在家用电器上都存在电容器的身影,而全球大力发展的新能源汽车核心技术也涉及到电容器领域,其最大缺陷就是续航和动力问题,从基础物理知识可知,并联电路中电压相同,要增加电压可将电容器串联,而将电容器并联可以解决续航问题[1]。在设计过程中多采用串联并联相结合的方式也引发了许多问题,因为无法保证电路中每个电容器地参数完全相同,在局部就有电容器被损坏,进而对整个闭合回路造成影响。由此,为了提高经济效益和使用安全,准确对电容器各项参数进行评估就显得尤为重要,其中以静电容量最具代表性。
1 测量装置简介
电容器充放电测量装置由直流充电电源KIKUSUI PBZ20-20、多个直流分流器、直流电子负载KIKUSUI PLZ164WA、交流内阻模拟器、数字采样表Agilent 34411A、电容内阻测量电路以及一些相关部件组成(图1)[2],在充电回路中采用直流充电电源PBZ20-20作为电源,分流器RS1测量直流电流,放电回路中相关元件,直流电子负载PLZ164WA,分流器RS2测量放电回路中直流电流,S1、S2分别测量RS2电容两端的直流电压,项目中采用六位半数字多用表34411A[3]。
当采用恒电阻放电法测量电容静电容量时,用S1测量电容器两端的电压,S2测量分流器RS2两端的电压,电子负载PLZ164WA调为恒阻模式;当采用恒流放电法测量静电容量时,S1、S2的连接方式与上面保持一致,电子负载PLZ164WA调为恒流模式;当采用恒流充电法测量时,S2测量分流器RS1两端的电压。电容内阻的具体值可采用直流法测量,该方法可结合恒流放电法测量静电容量的电路开展,还可以采用交流法进行测量。PBZ20-20程控电源作为实验电源,采样器为NI USB-6352数据采集卡,在测量交流电容和电阻R上的电压采取两个通道同时进行的方法,这样可以减少交流电源带来的误差。
2 测量验证试验
通过已知电容的相关参数,然后设计实验进行验证,以此确保测量装置的可使用性和精准性[4]。
2.1 电压电流采样测量
为确保装置中测量电压部分精确,通过标准电压源输出直流电压信号,装置中测量电压的部分对电压信号进行收集。此次实验中采样器模数转换器积分时间设置0.004s,则电压测量结果如表1,可以看出装置对于电压的测定还是相当精确的,在60V量程范围内测量值与标准值的误差控制在±0.02%以内,该测量精度能够达到计划要求。
测量电压装置的不确定度评定以2V电压为基础开展实验。反复测量10次,然后对实验结果采用标准偏差法得到A类测量不确定度为0.00002V;采样器量程为10V,根据37711A使用手册,测量2V电压时的准确度为±0.00011V,则相应的B类不确定度分量为0.00007V;根据测量装置使用手册,采样器每隔0.7s进行一次数据处理,外界噪声干扰为±0.00002V,造成的测量不确定度为0.00002V。所以合成标准不确定度为0.0001V,相对扩展不确定度为0.01%(K=2)。测量装置中直流分流器的作用是测定闭合回路直流电流的大小表2 电流测量用分流器技术参数。
采用标准电流源提供实验直流电流,测量装置对电流数据进行收集。在此次实验中,采样器模数转换器积分时间设置为0.007s,可以看出在0～50A的实验区间内,测量电流装置的准确度均优于±0.1%。
测量电流装置的不确定度评定以1A电流为基础开展实验。反复测量10次,然后对实验结果采用标准偏差法得到A类测量不确定度为0.00006A;采样器量程为100mV,根据37711A使用手册,测量分流器电压装置的准确度为±0.005mV,则相应的B类不确定度分量为0.00003A;根据实验装置实验手册,采样器每隔0.7s进行一次数据处理,外界噪声干扰为±0.0002mV,引起的测量不确定度为0.00001V;分流器准确度为±0.01%,造成的相对不确定度分量为0.008%。所以合成标准相对不确定度为0.01%,相对扩展不确定度为0.02%(K=2)。电容器充放电过程较慢时,采样器的采样周期可以适当增大,与此同时采样数据处理器的处理周期也要适当增大,这样得到的结果精确性更高。
2.2 静电容量测量方法比较
本文对1F～100F电容静电容量采取了多种方法进行测量,其中包括恒流放电法、恒流充电法和恒电阻放电法,其中在恒流充电法与恒流放电法测量时,控制两者中的电流相同。 Panasonic 10F电容器静电容量。
表5 Panasonic 10F电容器静电容量
在额定电压70%至额定电压80%电压区间内被测电容的线性关系比较明显,因此可采用直线近似法、三次多项式拟合法、线性拟合法、电量积分法以及能量积分法得到的计算结果更为准确,能量积分法在本文的相关计算过程中运用的最多。将采用能量积分法得到的结果进一步计算,发现这几种测量方法中等效容量的误差最大值分别为1.0%,1.3%,2.3%,2.0%,1.9%,2.0%,选取Nesscap 50F电容器静电容量采用En值判断法对结果进行
根据En值判断法的实际意义,|En|<1则表示测量结果误差较小、可信度高。电容器静电容量大小与标准大小相差在-20%～80%,且电容器电容量具有许多不可控的因素,通过分析以上结果判定三种测量方法得到的结果是一致的。
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