一种超级电容器的性能测试方法与流程

本申请涉及超级电容器检测技术领域，尤其涉及一种超级电容器的循环性能测试方法。

背景技术：

作为一种功率型储能器件，超级电容器具有输出功率高、响应速度快、使用寿命长、免维护等优异特性，能够实现兆瓦级功率补偿，在电力调频、配电终端电源、电能质量调节等领域有着广泛应用前景。

可靠性是储能器件在大规模储能领域应用的先决条件与最关注的问题，储能器件的寿命预估对于储能系统的决策、设计、运维具有重要意义。标准《gb/t34870.1-2017》对超级电容器的循环性能测试方法为：(1)以恒定电流i对电容器单体充电到额定电压ur，静置5s；(2)以恒定电流i对电容器单体充电到最低工作电压umin，静置5s；；(3)重复步骤(1)～(2)2000次；(4)静置12h；(5)记录电容器单体内阻和容量，若满足双电层/混合型超级电容器容量和内阻的限定值，且无电解液泄漏，则跳转下一步，否则判定不合格并结束试验；(6)重复步骤(1)～(5)n次。混合型电容器n＝5，双电层电容器n＝10。目前，对于超级电容器的循环性能的评估仍停留在目前电子元器件和轨道交通领域的测试方法，多采用标准《gb/t34870.1-2017》类似的恒电流充放电的评估方式。而对于需要频繁功率充放电的应用场景如作为火电发电机组辅助调频系统或作为能量回收系统的应用场合，该测试方法与实际应用工况往往差别较大。

因此，需要建立针对电力储能应用场景的超级电容器循环性能测试方法，以有效评估超级电容器在电网应用场景下的循环性能，为超级电容器储能系统的设计、运维提供可靠支撑。

技术实现要素：

本申请提供了一种超级电容器的性能测试方法，解决了目前恒电流充放电与实际应用工况不符的问题，能够对超级电容器的循环性能进行可靠有效的进行评估。

本申请提供了一种超级电容器的性能测试方法，包括：

对超级电容器进行初始化处理；

对所述超级电容器进行充放电循环；其中，所述充放电环节具体包括：根据第一放电恒功率和第一预置时长对所述超级电容器放电；

根据第二放电恒功率和第二预置时长对所述超级电容器放电；

根据第三放电恒功率和第三预置时长对所述超级电容器放电；

根据第一充电恒功率和所述第一预置时长对所述超级电容器充电；

根据第二充电恒功率和所述第二预置时长对所述超级电容器充电；

根据第三充电恒功率和所述第三预置时长对所述超级电容器充电；

根据所述第三放电恒功率和所述第三预置时长对所述超级电容器放电；

根据所述第二放电恒功率和所述第二预置时长对所述超级电容器放电；

根据所述第一放电恒功率和所述第一预置时长对所述超级电容器放电；

根据所述第三充电恒功率和所述第三预置时长对所述超级电容器充电；

根据所述第二充电恒功率和所述第二预置时长对所述超级电容器充电；

根据所述第一充电恒功率和所述第一预置时长对所述超级电容器充电；

根据所述第一放电恒功率将所述超级电容器放电至所述超级电容器的电压等于预置放电电压阈值；

根据所述预置放电电压阈值和第四预置时长对所述超级电容器恒压充电；

依据预置时间对所述超级电容器进行静置处理；

对所述超级电容器进行性能测试，根据测试数据绘制相应的性能曲线，并依据所述测试数据判断所述超级电容器的循环性能。

优选的，所述对所述超级电容器进行充放电循环具体包括：依据预置充放电阈值对所述超级电容器初始化充放电循环；获取并记录所述超级电容器进行所述初始化充放电循环后的平均初始充电能量和平均初始放电能量。

优选的，所述依据预置充放电阈值对所述超级电容器初始化充放电循环具体包括：

根据额定放电功率将所述超级电容器放电至放电截止电压，静置10s；

根据额定充电功率将所述超级电容器充电至充电截止电压，静置10s。

优选的，所述对所述超级电容器进行充放电循环具体包括：依据预置循环阈值对所述超级电容器进行充放电循环；获取并记录所述超级电容器进行所述充放电循环后的充电能量和放电能量。

