超级电容测试方案

10.备用电源系统测试10.1测试工具及仪器（1）数字万用表FLUKE2891台；（2）数字示波器TektronixDPO30341台（含电流卡钳A622，高压隔离探头P5210）；（3）数字兆欧表HIOKI3451台，VC60D1台；（4）功率分析仪YOKOGAWAWT16001台；（5）耐压测试仪TOS51011台；（6）输出可调超级电容充电机BN-CDJ350V1台；（7）24V直流电源一台；（8）变桨距系统控制柜轴一柜；（9）变桨试验台SY_BJ_T_V3.11台；（10）调压器9KVA1台；（11）PRODIGIT3257电子负载；（12）滑动变阻器BX8-27-2.5A2台；10.2.超级电容单体性能测试10.2.1单体容量测试★测试方法：采用恒流放电法测90V超级电容模块的总容量，由于90V超级电容模块含36个超级电容单体，将总容量乘以36即可得到超级电容单体的容量。测试电路如图10.1所示。图10.1.容量测试电路图放电电流I1及放电电压下降的电压U1和U2见下表。分级方法应根据分立标准。★测试步骤：（1）如图10.1进行接线，设定充电机充电电压为150V，闭合F1；（2）断开F3，闭合F2，对超级电容模块C充电。C达到额定电压后，保持充电机输出30min，以I2=1A电流充电，每15s记录一次150V超级电容模块端电压；以I2’=2A电流充电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压；（3）将示波器电压探头接C的正负极端，将电子负载设置为恒流模式，电流值设置为I1=4A放电。断开F2并闭合F3对超级电容进行放电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压。（4）记录C的正负极之间电压U随时间的变化曲线（如图10.2示意）；t1t2t2't1'U2U1URtime时间（S）U330min图10.2.超级电容模块电压变化（5）根据公式C1=I1×(t2-t1)/(U1-U2)得到90V超级电容模块在以I1=4A放电时的总容量，其中U1=80%UR,U2=40%UR,UR为超级电容的额定电压；（6）根据公式C2=I2×(t2’-t1’)/(U1-U2)得到90V超级电容模块在以I2=1A充电时的总容量，其中U1=80%UR,U2=40%UR,UR为超级电容的额定电压；（7）C2’=I2’×(t2’-t1’)(U1-U2)得到90V超级电容模块在以I2’=2A时充电过程中的总容量；（8）求两次以不同电流放电的计算容量的平均值得到实际的总容量计算公式分别为：C=(C1+C2)/2，C’=(C1+C2’)/2，实际的总容量C3=（C+C’）/2，单体容量C0=C3*36。★合格判据：单体超级电容容量大于设计指标参数350F+20%/-0%，合格；否则，不合格。10.2.2直流最大内阻测试★简述等效串联内阻是超级电容的主要电气参数之一，当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效模拟电路时，其中与电容串联的电阻部分即为等效电阻。超级电容的ESR主要由电极物质内阻、电解液内阻、接触电阻等组成，代表电容器内部发热所消耗的功率，对电容器的充放电过程影响比较大。超级电容的等效模型如下图10.3所示。其中EPR为等效并联内阻，代表超级电容的漏电流，影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可能达到几十千欧，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。图10.3.超级电容的等效模型★测试方法超级电容可以等效为理想电容和等效内阻的串联。放电电流为0时，内阻上电压降为0，超级电容模块的实测端电压等于理想电容的电压：U测=U理。放电电流为I时，超级电容模块的实测端电压等于理想电容的电压与内阻电压降之和：U测’=U理’-IR。两式相减，可得：IR+(U理-U理’)=U测-U测’。