次并在表二中记录相应的数据,分析并计算出超级电容器的放电情况下的内阻;

  6)计算超级电容器充电停止瞬间到相对稳定状态的电压变化大小Δμ1,和放电停止瞬间到相对稳定状态的电压变化大小Δμ2。由于这两段时间内电流从I变为0,故近似认为电压发生变化时间内的电流的平均大小为I/2,由此可计算出:

  根据已有的实验条件,可以测出超级电容器48V/165F模块内阻在0.2~0.4 Ω之间,其可提供的最大输出电流在120~240 A。由此充分展示出超级电容器可提供大电流输出的特性,在平抑短时尖峰负荷上具有较好的效果。

  2)将BCT放电仪的放电电流设定为5 A,截止电压设定为3 V,然后将放电仪接上超级电容器,打开空气开关,超级电容器开始放电,直至BCT放电仪提示放电到截止电压,关闭空气开关,断开BCT放电仪,再使用粗导线将超级电容器两端直接短路,使之完全放电;

  3)调试电源:先将电流粗调和电流细条旋钮顺时针调至最大,再调节电压粗调旋钮和电压细调旋钮将电压值设定为48 V,然后将电源接入超级电容器,打开空气开关,给超级电容器充电,由于电源的最大电流只有5.06 A,故前期处于恒流充电状态,直至48 V,然后电源自动转变为恒压浮充,在恒压浮充阶段,电流处于一个下降趋势变化,最终电流值趋于稳定,此时电源上显示的电流大小即为超级电容器在48 V电压状态下的漏电流大小。

  4)从超级电容器充电至48 V转为恒压浮充后,每隔10 min记录一次对应时刻的漏电流大小。

  由于目前国内缺乏超级电容器检测评价标准,但根据国家电容漏电流标准K=0.03相比,超级电容器具有极小的漏电流。

  (1)超级电容器放电:使用BCT放电仪将超级电容器电压释放到3 V之后,使用放电导线进行将超级电容器完全放电。

  (2)调试直流电源:先将电流粗调和电流细调旋钮顺时针调至最大,再调节电压粗调旋钮和电压细调旋钮将电压值设定为48.0 V。

  (3)超级电容器充电:将调试好的直流电源接入超级电容器充放电端口,启动开关,超级电容器充电。

  (4)数据记录:每隔一分钟通过电源显示器观察一次此时的电流大小,记录相应数据并绘制超级电容器充电电流变化曲线所示。

  可计算出该超级电容器的容量为8584.2 C.即一个ma超级电容器48 V模块若以额定工作电流(100 A)的情况下充电仅需86 s即可充满,而以1A的电流则可以连续放电约2.4 h,这充分展示出了超级电容器在迅速充电方面极具优越性。

  通过对超级电容器的内阻、漏电流和容量的测试结果来看,超级电容器具有极小的内阻,即使单个的超级电容器就能提供100 A以上的大电流,足以应对储能系统短时大功率充电,且超级电容器能够在极短时间内升至额定电压。通过超级电容器的漏电与传统电容器漏电流检测标准相比,超级电容器具有极小的漏电流,使得超级电容器的使用寿命更为长久。而通过超级电容器的容量测试,显示出超级电容器与同体积的蓄电池相比,其功率密度更高。

  超级电容器支持大电流充电特性,可将其应用于城市公交等可短距离行驶的交通运输车辆上,可实现超短时间充电并提供短时内充沛与持续的续航能力。超级电容器支持超大电流放电,能量转换效率高,过程损失小可支持大型电气设备启动时所需的尖峰电流。利用其大电流充放电的综合特性可应用于电网重负荷运行时段,可降低电网电压波动,提高电能质量。

  [2]唐刚. 最小二乘法在超级电容器参数辨识中的应用[J]. 电子元件与材料, 2015(7):95-97.

  [3]施济杰. 基于嵌入式的超级电容器参数测量系统的研究[D]. 天津大学, 2011.

  [4]时洪雷. 超级电容器参数老化趋势预测[D]. 大连理工大学, 2017.

  [5]郭瑞, 刘敬力, 李宝华. RLS算法在碳基超级电容器参数辨识中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2014(12):1660-1664.

  本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第45页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。