优选的，对所述超级电容器进行性能测试，根据测试数据绘制相应的性能曲线，并依据所述测试数据判断所述超级电容器的循环性能具体包括：

获取所述超级电容器根据所述预置循环阈值进行充放电循环后的充电循环能量和放电循环能量，并根据所述充电循环能量、所述放电循环能量、所述平均初始充电能量和所述平均初始放电能量计算所述超级电容器的充放电能量保持率和能量效率；并根据所述充放电能量保持率和所述能量效率绘制相应的性能曲线判断所述超级电容器的循环性能。

优选的，所述对所述超级电容器进行性能测试，并依据测试数据判断所述超级电容器的循环性能还包括：

判断所述内阻值是否大于标称值预置倍数，若是，则判定所述超级电容器的循环性能不合格。

优选的，所述预置时间具体为12小时。

优选的，所述预置循环阈值具体为250。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请提供了一种超级电容器的性能测试方法，包括：对超级电容器进行初始化处理；对所述超级电容器进行充放电循环；其中，所述充放电环节具体包括：根据第一放电恒功率和第一预置时长对所述超级电容器放电；根据第二放电恒功率和第二预置时长对所述超级电容器放电；根据第三放电恒功率和第三预置时长对所述超级电容器放电；根据第一充电恒功率和所述第一预置时长对所述超级电容器充电；根据第二充电恒功率和所述第二预置时长对所述超级电容器充电；根据第三充电恒功率和所述第三预置时长对所述超级电容器充电；根据所述第三放电恒功率和所述第三预置时长对所述超级电容器放电；根据所述第二放电恒功率和所述第二预置时长对所述超级电容器放电；根据所述第一放电恒功率和所述第一预置时长对所述超级电容器放电；根据所述第三充电恒功率和所述第三预置时长对所述超级电容器充电；根据所述第二充电恒功率和所述第二预置时长对所述超级电容器充电；根据所述第一充电恒功率和所述第一预置时长对所述超级电容器充电；根据所述第一放电恒功率将所述超级电容器放电至所述超级电容器的电压等于预置放电电压阈值；根据所述预置放电电压阈值和第四预置时长对所述超级电容器恒压充电；依据预置时间对所述超级电容器进行静置处理；对所述超级电容器进行性能测试，根据测试数据绘制相应的性能曲线，并依据所述测试数据判断所述超级电容器的循环性能。

本申请通过对超级电容器进行充放电循环测试来对超级电容器的循环性能进行预估，解决了目前恒电流充放电与实际应用工况不符的问题，能够对超级电容器的循环性能进行可靠有效的进行评估。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第一实施例的流程示意图；

图2为本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第二实施例的例1的电流、电压和功率随时间变化曲线；

图3为本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第二实施例的例1的循环性能曲线；

图4为本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第二实施例的例2的电流、电压和功率随时间变化曲线；

图5为本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第二实施例的例2的循环性能曲线。

具体实施方式

本申请提供了一种超级电容器的性能测试方法，解决了目前恒电流充放电与实际应用工况不符的问题，能够对超级电容器的循环性能进行可靠有效的进行评估。

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第一实施例的流程示意图。

本申请提供了一种超级电容器的性能测试方法，包括：

s1，对超级电容器进行初始化处理；

s2，对超级电容器进行充放电循环；其中，充放电环节具体包括：根据第一放电恒功率和第一预置时长对超级电容器放电；

根据第二放电恒功率和第二预置时长对超级电容器放电；

根据第三放电恒功率和第三预置时长对超级电容器放电；

根据第一充电恒功率和第一预置时长对超级电容器充电；

根据第二充电恒功率和第二预置时长对超级电容器充电；

根据第三充电恒功率和第三预置时长对超级电容器充电；

根据第三放电恒功率和第三预置时长对超级电容器放电；

根据第二放电恒功率和第二预置时长对超级电容器放电；

根据第一放电恒功率和第一预置时长对超级电容器放电；

根据第三充电恒功率和第三预置时长对超级电容器充电；

根据第二充电恒功率和第二预置时长对超级电容器充电；

根据第一充电恒功率和第一预置时长对超级电容器充电；

根据第一放电恒功率将超级电容器放电至超级电容器的电压等于预置放电电压阈值；

根据预置放电电压阈值和第四预置时长对超级电容器恒压充电；

s3，依据预置时间对超级电容器进行静置处理；

s4，对超级电容器进行性能测试，根据测试数据绘制相应的性能曲线，并依据测试数据判断超级电容器的循环性能。

需要说明的是，对超级电容器进行循环性能测试时，具体的步骤包括有：先对该超级电容器进行初始化处理，初始化处理后对该超级电容器进行充放电循环至循环次数达到一定的次数后，将该超级电容器静置一定时间后，对超级电容器进行性能测试，根据测试数据绘制相应的性能曲线，并根据获得的测试数据判断该超级电容器的循环性能。

