CN104297576B - 超级电容器不同老化阶段的特性测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法及装置，其中方法包括预测试、特性测试、温度调整、温度静置、老化测试等步骤；其中装置包括电网输入、电力变换装置、过渡超级电容器、DC/DC变换器、温控箱、受试超级电容器与上位机。与现有技术相比，本发明具有涵盖范围广、特性测试影响小、针对性强、耗时时间短等优点。

Description

超级电容器不同老化阶段的特性测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超级电容器的特性测试方法及装置，尤其是涉及一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法及装置。

背景技术

以太阳能、风能等清洁能源为代表的新能源发电技术发展迅速，而实现这类不稳定能源有效使用的关键是大规模能量存储技术。

超级电容器的能量密度高于传统电容，功率密度又远大于蓄电池，再加上它拥有高效率充放电、宽范围工作温度、长寿命循环的突出特点非常适用于大规模能量存储场合。

由于大规模储能领域的特殊性，如电压等级高、功率与能量需求大，超级电容器在其中的应用尚处于起步阶段。目前，国内外出现了一些小范围试点工程，日本NipponChemi-Con、美国Maxwell分别使用超级电容器建立用于吸收电网瞬变能量的兆瓦级级储能***；德国Siemens开发用于回收轨道交通车辆制动能量的超级电容储能***在马德里地铁试运行；中国奥威科技使用混合型超级电容器为动力的纯电容公交车已经在上海世博会和11路使用。此类试点工程均在不同程度上发挥了超级电容储能的优势，实现了电网电压削峰填谷和节约能源等目的。

大规模储能场合中，大量单体串并联、高使用频率、实际应用中的复杂动态工况、模块温度分布不均匀等诸多因素影响，不可避免地导致超级电容器单体性能的不一致，其寿命也与实验室理想工作环境下的测试结果偏差很大。

在所检国内外公开报道的文献范围内，超级电容器虽是当前的研究热点，但主要集中在超级电容器本身生产工艺、制备方法与材料选型上，涉及大规模储能***中超级电容器不同老化阶段的特性测试方法鲜有文献报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法，包括以下步骤：

1)预测试，包括尺寸测量、重量测量与标准充放电测试；

2)特性测试，该测试结果即为老化寿命测试开始阶段的初始值，作为后续老化特征参数比对的依据；

其中，特性测试分为完整特性测试和短时特性测试，完整特性测试依次包括恒功率测试、脉冲功率测试、参考容量测试、恒流测试和冷启动测试；短时特性测试只包括参考容量测试和恒流测试；冷启动测试仅在温度低于特定温度时完成；

3)每次特性测试后，判断预设的超级电容器老化寿命试验终结判据是否触发，若当判断为是，则老化寿命测试结束；当判断为否，则转入步骤4)；

4)判断超级电容器温度是否需要调整，当判断为是，则说明该温度下的特性测试已经完成，则受试超级电容器在温控箱中调整至下一个测试温度并静置后重新进行判断；当判断为否，则转入步骤5)；

