电容器电容量及内阻测量技术研究

　　物理学家亥姆霍兹在物理学研究过程中发现并提出了双电层理论,以这一理论为铺垫,全新的电容器概念被提出,与普通的电容器相比,全新的电容器附加了电池功能。但是其与电池相比不具备电池内部的化学反应,电容器拥有可逆的储能过程,意味着电容器可以进行多次的充电与放电,根据实验数据研究其充放电次数高达十万,除了次数多之外,对环境友好、快速完成充电、较好的温度特性以及使用寿命长的特点[1]。

　　正是由于以上的特点,其在实践当中应用的范围较广,在开路电压上电容器的常见电压为2.7V,在数值上相对较低,为了保证加大的开路电压数值,在实际应用当中常常串联多个电容器使用,在考虑到能量存储问题时有需要将其并联使用[2]。单体电容的内阻与静电容量等参数在串联或者并联的过程中在数值上并不相同,同时其器械两端的电压也会在大电流流经时出现平衡失调的情况,进而出现了电容器的过度充放电情况,长久以往将对电容器造成损耗,影响使用时间,同时电路也会出现隐患问题。因此在设备出厂时必要进行测试参数的工作,主要测试的参数内容是内阻与静电容量。

　　1 电容器的工作原理

　　正负两极以及电解液与隔膜组成了电容器,在结果与设计原理上与普通电容器的差别并不显著,电极材料的才是主要区别[3]。电容器实现工作的基本原理,主要依靠双电层,也是电荷的存储部位,双电层的组成是建立在多孔电极与电解液的基础上的,多孔电极主要是活性炭,拥有很大的表面积,在厚度上,双电层通常不大于0.5mm。电容器在进行充电的过程中,正负电荷分别被正负极材料所吸引搜集,由于电荷的积累,进而触发静电,电解液的电子吸附于正负极正好相反,电极与离子上的电荷在大小相等但是正负符号相反,因此形成了双电层,电势差出现在正负极之间。外电源被切断之后,电解液当中离子浓度变小,但是依然保持中性状态,说明了双电层继续平衡存在的原因。从而实现了电能与静电能之间的转换,存储静电能。

　　放电的过程与充电的过程是相反的,放电时电势差存在于正负两个电极之间,充电过程中存储的静电能依靠负载电阻转化为电能,电解液中的离子浓度加大。但容器储存能量过程中是物理反应,具有一定的安全性。

　　2 电容器测试技术研究

　　2.1 测量参考标准

　　2006年提出的《IEC62391电气设备用固定式双层电容器》这一标准是电容器测量工作中被各大实验室普遍采用的,此标准的修订时间是2015年,对电容量计算方法进行了增补,添加了建立在能量变化之上的计算方法,这一标准的使用范围局限在中小容量电容器[4]。

　　目前主要有恒流放电法和时间常数法用于测试IEC静电容量。前者方法:对电容的充电电流为直流,当达到额定电压的数值之后,再充电半个小时,此时采用恒压而后恒流的方式进行电容放电操作,对电容的端电压进行测量,静电容量值的计算根据端电压从80%降至40%额定电压过程的用时;后者方法:通过将电阻以串联的形式接入充电回路对电阻的大小进行调节,保持在1min～2min内将电压从0升至63.2%的额定电压,静定容量可以根据实际所需时间确定。直流与交流是针对电容内阻的方法,直流方法:对电容器进行充点,以达到额定电压,放电过程使用的电流为直流大电流,测量并记录电压在放电瞬间的突变,从而将内阻数值计算得出。交流方法测量内阻在原理上与蓄电池、锂电池相同,都使用到1kHz的交流信号。

　　我国于2006年发布了《QCT741车用电容器》,主要适用于国内的汽车行业,此标准在2014年进行了修订补充,这一标准中提出的方法与恒流放电法的差异不大,但是我国颁布的这一标准是偏向于大静电容量与大电流,被我国汽车技术中心与实验室普遍采用。

　　2.2 国内外电容器测量技术研究现状

　　电容器测试工作已经相对成熟,国外学者对此进行了长时间的研究,R.L.Spyker、R.M.Nelms等学者在测量静电容量的研究中依托了恒流放电法,并结合多支路等效电路模型与电容器经典模型。此外意大利研究人员在测量静电容量的过程中也建立并使用了“两支路模型”,研究结果显示其误差结果不大于4%[5]。

　　加利福尼亚大学研究了电容器相关参数的测量工作,研究结果标明,电容器的电压与经典容量之间存在关联,在测量静电容量时使用的方法是恒流与恒功率放电法,结果的确定度在数值上不大于10%,两种方法在对450F的标称值电容测量工作中,前者的误差是1.5%量级,后者是9.6%;两种方法在对3000F的标称值电容测量工作中,前者的误差是1.1%量级,后者是11%。

　　我国虽然研究电容器的时间很短,但是在研究过程中取得的进展却是突破性的。当前我国市场当中已经拥有大量可以进行电容检测的仪器,其测量范围几乎涵盖了电容器的每一个参数,国内一些设备虽然拥有相对齐全的测量功能,但是在结果的准确性上往往很难保障,并且具有较差的稳定性,与先进的测量仪器之间存在一定程度的距离[6]。

　　我国已经有大量科研机构开始研究电容器材料、工艺制作流程的工作。目前国内较为推崇的参数测量方法是恒流放电法,依托IEC标准。对于在确定区间之间的等效电容测量上能发挥较大优势。当前的热点研究内容是测试电容动态变化特性。于鹏等学者将电容值测量的数学方程组依托电荷与能量关系式推导得出,在测量技术上实现了从静态测量到动态测量的突破。李忠等学者对充电两个阶段过程的试验与时间序列进行研究,在数定量的数学关系上确定了时间电容量与充电电流之间的拟合关系。