以下将描述本申请提供的一种超级电容器的性能测试方法的第二实施例：

进一步地，对超级电容器进行充放电循环具体包括：依据预置充放电阈值对超级电容器初始化充放电循环；获取并记录超级电容器进行初始化充放电循环后的平均初始充电能量和平均初始放电能量。

需要说明的是，对超级电容器进行初始化处理具体包括以下步骤：

(1)、预充电：(1)在(25±2)℃下搁置5h；(2)以额定电流将该超级电容器单体充电至额定电压。

(2)、判定该超级电容器的类型，超级电容器的类型包括有双电层超级电容器、混合型超级电容器和电池型超级电容器。

(3)、对该超级电容器进行初始化充放电循环；

(4)、对该超级电容器进行初始内阻测试：根据标准《gb/t34870.1-2017》进行超级电容器内阻测试；

(5)、对该超级电容器进行初始化充电。

进一步地，对超级电容器初始化充放电具体包括：依据预置充放电阈值对超级电容器初始化充放电循环；获取并记录超级电容器进行初始化充放电循环后的平均初始充电能量和平均初始放电能量。

进一步地，依据预置充放电阈值对超级电容器初始化充放电循环具体包括：

根据额定放电功率将超级电容器放电至放电截止电压，静置10s；

根据额定充电功率将超级电容器充电至充电截止电压，静置10s。

需要说明的是，对该超级电容器进行初始化充放电循环具体包括：

a)超级电容器以额定放电功率prdn’放电至放电终止电压umin，静置10s；

b)超级电容器以额定充电功率prcn充电至充电终止电压ur，静置10s。

重复步骤a)～b)进行充放电循环3次，并取3次充放电循环的平均值，记录该超级电容器进行初始化充放电循环后的平均初始充电能量ecn(wh)和平均初始放电能量edn’(wh)；

进行完充放电循环后，分别对超级电容器进行初始内阻测试和对该超级电容器进行初始化充电，其中，初始化充电具体为将电容器单体以prcn恒功率充电至终止电压ur。

进一步地，充放电循环之后包括：

根据第一放电恒功率将超级电容器放电至超级电容器的电压等于预置放电电压阈值；

根据预置放电电压阈值和第四预置时长对超级电容器恒压充电。

需要说明的是，在前述步骤(1)-(5)的基础上，具体的充放电循环具体包括：

(6)超级电容器以m1prdn’恒功率放电n’/m1min；

(7)超级电容器以m2prdn’恒功率放电n’/m2min；

(8)超级电容器以m3prdn’恒功率放电n’/m3min；

(9)超级电容器以m1prcn恒功率充电n/m1min；

(10)超级电容器以m2prcn恒功率充电n/m2min；

(11)超级电容器以m3prcn恒功率充电n/m3min；

(12)超级电容器以m3prdn’恒功率放电n’/m3min；

(13)超级电容器以m2prdn’恒功率放电n’/m2min；

(14)超级电容器以m1prdn’恒功率放电n’/m1min；

(15)超级电容器以m3prcn恒功率充电n/m3min；

(16)超级电容器以m2prcn恒功率充电n/m2min；

(17)超级电容器以m1prcn恒功率充电n/m1min；

(18)超级电容器以m1prdn’恒功率放电至电压为u1；

(19)u1电压下恒压充电m×nmin；

重复循环步骤(6)～(19)250次；

然后静置12h。

进一步地，对超级电容器进行性能测试，根据测试数据绘制相应的性能曲线，并依据测试数据判断超级电容器的循环性能具体包括：

获取超级电容器根据预置循环阈值进行充放电循环后的充电循环能量和放电循环能量，并根据充电循环能量、放电循环能量、平均初始充电能量和平均初始放电能量计算超级电容器的充放电能量保持率和能量效率；并根据充放电能量保持率和能量效率绘制相应的性能曲线判断超级电容器的循环性能。