5)判断超级电容器温度是否达到热稳定；当判断为是，则转入步骤6)；当判断为否，继续静置一段时间后重新进行判断；

6)判断本阶段的特性测试是否结束，当判断为是，则转入步骤7)；当判断为否，则说明至少一个温度下的特性测试未完成，需要回到步骤2)，开始该温度下的特性测试；

7)针对不同应用对象使用特定的电流功率波形进行老化测试；

8)判断短时特性测试时间是否触发，当判断为是则说明短时特性测试周期已到，则跳转至步骤2)的参考容量测试开始进行短时特性测试，当判断为否，则转入步骤9)；

9)判断完整特性测试时间是否触发，当判断为是，则说明完整特性测试周期已到，则跳转至步骤2)的恒功率测试开始进行完整特性测试，当判断为否，则返回步骤7)。

步骤1)中标准充放电测试需要遵循电容生产厂商提供的充放电步骤，若厂商未能提供充放电步骤，则参照标准使用5C倍率进行满充放电，中间不包含恒压或静置时间。

标准充放电连续完成多组，当连续两组标准充放电数据所得的参数变化不超过±2％时，则判定充放电数据稳定，使用其中的第二组数据作为本次老化寿命测试的基准数据。

步骤5)中超级电容器温度变化不超过±2℃即为超级电容器温度达到热稳定。

一种超级电容器不同老化阶段的特性测试装置，包括电网输入、电力变换装置、过渡超级电容器、DC/DC变换器、温控箱、受试超级电容器与上位机，所述的电网输入通过电力变换装置与过渡超级电容器相连，所述的过渡超级电容器通过DC/DC变换器与受试超级电容器连接，所述的受试超级电容器置入温控箱，在温控箱内实现温度控制调节后进行测试，所述的上位机通过数据线通讯线与DC/DC变换器、温控箱、受试超级电容器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明***完整地给出了超级电容器老化寿命的测试方法，所得数据面向性广，测试结果普遍性大，为大规模储能***应用的可靠性、安全性提高提供支持；

2.本发明测试方法中选用厂商推荐充放电进行充放电维护，避免不合理的普通满充放循环可能造成在特性测试中受试超级电容器的性能劣化与寿命衰减，减少特性测试对超级电容器老化寿命的影响；

3.本发明选用过渡超级电容器为受试超级电容器提供电能充放，提高电能质量，且易实现洁净的脉冲提供与吸收，减小实验过程中全测试***对电网的污染，同时最重要的将超级电容器老化寿命影响局限于老化因素与测试循环，有效避免因电网电能质量带来的一系列超级电容器老化过程中的不确定性；

4.本发明老化测试针对某一系列应用，如面向电动汽车、城轨交通等，通过综合该系列应用通用性电流、功率等级曲线，可以使寿命测试所得结果准确描述在该应用等级下超级电容器的老化状态；

5.本发明老化测试装置通过上位机对超级电容器性能参数进行辨识计算，不同于简单电压电流读取，由上位机支持的算法辨识能更好描述超级电容器充放电特性与模型参数，所得结果亦有助于生产厂商调整生产材料，修改生产工艺等；

6.本发明区分特性测试时间，分为短时特性测试与完整特性测试两种，将试验中参数变化较快，受不同老化因素影响较大的参数在较短时期内进行采样记录，而对于部分对老化因素不甚敏感的参数则在周期性完整特性测试才予以测量记录，有效加快测试时间，同时不影响测试精度，有利于加速可靠性与安全性验证。

附图说明

图1为本发明的测试步骤流程图；

图2为本发明的测试装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法，包括以下步骤：

步骤101、在老化寿命测试开始时，首先进行预测试，包括尺寸、重量测量与标准充放电，其中标准充放电需要遵循电容生产厂商提供的充放电步骤，若厂商未能提供，则参照标准使用5C倍率进行满充放电，中间不包含恒压或静置时间；

标准充放电需要连续完成多组，当连续两组标准充放电数据所得参数稳定(参数变化不超过±2％定义为稳定)，则使用第二组数据作为本次老化寿命测试的基准数据，即使该数据不同于额定数据；

