淺談恒流充放電模式電容器電容量的測量

劉野　郭瑩

摘 要：電容器是電子設(shè)備不可缺少的重要元件之一。它用途廣泛、種類繁多，尤其是雙電層電容器（超級電容器），由于它具有很多優(yōu)點，并且有其特殊性，對于它的測量，必須采取有效的方法，才能正確應(yīng)用。文章根據(jù)雙電層電容器的特點，通過對多種測量方法的比較，采用合理的方法對電容量進(jìn)行測量。

關(guān)鍵詞：雙電層電容器；恒流充放電模式；測量

1 電容器電容量測量的一般方法

1.1 橋路測量法

這種方法可以通過交流電橋測量電容量和損耗因數(shù)。在串聯(lián)電橋中，通過調(diào)節(jié)使電橋平衡，計算Cx值，這種電橋適用于測量損耗小的電容器。在并聯(lián)電橋中，通過調(diào)節(jié)使電橋平衡，計算Cx值，這種電橋適于測損耗大的電容。這兩種方法，實際上都無法直接測得電容值，而是通過間接量的測量來算出電容值，存在很大的誤差。

1.2 諧振法測量電容量

這種方法將交流電壓表標(biāo)準(zhǔn)電感L和被測電容Cx連接成并聯(lián)電路，其中C0為標(biāo)準(zhǔn)電感的分布電容。調(diào)節(jié)信號源的頻率，使并聯(lián)電路諧振即電流電壓表讀出最大值，確定電壓表讀數(shù)最大時所對應(yīng)的信號源頻率f0，可計算被測Cx值。這種方法可以粗略地算出電容值，對于精度要求高的場合不適用。

1.3 恒流法測電容量

根據(jù)電容量的定義式，當(dāng)電流恒定時，電壓也恒定，因此C與T成正比關(guān)系。在電容的等效串聯(lián)電阻恒定的情況下，只要對電容充電直到充滿為止，即可測出電容量。這種方法對于一般的電容器可以使用，但是對于雙電層電容器是不適用的。一雙電層電容器容量大，不容易選擇合適的充電電壓來保證有效時間內(nèi)充電結(jié)束；二雙電層電容器的ESR是個變化值，電容與時間的比例常數(shù)是個不確定值，無法建立確定的函數(shù)關(guān)系來表示C與T，不能完成精確的測量。

1.4 恒壓法測量電容量

這種方法也是根據(jù)電容量的定義式，其中RC是外電阻與ESR之和，不同的ESR引起不同的偏差造成電容測量值的誤差。在于不同的ESR造成電荷與電壓曲線的線性度不好，由于溫度與電流的變化引起ESR的變化，在對電容充電時充電時間不確定。

綜上所述，這些普通測量方法對于雙電層電容器的容量測量是不適用的，必須選擇一種合適的測量方法，既可以適應(yīng)雙電層電容器的測量，又有其一般性，可以實現(xiàn)對電容量準(zhǔn)確的測量。

2 恒流充放電法測量電容量

2.1 超級電容器充放電時間

超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是溫度，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。

超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)τ在1-2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5-10s。

2.2 設(shè)計方案

此方法采用恒流充放電模式以實現(xiàn)對電容器電容量的測量，尤其是對雙電層電容器的電容量測量，即大電容量的測量。

這種方法是根據(jù)電容器容量的不同，分成不同檔位，應(yīng)用不同的電流對外測電容進(jìn)行恒流充電直到充滿為止。這時根據(jù)電容量的定義式：

可見，電容器的電容量是一定值，若當(dāng)充電電流為恒定時，電容器的電容量將由時間與電壓的變化來確定，并且會呈現(xiàn)一種很好的線性關(guān)系，這就可以得到一種輕松的方法來測量電容器的電容量。

從前面的介紹中可知，雙電層電容器的耐壓很低，因此上門限值也不能選的太高，并且由于ESR的影響，ESR是一個不確定值，不同的雙電層電容器的ESR不同，因此下門限又不能選的太低。測量時首先對電容器充電，由于ESR的影響，電容端電壓起點不為零，此方法方案的提出是在一系列的測量比較基礎(chǔ)上論證得到，也正是利用這一特點，為避免誤差的產(chǎn)生，可以選擇下門限為1.25V。

選擇上門限值為2.5V，在這段時間內(nèi)記數(shù)，最大充電電壓工作值選為3V。這樣選取的原因是由于電容器的漏電流問題，如果選擇2.5V即停止充電，很可能由于漏電流的原因，使電容端電壓下降，一旦降到1.25V以下，電容器將重新開始充電，重新記數(shù)，如此反復(fù)則影響測量結(jié)果，因此選擇大電壓門限對電容器充電，使其端電壓不至下降太快而影響測量結(jié)果。

2.3 門限電壓

因此最后確定門限值如下：

1.25V為下門限；2.5V為上門限；3V為最大工作電壓。

即，測量電路將從1.25V開始記數(shù)，當(dāng)U上升為2.5V時停止記數(shù)，當(dāng)U=3V時電路停止工作，此測量結(jié)果在實驗前已經(jīng)過反復(fù)測量論證，結(jié)論符合測量要求，滿足測量精度要求。

3 結(jié)束語

電容量測試儀為測量大容量的雙電層電容器帶來了方便，同時也為其他類型電容器的測量提出了一種新的方法。恒流充放電模式根據(jù)電容的特性而制成，它比其他的方法更適合電容量的測量，它的原理簡單，設(shè)計思路清晰，制作方便，無須特殊器件?？梢宰鳛楫a(chǎn)品應(yīng)用到實踐中，實現(xiàn)批量化的生產(chǎn)，為用戶創(chuàng)造價值。經(jīng)過實際檢驗，即對具體的電容量進(jìn)行測量正反兩方面的充放電反復(fù)測量，證明完全滿足各項指標(biāo)及要求，并達(dá)到的高精度，實現(xiàn)了高性能。此設(shè)計方案具有實際應(yīng)用的價值，值得推廣。

綜上所述，此方法無論從實驗角度，還是從使用角度，都滿足應(yīng)用的要求，因此在組裝調(diào)試過程及實際應(yīng)用中所應(yīng)用的技術(shù)都是有價值的，在應(yīng)用于大容量電容的測量中需加大充電電流，因此此方法還需要進(jìn)一步完善，提高精度及有效位等。

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