需要说明的是，获取超级电容器进行250次充放电循环结束时的充电循环能量和放电循环能量，并根据该充电循环能量和平均初始充电能量ecn(wh)计算该超级电容器的充电能量保持率和对应的充电能量效率；根据该放电循环能量和平均初始放电能量edn’(wh)计算该超级电容器的放电能量保持率和对应的放电能量效率和对应的放电能量效率；根据计算得到的充电能量保持率、充电能量效率、放电能量效率和放电能量效率作该超级电容器随循环次数变化的曲线图，并判断超级电容器是否满足以下条件：

充放电能量保持率：合格双电层超级电容器的充放电能量保持率不小于90％，合格混合型超级电容器和合格电池型超级电容器的充放电能量保持率不小于85％；

内阻变化：合格的双电层超级电容器在根据标准《gb/t34870.1-2017》进行超级电容器内阻测试后的内阻变化不大于标称值的1.5倍，合格的混合型超级电容器和合格电池型超级电容器在根据标准《gb/t34870.1-2017》进行超级电容器内阻测试后的内阻变化不大于标称值的2倍；

判断该超级电容器是否存在电解液泄露或者是否存在明显的外形变化，只有在满足上述判断条件前提下的超级电容器，并满足不存在电解液泄露和不存在明显的外形变化，才能判定该超级电容器的循环性能为合格。

最后重复步骤(5)～(22)10-40次，其中，双电层超级电容器重复40次，混合型超级电容器重复20次，电池型超级电容器重复10次，并做好相应的记录；

根据记录的测试数据绘制该测试条件下的循环充放电寿命曲线，能够有效评估在实际功率运行条件下超级电容器的循环性能，为超级电容器的实际应用提供寿命参考依据。

其中，各项参数定义如下：

n：超级电容器的额定充电分钟率，其数值等于超级电容器的额定充电能量/额定充电功率*60，并应从下列数值中选取：0.5、1、2、4、8、16；

n’：超级电容器的额定放电分钟率，其数值等于超级电容器的额定放电能量/额定放电功率*60，并应从下列数值中选取：0.5、1、2、4、8、16；

ercn：n分钟额定充电能量，电容器单体和模组的单位为wh。

erdn’：n′分钟额定放电能量，电容器单体和模组的单位为wh。

prcn：n分钟额定充电功率，电容器单体的单位为w，电容器模组的单位为kw。

prdn’：n′分钟额定放电功率，电容器单体的单位为w，电容器模组的单位为kw。

ur：额定最高工作电压，v；

umin：额定最低工作电压，v；

ir：电容器的额定电流，a；

r：电容器内阻，ω；

步骤(6)～(17)中，m1～m3为0.25～4，且m1<m2<m3，作为优选，m1＝1，m2＝2，m3＝3；m1～m3为0.25～16，且m1<m2<m3，作为优选，m1＝4，m2＝8，m3＝12；同时，mi和mi还应满足

