一种超级电容器充放电测试方法的研究

田虓+孙谊

摘 要： 超级电容器较传统电容器而言有非常大的容量，但是其表现出显著的“非传导性吸收”储能方式，用传统的方法将不能准确地对超级电容器进行测试。针对超级电容器的工作原理，提出一种有针对性的超级电容器测试的方法。采用Buck变化器实现超级电容器的恒流充电，采用Boost变化器模拟有源电子负载实现超级电容器恒流放电，利用芯片SG3525产生PWM控制波形，实现恒流充放电，利用DSP（TMS3210C2812）完成系统数据处理。该方法保证了放大精度，有效抑制了共模噪声，对超级电容器在不同充放电电流下的电容与内阻工作情况实现了准确、有效的测试。

关键词： 超级电容器； 充放电电路； PWM控制； DSP

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0160?03

Method of current charging and discharging test of super?capacitor

TIAN Xiao1， SUN Yi2

（1. The Open University of China， Beijing 100031， China； 2. Chinese Electrotechnical Society， Beijing 100823， China）

Abstract： The super?capacitor has larger capacity than traditional capacitor， but traditional methods can not be used to test the super capacitor accurately because of its obvious "non conductive absorption" energy storage mode. According to the working principle of the super capacitor， a method for super?capacitor test is presented in this paper， in which Buck converter is used to achieve constant current charging of the super?capacitor， Boost converter is used to analog active electronic load and achieve constant current discharging of the super?capacitor， SG3525 chip is used to produce the PWM control waveform to realize constant current charging and discharging， and DSP （TMS3210C2812） is used to complete the data processing. This method can ensure the amplification accuracy， effectively suppress the common mode noise， and achieve the accurate test of the super?capacitors capacity and internal resistance in the different charging or discharging current

Keywords： super?capacitor； charging and discharging circuit； PWM control； DSP

0 引 言

当今社会，能源问题越来越受人类的关注。超级电容器作为一种新型的绿色储能元件，由于其不可替代的优良特性，针对其的研究和认识越来越深刻。LI，NIMH诸如此类的新型电池已经在大家的生活中广泛应用。但由于其原理为电化学反应，在使用寿命及环境友好方面是存在缺陷的。而超级电容器具有使用寿命长、环境良好、功率密度高、充电速度快等优点，并且在短时间内可以瞬时释放能量、高低温性能好，所以在能量供应方面的优越性得到越来越多国家、军事部门及工业界的重视。经过多年的发展，现在在混合电动车、武器及不间断电源等领域具有潜在的广泛应用前景。

1 超级电容器的结构

根据构造的不同，超级电容分为两类：双电层电容与法拉第准电容[1]。前者在外加电压作用下，一层电荷在电极上，另一层电荷在溶液里，所以称之为双电层[2]，整个过程是简单的物理储能。后者被称为电化学电容。在相同电极面积下，法拉第准电容可达到双电层电容量[3]的上百倍。现在广泛认可的超级电容器模型如图1所示，在大部分测试中，可以忽略EPR的影响。

图1 超级电容器典型模型

图中ESR表示等效串联电阻，它会降低超级电容器实际可用的有效储能率，值较小；EPR[3]表示等效并联电阻，它会产生静态漏电流，在超级电容器处于静止储能状态时会造成电能的损失，其值较大；C表示超级电容的电容量。

2 恒流充放电性能测试

恒流源作为一种稳定的电源，他的输出与外接负载无关。由于市场需求，恒流源在近几年发展比较迅速，由原先的镇流管发展到半导体集成电路。恒流充放电测试法是一种比较直观准确的超级电容器的测试方法，它测量的指标主要有在充放电过程中，电容量与内阻的变换规律。

2.1 充电电路

如图2所示，恒流充电电路采用Buck电路的拓扑[4]，开关K采用功率开关管Mosfet，二极管采用快恢复型，通过实时采样由电感输出的电流值，与PWM波产生芯片SG3525的基准电压进行比较，输出PWM波，再经过芯片IR2110驱动并控制功率开关管的导通与关断。通过仿真可得以下超级电容器恒流充电的图形如图3和图4所示。