由于理想电容的电压不会发生突变，U理’=U理，因此，通过开始放电时实测电压的突变可得：R=(U测-U测’)/I。30minU3时间（S）timeU0UR图10.4超级电容端电压特性★测试步骤：（1）如图10.1进行接线，对超级电容模块C充电。模块充电至约U0=40V并保持30min；（2）将示波器电压探头接C的正负极端，将电子负载设置为恒流模式，电流值设置为12A。断开F2并闭合F3。记录C的正负极之间电压U随时间的变化曲线（如图10.4示意）；（3）根据公式R=△U3/I1得到90V超级电容模块的总内阻。根据公式R0=R/36得出超级电容单体的内阻，如图10.4所示。★合格判据：直流最大内阻小于设计指标参数3.2mΩ，合格；否则，不合格。10.2.3能量密度测试★测试方法及步骤（1）由充放电过程中电压随时间变化曲线，得到u=u(t)，根据公式1()36ottIEutdt=∫，分别计算出充电放电过程中超级电容单体吸收和释放的平均能量E1、E2（参见图10.2）。计算单体平均储能E=(E1+E2)/2；（2）根据公式mE3600/=α得到超级电容单体的能量密度，其中，m为单体质量，α单位为Wh/kg。★合格判据：能量密度不小于设计指标参数Emax=5.11Wh/kg，合格；否则，不合格。10.390V超级电容模块性能测试10.3.1充电测试★测试方法及步骤（1）图10.1中，设定充电机充电电压为90V，充电电流设置为I2=1A。将示波器电压探头接模块正负极，将超级电容模块母线串入万用表电流探头；（2）闭合F2，断开F3，以电流I2=1A对90V超级电容模块充电，利用示波器记录充电过程中超级电容模块端电压。★合格判据超级电容模块电压可以达到90V，充电过程中，电压变化的线性度良好（如图10.4所示），合格；否则，不合格。10.3.2放电测试★测试方法及步骤（1）将电子负载设置为恒流模式，电流值设置为I3；（2）按3.1步骤（1）进行充电，充电完成后保持30min；（3）断开F2，闭合F3，超级电容模块以电流I3=4A及I3=12A放电，利用示波器记录放电过程中超级电容模块端电压。★合格判据放电过程中，电压变化的线性度良好（如图10.4所示），合格；否则，不合格。10.3.3模块内超级电容单体间均压性能测试★测试方法及步骤打开超级电容模块的盖子，对超级电容模块充电至90V并保持30min，用万用表测量并记录超级电容模块上层18只超级电容单体各端电压。由于新的超级电容模块采用新的封装，电容布局图如下图所示。图90V电容模块内部电容布局图★合格判据我司超级电容采用被动式均衡电路的模块不同单体电压误差小于1%，合格；否则，不合格。10.3.4超级电容模块自放电速率测试★简述超级电容的自放电主要是由于存在漏电流，漏电流用来衡量产品的绝缘特性，超级电容器作为储能装置，理想电容在充满电后自然放置，即在无漏电流的情况下，应永远保持满电状态，但实际电容器在制作过程中都会产生一定的漏电流。漏电流的大小决定自放电特性的好坏。超级电容器多为储能用。充有电荷后静置状态下的电压保持能力取决于漏电流，经过相对长的静置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电压明显低于漏电流小的。因此放电时，漏电流大的首先达到放电终了，而漏电流小的仍保持较多的电荷，充电时漏电流小的首先达到充电终了。★测试方法及步骤（1）对超级电容模块充电至90V，保持30min并静置。（2）测量并记录静置了10分钟、20分钟、30分钟、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时时超级电容模块的端电压。★合格判据采用被动式均衡电路的模块静置5小时后电压高于35V，合格；否则，不合格。10.3.5循环充放电测试★测试方法及步骤对超级电容模块充电至90V并保持30min。在之后的2小时里，对超级电容模块进行随机的循环充放电，之后，模块被放电至大约额定电压的一半并保持2小时。在测试过程中，测量充放电过程中超级电容模块中各单体及超级电容模块的端电压并判断有无异常情况出现。