超級電容壽命影響因素的實驗研究

路丹花，周雪松，杜穎穎，周時國

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州　450016）

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超級電容壽命影響因素的實驗研究

路丹花，周雪松，杜穎穎，周時國

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450016）

摘要：超級電容已用于混合動力汽車上，對混合動力汽車的節(jié)油率至關(guān)重要。本文通過實驗方法研究了溫度、電壓和電流對超級電容壽命的影響，為延長超級電容的使用壽命提供參考。

關(guān)鍵詞：超級電容；使用壽命；影響因素；實驗研究

超級電容器，又稱電化學(xué)雙電層電容器（EDLC），其在儲能過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且是可逆的[1]。由于其充電速度快、功率密度高、壽命長、工作溫限寬、安全性高、免維護等優(yōu)異特性[2-4]，被廣泛用于混合動力汽車上。利用超級電容瞬間高功率特性，避免了要求發(fā)動機頻繁起動和蓄電池提供瞬間大功率的特殊要求，同時還可以對制動能量進行高效回收利用，從而可以節(jié)約能源、減少排放污染，尤其適合經(jīng)常在城市行駛的混合動力車上[5-6]。雖然廠商聲稱超級電容單體壽命可達50萬次[4]，但不能保證超級電容在整車運行的使用壽命，因為整車使用的是大量單體電容的串并聯(lián)組合，其壽命受到溫度、偏置電壓、單體不一致等諸多因素的影響，使其實際工作壽命小于單體的壽命[5]。根據(jù)超級電容的特點，本文通過一系列實驗，研究溫度、電壓和電流對超級電容壽命的影響，為延長超級電容使用的壽命提供參考。

1　實驗方法

本文的測試對象為額定電壓2.7V，額定容量3 000 F的超級電容單體。針對影響電容壽命的三個因素：溫度、電壓、電流，試驗選用3個不同溫度，5個不同電壓，2個不同電流進行測試。為了保證試驗的準確性和防止試驗中因意外情況中斷，每個測試項目用2只超級電容單體，共用20只超級電容單體做測試樣本。

試驗在開始前先測初始容量，以后每隔20天測一次容量值，測得的容量值除以初始容量則為容量保持率。當容量保持率下降到70%時，則判定超級電容壽命終止，停止測試。容量測試方法如圖1所示。容量的計算方法參考標準中的公式[7]1），式中：C為容量，F(xiàn)；I為放電電流，即10A；V1為額定電壓的0.8倍，V；V2為額定電壓的0.5倍，V；t1為放電至V1時的時間，s；t2為放電至V2時的時間，s。以第2和第3循環(huán)的容量的平均值為測試容量。1）試驗溫度對壽命的影響。方法：超級電容在恒定的溫度條件下保持恒壓充電，使電壓穩(wěn)定在2.7V，以排除電壓對壽命的影響。恒壓充電的電流很小，為毫安級。因此，可以忽略電流對壽命的影響。恒溫定在三個不同的環(huán)境溫度：65℃、55℃、45℃。由于未做相關(guān)壽命試驗，低溫和超低溫對壽命的影響不予介紹。

圖1　超級電容的容量測試流程圖

2）試驗電壓對壽命的影響。方法：超級電容在65℃的恒定溫度條件下，以排除溫度對壽命的影響。恒壓充電保持電壓穩(wěn)定，設(shè)置為5個不同的充電電壓：2.7V、2.6V、2.5V、2.4V、2.3V。

3）試驗電流對壽命的影響。方法：超級電容擱置在恒溫箱中，恒溫箱的溫度設(shè)置在55℃，以排除溫度對壽命的影響。選用不同的電流（180A、90A）對超級電容進行恒流充放電，電容的電壓范圍控制在1.35～2.7V之間。180A和90A是兩倍的關(guān)系，充放電之間沒有靜置，因此，在充放電循環(huán)中，電容在不同電壓下保持的時間相同，也排除了電壓對壽命的影響。

2　實驗結(jié)果

2.1溫度的影響

圖2　超級電容在不同溫度下的容量衰減曲線

容量保持率隨天數(shù)變化的曲線比較符合冪函數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系[8]，采用Matlab軟件對測試曲線進行擬合，擬合采用的曲線公式為y=1-a×xb，其中y為容量保持率；x為天數(shù)，a和b是系數(shù)。圖2中的實線為55℃和45℃的壽命曲線的擬合曲線。從圖2中可見，冪函數(shù)可以很好地擬合超級電容的容量衰減軌跡，由擬合曲線得出的結(jié)果如圖3所示。

圖3　用擬合方法得出不同溫度下的壽命

圖4　超級電容在不同電壓的容量衰減曲線

圖5　用擬合方法得出的不同電壓的壽命

圖5的結(jié)果顯示，隨著電容電壓的降低，壽命逐漸增加。從比較結(jié)果看，比值從1.27降為1.15，最后降為1.13。這說明在相同溫度條件下，電壓對電容壽命的影響較大。隨著電壓的降低，電壓對壽命的影響度逐漸減小。

2.3電流的影響

圖6為電容在55℃環(huán)境下，以180A和90A恒流充放電試驗的容量衰減曲線。從圖中可見，兩條曲線基本重合，雖然電容是在55℃的恒溫環(huán)境中，但充放電過程中因內(nèi)阻等原因產(chǎn)生的熱量使電容溫度升高，電流大，發(fā)熱大，所以做180A充放電的電容的溫度稍高。根據(jù)溫度對電容壽命的影響，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，壽命越短，所以使用180A的電流進行充放電，其容量衰減稍快。因此，電容在實際應(yīng)用中，電容的溫度實際等效為環(huán)境溫度加上充放電電流發(fā)熱產(chǎn)生的溫升，充放電電流增大，溫升變大。雖然90A和180A充放電的壽命一致，但任何事都有一個限度。超過一定限度后，電流過大對電容壽命還是有影響的。因此，該實驗的結(jié)論：保持電容的溫度一致。在電容允許的電流范圍內(nèi)，充放電電流的大小對電容壽命的影響可以忽略。

圖6　不同充放電電流的容量衰減曲線

3　結(jié)束語

本文通過一系列試驗，研究溫度、電壓和電流對超

Experimental Study on Influence Factors of Supercapacitor's Lifetime

Lu Danhua, Zhou Xuesong, Du Yingying, Zhou Shiguo
（Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd, Zhengzhou 450016, China）

Abstract：Supercapacitors have been used for hybrid vehicles, they are important for the oil-saving of hybrid vehicle. This paper studies the influence oftemperature, voltage and current on the supercapacitor's lifetime by means of experiments. The studyresults can provide references for prolongingthe service life ofsupercapacitors.

Key words:supercapacitor; service life; influence factor; experimental study

作者簡介：路丹花（1986-），女，碩士；電源系統(tǒng)工程師；主要從事電源系統(tǒng)的測試工作。

中圖分類號：U469.7；TM53

文獻標志碼：B

文章編號：1006-3331（2016）01-0051-03