步骤(18)中u1为umin～0.9ur，作为优选，u1选择(ur+umin)/2。

步骤(19)中m为1～6，作为优选，m选择3。

进一步地，对超级电容器进行性能测试，并依据测试数据判断超级电容器的循环性能还包括：

判断内阻值是否大于标称值预置倍数，若是，则判定超级电容器的循环性能不合格。

进一步地，预置时间具体为12小时。

进一步地，预置循环阈值具体为250。

以下将通过两个具体例子来对本申请的第二实施例作进一步说明：

例1：

(1)测试对象：a厂家标称容量为3000f双电层超级电容器单体；

(2)测试仪器：电池测试系统(测量范围0-5v，±100a，测试精度：±0.05％fs)；高低温箱(-40～65℃)；以上仪器均通过计量校准。

(3)测试步骤：

(a)预充电

1)在(25±2)℃下搁置5h；

2)以额定电流45a将电容器单体充电至额定电压2.7v。

(b)初始化充、放电

1)电容器单体以额定放电功率90w放电至1.35v，静置10s；

2)电容器单体以额定充电功率90w充电至2.7v，静置10s。

3)重复步骤1)～2)进行充放电循环3次，取3次试验的平均值，记录初始充电能量ecn(wh)、放电能量edn’(wh)。

(c)初始内阻测试

根据标准《gb/t34870.1-2017》进行超级电容器内阻测试。

(d)初始化充电，按照(b)的2)步骤将电容器单体以90w恒功率充电至2.7v；

(e)电容器单体以40w恒功率放电1min；

(f)电容器单体以80w恒功率放电0.5min；

(g)电容器单体以120w恒功率放电0.25min；

(h)电容器单体以40w恒功率充电1min；

(i)电容器单体以80w恒功率充电0.5min；

(j)电容器单体以120w恒功率充电0.25min；

(k)电容器单体以120w恒功率放电0.25min；

(l)电容器单体以80w恒功率放电0.5min；

(m)电容器单体以40w恒功率放电1min；

(n)电容器单体以120w恒功率充电0.25min；

(o)电容器单体以80w恒功率充电0.5min；

(p)电容器单体以40w恒功率充电1min；

(q)电容器单体以40w恒功率放电至电压为2.26v；

(r)2.26v电压下恒压充电5min；

(s)重复循环步骤(d)～(r)250次；

(t)静置12h；

(u)按照步骤(b)～(c)的测试方法检测电容器单体的充电能量、放电能量和内阻，计算250次循环结束时的充电能量、放电能量相对于首次循环结束时的充电能量、放电能量的能量保持率及对应的能量效率；根据试验数据作充电能量保持率、放电能量保持率及能量效率随循环次数变化的曲线图，若满足以下条件：

——充、放电能量保持率不小于90％；

——内阻变化不大于标称值的1.5倍；

——无电解液泄漏或明显外形变化。

则跳转下一步，否则判定为不合格并结束试验。

(v)重复步骤(d)～(u)40次，做好相应记录。

a厂家(e)～(r)步电流、电压和功率随时间变化曲线如附图2所示，循环性能曲线如附图3所示。

例2：

测试对象：b厂家标称容量为2500f锂离子超级电容器单体；

(2)测试仪器：电池测试系统(测量范围0-5v，±100a，测试精度：±0.05％fs)；高低温箱(-40～65℃)；以上仪器均通过计量校准。

(3)测试步骤：

(a)预充电

a)在(25±2)℃下搁置5h；

b)以额定电流30a将电容器单体充电至额定电压3.8v。

(b)初始化充、放电

a)电容器单体以额定放电功率90w放电至2.2v，静置10s；

b)电容器单体以额定充电功率90w充电至3.8v，静置10s。

c)重复步骤a)～b)进行充放电循环3次，取3次试验的平均值，记录初始充电能量ecn(wh)、放电能量edn’(wh)。

(c)初始内阻测试

根据标准《gb/t34870.1-2017》进行超级电容器内阻测试。

(d)初始化充电，按照(b)的b)步骤将电容器单体以90w恒功率充电至3.8v；

(e)电容器单体以50w恒功率放电1min；

(f)电容器单体以100w恒功率放电0.5min；

(g)电容器单体以150w恒功率放电0.33min；

(h)电容器单体以50w恒功率充电1min；

(i)电容器单体以100w恒功率充电0.5min；

(j)电容器单体以150w恒功率充电0.33min；

(k)电容器单体以150w恒功率放电0.33min；

(l)电容器单体以100w恒功率放电0.5min；

(m)电容器单体以50w恒功率放电1min；

(n)电容器单体以150w恒功率充电0.33min；

(o)电容器单体以100w恒功率充电0.5min；

(p)电容器单体以50w恒功率充电1min；

(q)电容器单体以50w恒功率放电至电压为3.25v；

(r)3.25v电压下恒压充电5min；

(s)重复循环步骤(d)～(r)250次；

(t)静置12h；

(u)按照步骤(b)～(c)的测试方法检测电容器单体的充电能量、放电能量和内阻，计算250次循环结束时的充电能量、放电能量相对于首次循环结束时的充电能量、放电能量的能量保持率及对应的能量效率；根据试验数据作充电能量保持率、放电能量保持率及能量效率随循环次数变化的曲线图，若满足以下条件：

——充、放电能量保持率不小于85％；

——内阻变化不大于标称值的2倍；

——无电解液泄漏或明显外形变化。

则跳转下一步，否则判定为不合格并结束试验。

(v)重复步骤(d)～(u)20次，做好相应记录。

b厂家(e)～(r)步电流、电压和功率随时间变化曲线如附图4所示，循环性能曲线如附图5所示。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。