图2 超级电容器传统恒流充电电路原理图

图3 超级电容器恒流充电电流波形

图4 超级电容器恒流充电电压波形

2.2 放电电路

对于超级电容器恒流放电电路，其工作原理图如图5所示。

图5 超级电容器恒流放电原理图

超级电容器恒流放电电路，电流响应波形与超级电容器端电压波形如图6和图7所示。本文主要讨论电容量与内阻是不是会随着充放电电流的变化而有所变化。

一般情况下，选定的测试电流值为0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

图6 超级电容器恒流放电电流波形

图7 超级电容器恒流放电电压波形

3 电容量性能测试

超级电容器在不同放电电流作用下的电容量曲线如图8所示。由图可知，当测试电流小于峰值电流时，超级电容器的电容量[5]基本保持不变，当测试电流超过峰值电流的情况下，超级电容器的电容量迅速下降，这是因为当测试电流大于或者等于峰值电流的情况下，放电时间过短，放电电路电流还未达到稳定。通过图8看出，在实际应用场合，可以认为超级电容器的电容量是保持恒定的。

图8 超级电容器在不同放电电流下电容值

4 超级电容器内阻

本文采用阶跃信号激励测试超级电容器内阻，如图9，图10所示。

图9 超级电容内阻测试阶跃信号

图10 超级电容阶跃响应

仿真超级电容器在上述不同测试电流阶跃信号下[6]，计算内阻的值，经过拟合得到的结果如图11所示。

图11 超级电容器放电电流

从图中可以看出，当有小电流作用时，超级电容器内阻较将有较大变动幅度，在中等电流作用时，超级电容器内阻变动幅度不大。

5 结 论

根据以上分析结果可知，超级电容器的电容量特性、内阻特性有如结论：超级电容器的电容量在不同的充放电电流作用下，变幅很小，所以在实际应用的场合，可看作定值。超级电容器在不同的充放电电流作用下，由于内阻的存在，会使电压产生一定范围内的突变，尤其在小电流的作用下，内阻对输出电压的影响是最大的。

参考文献

[1] Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Freedom CAR ultracapacitor test manual [M]. USA： DOE/NE ID， 2004.

[2] SPYKER R L， NELMS R M. Classical equivalent circuit parameters for a double?layer capacitor [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2000， 36（2）： 829?836.

[3] CONWAY B E.电化学双电层电容器：科学原理及技术应用[M].陈艾，译.化学工业出版社，2005.

[4] 陈永真，李锦.电容器手册[M].北京：科学出版社，2008.

[5] 邓隆阳，黄海燕，卢光兰，等.超级电容性能试验与建模[J].车用发动机，2010（1）：28?32.

[6] 王国庆，林忠富，左伟忠.超大容量双电层电容器主要技术参数的测试[J].电子元件与材料，2000，19（2）：15?16.

图2 超级电容器传统恒流充电电路原理图

图3 超级电容器恒流充电电流波形

图4 超级电容器恒流充电电压波形

2.2 放电电路

对于超级电容器恒流放电电路，其工作原理图如图5所示。

图5 超级电容器恒流放电原理图

超级电容器恒流放电电路，电流响应波形与超级电容器端电压波形如图6和图7所示。本文主要讨论电容量与内阻是不是会随着充放电电流的变化而有所变化。

一般情况下，选定的测试电流值为0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

图6 超级电容器恒流放电电流波形

图7 超级电容器恒流放电电压波形

3 电容量性能测试

超级电容器在不同放电电流作用下的电容量曲线如图8所示。由图可知，当测试电流小于峰值电流时，超级电容器的电容量[5]基本保持不变，当测试电流超过峰值电流的情况下，超级电容器的电容量迅速下降，这是因为当测试电流大于或者等于峰值电流的情况下，放电时间过短，放电电路电流还未达到稳定。通过图8看出，在实际应用场合，可以认为超级电容器的电容量是保持恒定的。

