超级电容器电容量测试系统的设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 高兴昌 韩昌健 吕 娓

超级电容器电容量测试系统的设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 高兴昌 韩昌健 吕 娓

超级电容器的电容量非常大，用传统的方法不能对其电容量进行准确地测试。针对超级电容器的工作原理，采用恒流充放电方式，在放电过程中来测试电容量的大小。并设置量程转换电路，根据测试对象不同，自行改变测试范围，并通过数码管显示被测值。测试结果显示，本设计具有检测精度高、速度快等优点，并且采用五路测量的方式，提高了测量的速率。

电容量测量；恒流充放电；数字显示

1 引言

超级电容器与常规电容器相比，具有容量大、储能高和使用寿命长等优点；与电池相比，又具有充放电速度快的特点，对环境无污染，是一种新型的绿色储能元件。因此超级电容器在许多领域都有广泛应用。由于超级电容器的电容量太大，并且容抗远小于ESR，传统的电容量的测试方法已无法测试。国内采用的是RC充电测试方法，这种测试方法尽管简单，但是所测得的电容量并不符合超级电容器的电容量测试规则。本系统根据超级电容器电容量的国际测试惯例，采用恒流充放电，在放电状态下测试电容量。

2 电容量的测试条件和方法

通常的电容量的测试方法是采用电桥电路测试，在测试频率上，一般的电容器的容抗都在Ω以上，并且电容器的ESR远小于容抗。而超级电容器的电容量极高，绝大多数在1法拉以上，即使在50Hz测试条件下1法拉的电容量也仅仅为3.18mΩ。而对于1法拉的超级电容器的ESR则最小也在100mΩ，更高电容量的超级电容器也是如此。如采用常规测试方法所测出的数值不是容抗，而是ESR。因此需要采用新的测试方法。

电容器的电荷与电流/时间的关系和电压/电容量的关系，在电流为恒定值的条件下可以得到：

可以通过测试电容器恒流充电或放电过程中的电压变化需要的时间t，将t换算为电容量即可。由于超级电容器的最初用途是作为储能和放电，因而要求测试电容器的放电电容量。考虑超级电容器的介质和其他材料存在杂质，而在充电过程中产生微电池效应，以及消除超级电容器自身的ESR在放电过程中的能量损耗。超级电容器的电容量的测试条件如图1所示。首先恒流充电，到额定电压时维持大约30秒的时间，目的是使超级电容器充满电。然后再以恒流方式放电并在放电过程中测试电容量，同时开始计时，当电容器的电压降到零时，计时结束。将所计得的时间换算为电容量。

图1 电容量的测试条件

3 系统硬件电路设计

3.1 电容量测试电路

采用恒流充放电方式测量电容量的大小，难度比较大的是恒流放电，而且要放电到电容器的电压为零时保持在零电压不变。可以利用最容易得到的器件采用最容易实现的电路。一般而言充电单一回路可能比较简单，恒压、恒流组合往往采用双闭环控制方式。通过反馈实现闭环控制首先要验证稳定性，在系统稳定的基础上才能考虑控制，其次是精度，通常要利用高的开环增益才能得到较高的精度。由于这两个因素的影响，涉及和调试将可能遇到预想不到的问题。为了减小风险，选用了可调三端稳压器LM317作为充电的恒压、恒流电路。放电测试电流采用LM337作为恒压、恒流电路。电容量测试电路原理如图2所示。

3.2 量程转换电路

图2 电容量测试电路

设计的超级电容器电容量测试系统包含五路测试部分，每一路都可以独立检测电容器，互不干扰。测量的范围分五部分，分别为：10～99F、1～9.9F、0.1～0.99F、0.01～0.099F、0.001～0.0099F。可随时根据超级电容器电容量的不同改变测量范围。

3.3 显示电路

通过五路数码管进行显示，每路设置6位LED数码管，保证测试结果及时、方便读出。

4 系统测试

同时对五个电容器进行测试，结果如表1所示。测试结果表明，误差不超过1%。

表1 参数测试结果

5 结论

经过实际测试，即对电容器的电容量进行正、反两方向反复充放电的测量，其测量值的精度可达到±1%。系统采用恒流充放电方式测量，成功地解决了传统方式测量速率慢、测量范围小等致命弱点，具有检测精度高、速度快、功耗低等优点，并且采用五路测量的方式大大提高了测量的速率。因此超级电容器电容量测试系统具有广阔的发展前景。

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