電容器電容量及內(nèi)阻測量技術(shù)研究

物理學家亥姆霍茲在物理學研究過程中發(fā)現(xiàn)并提出了雙電層理論，以這一理論為鋪墊，全新的電容器概念被提出，與普通的電容器相比，全新的電容器附加了電池功能。但是其與電池相比不具備電池內(nèi)部的化學反應，電容器擁有可逆的儲能過程，意味著電容器可以進行多次的充電與放電，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)研究其充放電次數(shù)高達十萬，除了次數(shù)多之外，對環(huán)境友好、快速完成充電、較好的溫度特性以及使用壽命長的特點[1]。

正是由于以上的特點，其在實踐當中應用的范圍較廣，在開路電壓上電容器的常見電壓為2.7V，在數(shù)值上相對較低，為了保證加大的開路電壓數(shù)值，在實際應用當中常常串聯(lián)多個電容器使用，在考慮到能量存儲問題時有需要將其并聯(lián)使用[2]。單體電容的內(nèi)阻與靜電容量等參數(shù)在串聯(lián)或者并聯(lián)的過程中在數(shù)值上并不相同，同時其器械兩端的電壓也會在大電流流經(jīng)時出現(xiàn)平衡失調(diào)的情況，進而出現(xiàn)了電容器的過度充放電情況，長久以往將對電容器造成損耗，影響使用時間，同時電路也會出現(xiàn)隱患問題。因此在設備出廠時必要進行測試參數(shù)的工作，主要測試的參數(shù)內(nèi)容是內(nèi)阻與靜電容量。

1 電容器的工作原理

正負兩極以及電解液與隔膜組成了電容器，在結(jié)果與設計原理上與普通電容器的差別并不顯著，電極材料的才是主要區(qū)別[3]。電容器實現(xiàn)工作的基本原理，主要依靠雙電層，也是電荷的存儲部位，雙電層的組成是建立在多孔電極與電解液的基礎上的，多孔電極主要是活性炭，擁有很大的表面積，在厚度上，雙電層通常不大于0.5mm。電容器在進行充電的過程中，正負電荷分別被正負極材料所吸引搜集，由于電荷的積累，進而觸發(fā)靜電，電解液的電子吸附于正負極正好相反，電極與離子上的電荷在大小相等但是正負符號相反，因此形成了雙電層，電勢差出現(xiàn)在正負極之間。外電源被切斷之后，電解液當中離子濃度變小，但是依然保持中性狀態(tài)，說明了雙電層繼續(xù)平衡存在的原因。從而實現(xiàn)了電能與靜電能之間的轉(zhuǎn)換，存儲靜電能。

放電的過程與充電的過程是相反的，放電時電勢差存在于正負兩個電極之間，充電過程中存儲的靜電能依靠負載電阻轉(zhuǎn)化為電能，電解液中的離子濃度加大。但容器儲存能量過程中是物理反應，具有一定的安全性。

2 電容器測試技術(shù)研究

2.1 測量參考標準

2006年提出的《IEC62391電氣設備用固定式雙層電容器》這一標準是電容器測量工作中被各大實驗室普遍采用的，此標準的修訂時間是2015年，對電容量計算方法進行了增補，添加了建立在能量變化之上的計算方法，這一標準的使用范圍局限在中小容量電容器[4]。

目前主要有恒流放電法和時間常數(shù)法用于測試IEC靜電容量。前者方法：對電容的充電電流為直流，當達到額定電壓的數(shù)值之后，再充電半個小時，此時采用恒壓而后恒流的方式進行電容放電操作，對電容的端電壓進行測量，靜電容量值的計算根據(jù)端電壓從80%降至40%額定電壓過程的用時；后者方法：通過將電阻以串聯(lián)的形式接入充電回路對電阻的大小進行調(diào)節(jié)，保持在1min～2min 內(nèi)將電壓從0升至63.2%的額定電壓，靜定容量可以根據(jù)實際所需時間確定。直流與交流是針對電容內(nèi)阻的方法，直流方法：對電容器進行充點，以達到額定電壓，放電過程使用的電流為直流大電流，測量并記錄電壓在放電瞬間的突變，從而將內(nèi)阻數(shù)值計算得出。交流方法測量內(nèi)阻在原理上與蓄電池、鋰電池相同，都使用到1kHz的交流信號。

我國于2006年發(fā)布了《QCT741車用電容器》，主要適用于國內(nèi)的汽車行業(yè)，此標準在2014年進行了修訂補充，這一標準中提出的方法與恒流放電法的差異不大，但是我國頒布的這一標準是偏向于大靜電容量與大電流，被我國汽車技術(shù)中心與實驗室普遍采用。

2.2 國內(nèi)外電容器測量技術(shù)研究現(xiàn)狀

電容器測試工作已經(jīng)相對成熟，國外學者對此進行了長時間的研究，R.L.Spyker、R.M.Nelms 等學者在測量靜電容量的研究中依托了恒流放電法，并結(jié)合多支路等效電路模型與電容器經(jīng)典模型。此外意大利研究人員在測量靜電容量的過程中也建立并使用了“兩支路模型”，研究結(jié)果顯示其誤差結(jié)果不大于4%[5]。

加利福尼亞大學研究了電容器相關(guān)參數(shù)的測量工作，研究結(jié)果標明，電容器的電壓與經(jīng)典容量之間存在關(guān)聯(lián)，在測量靜電容量時使用的方法是恒流與恒功率放電法，結(jié)果的確定度在數(shù)值上不大于10%，兩種方法在對450F的標稱值電容測量工作中，前者的誤差是1.5%量級，后者是9.6%；兩種方法在對3000F的標稱值電容測量工作中，前者的誤差是1.1%量級，后者是11%。

我國雖然研究電容器的時間很短，但是在研究過程中取得的進展卻是突破性的。當前我國市場當中已經(jīng)擁有大量可以進行電容檢測的儀器，其測量范圍幾乎涵蓋了電容器的每一個參數(shù)，國內(nèi)一些設備雖然擁有相對齊全的測量功能，但是在結(jié)果的準確性上往往很難保障，并且具有較差的穩(wěn)定性，與先進的測量儀器之間存在一定程度的距離[6]。

我國已經(jīng)有大量科研機構(gòu)開始研究電容器材料、工藝制作流程的工作。目前國內(nèi)較為推崇的參數(shù)測量方法是恒流放電法，依托IEC 標準。對于在確定區(qū)間之間的等效電容測量上能發(fā)揮較大優(yōu)勢。當前的熱點研究內(nèi)容是測試電容動態(tài)變化特性。于鵬等學者將電容值測量的數(shù)學方程組依托電荷與能量關(guān)系式推導得出，在測量技術(shù)上實現(xiàn)了從靜態(tài)測量到動態(tài)測量的突破。李忠等學者對充電兩個階段過程的試驗與時間序列進行研究，在數(shù)定量的數(shù)學關(guān)系上確定了時間電容量與充電電流之間的擬合關(guān)系。