步骤102、完成预测试后，进行初次完整特性测试记录，所得结果即为老化寿命开始阶段的初始值，之后的老化特征参数比对均是与本次结果相比较；

完整特性测试包括恒功率测试、脉冲功率测试、参考容量测试、恒流测试与冷启动测试；短时特性测试只包括参考容量测试与恒流测试；

特定低温下的特性测试中需要额外进行冷启动测试，确保低温下超级电容器的老化性能与特性参数；

步骤103、每次特性测试后判断事前确定的超级电容器老化寿命试验终结判据是否触发，即特性测试中得到的特性参数是否达到试验终止条件；

当判断为是，则老化寿命测试结束；

当判断为否，则转入步骤104；

步骤104、判断超级电容器温度是否调整，因为大规模储能应用中的超级电容器需要在宽工作温度下工作，因此需要在不同温度下对超级电容器特性进行评估；

当判断为是，说明某一个温度下的特性测试已经完成，则受试超级电容器在温控箱中调整至下一个测试温度并静置，老化测试需要测试的温度在全试验前需要事前确定；

当判断为否，则转入至步骤105；

步骤105、判断超级电容器温度是否达到热稳定，热稳定定义为超级电容器温度变化不超过±2℃；

当判断为是，温度已经达到热稳定，可以继续老化试验，则转入至步骤106；

当判断为否，说明超级电容器温度仍在变化，需要继续静置一段时间；

步骤106、判断本阶段的所有特性测试是否结束；

当判断为是，则转入至步骤107；

当判断为否，则说明至少一个温度的特性测试未完成，需要回到步骤102开始该温度下的特性测试；

步骤107、针对不同应用对象使用特定的普遍电流功率波形进行老化测试；

步骤108、判断短时特性测试时间是否触发，若为是，则说明短时特性测试周期已到，则跳转至步骤102的参考容量测试开始短时特性测试，若为否，则转入至步骤109；

步骤109、判断完整试验时间是否触发，若为是，则说明完整特性测试周期已到，则跳转至步骤102完成完整特性测试，若为否，则返回步骤107；

如图2所示，一种超级电容器不同老化阶段的特性测试装置，其特征在于，包括电网输入10、电力变换装置20、过渡超级电容器30、DC/DC变换器40、受试超级电容器50、温控箱60与上位机70，所述的电网输入10通过电力变换装置20与过渡超级电容器30相连，所述的过渡超级电容器30通过DC/DC变换器40与受试超级电容器50连接，所述的受试超级电容器50置入温控箱60，在温控箱60内实现温度控制调节后进行测试，所述的上位机70通过数据线通讯线与DC/DC变换器40、受试超级电容器50、温控箱60连接。

在大规模储能***应用中，由于包括电压、电流、温度等各种老化因素共同作用的影响，超级电容器性能往往经数月使用业已下降，与厂商手册数据差别较大。此外，随着其工作环境日益恶劣，而超级电容器一般又在所规定限值的边界、甚至超出额定区间运行，使其实际工作寿命远小于单体标称值。所以，超级电容器老化寿命测试方法与装置结合了现有大规模储能高可靠性与高频次的使用需求，给出了一种涵盖了现有标准、研究等文献中几乎所有的测试项目的完整测试方法，该测试针对某一系列应用，通过综合应用的通用性电流、功率等级曲线，可以使老化寿命测试结果准确描述在该等级下超级电容器的老化状态，所得结果还有助于生产厂商调整生产材料，修改生产工艺等。

Claims (4)

1.一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)预测试，包括尺寸测量、重量测量与标准充放电测试；

2)特性测试，该测试结果即为老化寿命测试开始阶段的初始值，作为后续老化特征参数比对的依据；

其中，特性测试分为完整特性测试和短时特性测试，完整特性测试依次包括恒功率测试、脉冲功率测试、参考容量测试、恒流测试和冷启动测试；短时特性测试只包括参考容量测试和恒流测试；冷启动测试仅在温度低于特定温度时完成；

3)每次特性测试后，判断预设的超级电容器老化寿命试验终结判据是否触发，若当判断为是，则老化寿命测试结束；当判断为否，则转入步骤4)；

4)判断超级电容器温度是否需要调整，当判断为是，则说明该温度下的特性测试已经完成，则超级电容器在温控箱中调整至下一个测试温度并静置后重新进行判断；当判断为否，则转入步骤5)；

5)判断超级电容器温度是否达到热稳定；当判断为是，则转入步骤6)；当判断为否，继续静置一段时间后重新进行判断；

6)判断本阶段的特性测试是否结束，当判断为是，则转入步骤7)；当判断为否，则说明至少一个温度下的特性测试未完成，需要回到步骤2)，开始该温度下的特性测试；

7)针对不同应用对象使用特定的电流功率波形进行老化测试；

8)判断短时特性测试时间是否触发，当判断为是则说明短时特性测试周期已到，则跳转至步骤2)的参考容量测试开始进行短时特性测试，当判断为否，则转入步骤9)；

9)判断完整特性测试时间是否触发，当判断为是，则说明完整特性测试周期已到，则跳转至步骤2)的恒功率测试开始进行完整特性测试，当判断为否，则返回步骤7)。

2.根据权利要求1所述的一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法，其特征在于，步骤1)中标准充放电测试需要遵循电容生产厂商提供的充放电步骤，若厂商未能提供充放电步骤，则参照标准使用5C倍率进行满充放电，中间不包含恒压或静置时间。

3.根据权利要求2所述的一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法，其特征在于，标准充放电连续完成多组，当连续两组标准充放电数据所得的参数变化不超过±2％时，则判定充放电数据稳定，使用其中的第二组数据作为本次老化寿命测试的基准数据。

4.根据权利要求2所述的一种超级电容器不同老化阶段的特性测试方法，其特征在于，步骤5)中超级电容器温度变化不超过±2℃即为超级电容器温度达到热稳定。