★合格判据能正常充电、放电，无异常情况出现，合格；否则，不合格。10.3.6超温保护测试★测试方法及步骤（可以在高温存储时进行测试）（1）超级电容模块外观检查及电气和机械性能的检测；（2）将超级电容模块放入试验箱中心位置，此时试验箱温度为室温(温度在15～35℃，相对湿度在25%-75%，气压在86-106KPa，温度以20℃，湿度以50%为宜，试验箱体积要求大于5倍超级电容模块体积，超级电容模块与试验箱壁间的距离大于15cm）；（3）将试验箱温度调至65℃（温差+/-2℃），留足够时间使超级电容模块温度达到稳定（温度变化率在5min内平均不超过1℃/min）；（4）测试超温的信号端口是否有信号输出；（5）试验样品在标准大气压下恢复，恢复时间要足以使其达到温度稳定；（6）超级电容模块外观检查及电气和机械性能的检测。★合格判据待超级电容模块温度达到稳定，测试超温信号端口有24V信号输出，在超级电容模块回复至低于45℃时，温度检测开关KSD-01F60触点断开，测量超温信号端口无24V信号输出为合格；否则，不合格。10.4.充电机输入性能测试10.4.1充电机输入电压变化范围测试★测试方法及步骤调整超级电容充电机输入电压，考察充电机输入电压为220Vac±20％（即176Vac-264Vac），负载电流选择为1A时充电机能否正常工作，在阻性负载下输出能否维持在440V水平，在容性负载下能正常充电且充电完成后超级电容两端电压保持稳定。接线图如下图10.5：滑动变阻器充电机输出示波器输入充电机充电机输入调压器图10.5充电机输入特性接线图（1）将市电输入交流220V接入调压器输入端，将调压器输出端接入充电机的输入端；（2）将充电机的输出端接到空开F1的输入端；（3）空开F1的输出端接至滑动变阻器的两端；（4）将滑动变阻器调整到440欧，设定负载为恒流模式，恒流值为1A；（5）将示波器电压探头接入充电机的输出端；（6）用万用表的电压探头来检测充电机的输入端电压；（7）给充电机上电，闭合空开F1，调整调压器的输出电压范围为176V-264V,观察输出电压是否维持在440V；（8）将空开F1输出端接上超级电容模块，重复以上（5）-（7）测试步骤，观察充电机的是否能正常充电且充电完成后超级电容两端电压能保持稳定；★合格判据超级电容充电机在220V±20%AC范围变化时在阻性负载下能稳定输出440V，在容性负载下能正常充电且充电完成后超级电容两端电压保持稳定合格；否则，不合格。10.4.2充电机输入过压保护测试★测试方法及步骤调整超级电容充电机输入电压，考察充电机输入电压为高于220Vac+20％(即264Vac)时，充电机的输出电流调整为1A充电机是否保护关机，在输入电压低于260Vac时，充电机自动恢复输出，接线图如图10.6所示。滑动变阻器充电机输出示波器输入充电机充电机输入调压器图10.6充电机输入特性接线图（1）将市电输入交流220V接入调压器输入端，将调压器输出端接入充电机的输入端；（2）将充电机的输出端接到空开F1的输入端；（3）空开F1的输出端接至滑动变阻器的两端；（4）将滑动变阻器调整到440欧，设定负载为恒流模式，恒流值为1A；（5）将示波器电压探头接入充电机的输入端；（6）用万用表的电压探头来检测充电机的输出端电压；（7）给充电机上电，闭合空开F1，调整调压器的输出电压高于264Vac,且低于330Vac观察充电机是否保护关机；（8）调整调压器的输入电压低于264V，观察充电机是否自动恢复输出。（9）将空开F1输出端接上超级电容模块，重复以上（5）-（8）测试步骤，观察充电机是否自动恢复输出。★合格判据充电机的输入电压在高于264Vac且低于330Vac时，保护关机，输入电压低于260Vac时，自动恢复输出，保护时状态指示灯熄灭，告警触点闭合为合格，否则，不合格。10.4.3充电机输入欠压保护测试★测试方法及步骤调整超级电容充电机输入电压，考察充电机输入电压低于220Vac-20％（即176Vac）时，充电机输出电流设定为1A充电机是否保护关机，在输入电压高于180Vac时，充电机自动恢复输出，