图8 超级电容器在不同放电电流下电容值

4 超级电容器内阻

本文采用阶跃信号激励测试超级电容器内阻，如图9，图10所示。

图9 超级电容内阻测试阶跃信号

图10 超级电容阶跃响应

仿真超级电容器在上述不同测试电流阶跃信号下[6]，计算内阻的值，经过拟合得到的结果如图11所示。

图11 超级电容器放电电流

从图中可以看出，当有小电流作用时，超级电容器内阻较将有较大变动幅度，在中等电流作用时，超级电容器内阻变动幅度不大。

5 结 论

根据以上分析结果可知，超级电容器的电容量特性、内阻特性有如结论：超级电容器的电容量在不同的充放电电流作用下，变幅很小，所以在实际应用的场合，可看作定值。超级电容器在不同的充放电电流作用下，由于内阻的存在，会使电压产生一定范围内的突变，尤其在小电流的作用下，内阻对输出电压的影响是最大的。

参考文献

[1] Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Freedom CAR ultracapacitor test manual [M]. USA： DOE/NE ID， 2004.

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[3] CONWAY B E.电化学双电层电容器：科学原理及技术应用[M].陈艾，译.化学工业出版社，2005.

[4] 陈永真，李锦.电容器手册[M].北京：科学出版社，2008.

[5] 邓隆阳，黄海燕，卢光兰，等.超级电容性能试验与建模[J].车用发动机，2010（1）：28?32.

[6] 王国庆，林忠富，左伟忠.超大容量双电层电容器主要技术参数的测试[J].电子元件与材料，2000，19（2）：15?16.

图2 超级电容器传统恒流充电电路原理图

图3 超级电容器恒流充电电流波形

图4 超级电容器恒流充电电压波形

2.2 放电电路

对于超级电容器恒流放电电路，其工作原理图如图5所示。

图5 超级电容器恒流放电原理图

超级电容器恒流放电电路，电流响应波形与超级电容器端电压波形如图6和图7所示。本文主要讨论电容量与内阻是不是会随着充放电电流的变化而有所变化。

一般情况下，选定的测试电流值为0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

图6 超级电容器恒流放电电流波形

图7 超级电容器恒流放电电压波形

3 电容量性能测试

超级电容器在不同放电电流作用下的电容量曲线如图8所示。由图可知，当测试电流小于峰值电流时，超级电容器的电容量[5]基本保持不变，当测试电流超过峰值电流的情况下，超级电容器的电容量迅速下降，这是因为当测试电流大于或者等于峰值电流的情况下，放电时间过短，放电电路电流还未达到稳定。通过图8看出，在实际应用场合，可以认为超级电容器的电容量是保持恒定的。

图8 超级电容器在不同放电电流下电容值

4 超级电容器内阻

本文采用阶跃信号激励测试超级电容器内阻，如图9，图10所示。

图9 超级电容内阻测试阶跃信号

图10 超级电容阶跃响应

仿真超级电容器在上述不同测试电流阶跃信号下[6]，计算内阻的值，经过拟合得到的结果如图11所示。

图11 超级电容器放电电流

从图中可以看出，当有小电流作用时，超级电容器内阻较将有较大变动幅度，在中等电流作用时，超级电容器内阻变动幅度不大。

5 结 论

根据以上分析结果可知，超级电容器的电容量特性、内阻特性有如结论：超级电容器的电容量在不同的充放电电流作用下，变幅很小，所以在实际应用的场合，可看作定值。超级电容器在不同的充放电电流作用下，由于内阻的存在，会使电压产生一定范围内的突变，尤其在小电流的作用下，内阻对输出电压的影响是最大的。

参考文献

[1] Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Freedom CAR ultracapacitor test manual [M]. USA： DOE/NE ID， 2004.

[2] SPYKER R L， NELMS R M. Classical equivalent circuit parameters for a double?layer capacitor [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2000， 36（2）： 829?836.

[3] CONWAY B E.电化学双电层电容器：科学原理及技术应用[M].陈艾，译.化学工业出版社，2005.

[4] 陈永真，李锦.电容器手册[M].北京：科学出版社，2008.

[5] 邓隆阳，黄海燕，卢光兰，等.超级电容性能试验与建模[J].车用发动机，2010（1）：28?32.

[6] 王国庆，林忠富，左伟忠.超大容量双电层电容器主要技术参数的测试[J].电子元件与材料，2000，19（2）：15?16.