云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 楊文鏹 張 慶 楊 敏 張國(guó)志 王朝宇

在家用電器上都存在電容器的身影，而全球大力發(fā)展的新能源汽車核心技術(shù)也涉及到電容器領(lǐng)域，其最大缺陷就是續(xù)航和動(dòng)力問題，從基礎(chǔ)物理知識(shí)可知，并聯(lián)電路中電壓相同，要增加電壓可將電容器串聯(lián)，而將電容器并聯(lián)可以解決續(xù)航問題[1]。在設(shè)計(jì)過程中多采用串聯(lián)并聯(lián)相結(jié)合的方式也引發(fā)了許多問題，因?yàn)闊o(wú)法保證電路中每個(gè)電容器地參數(shù)完全相同，在局部就有電容器被損壞，進(jìn)而對(duì)整個(gè)閉合回路造成影響。由此，為了提高經(jīng)濟(jì)效益和使用安全，準(zhǔn)確對(duì)電容器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估就顯得尤為重要，其中以靜電容量最具代表性。

1 測(cè)量裝置簡(jiǎn)介

電容器充放電測(cè)量裝置由直流充電電源KIKUSUI PBZ20-20、多個(gè)直流分流器、直流電子負(fù)載KIKUSUI PLZ164WA、交流內(nèi)阻模擬器、數(shù)字采樣表Agilent 34411A、電容內(nèi)阻測(cè)量電路以及一些相關(guān)部件組成（圖1）[2]，在充電回路中采用直流充電電源PBZ20-20作為電源，分流器RS1測(cè)量直流電流，放電回路中相關(guān)元件，直流電子負(fù)載PLZ164WA，分流器RS2測(cè)量放電回路中直流電流，S1、S2分別測(cè)量RS2電容兩端的直流電壓，項(xiàng)目中采用六位半數(shù)字多用表34411A[3]。

當(dāng)采用恒電阻放電法測(cè)量電容靜電容量時(shí)，用S1測(cè)量電容器兩端的電壓，S2測(cè)量分流器RS2兩端的電壓，電子負(fù)載PLZ164WA調(diào)為恒阻模式；當(dāng)采用恒流放電法測(cè)量靜電容量時(shí)，S1、S2的連接方式與上面保持一致，電子負(fù)載PLZ164WA調(diào)為恒流模式；當(dāng)采用恒流充電法測(cè)量時(shí)，S2測(cè)量分流器RS1兩端的電壓。電容內(nèi)阻的具體值可采用直流法測(cè)量，該方法可結(jié)合恒流放電法測(cè)量靜電容量的電路開展,還可以采用交流法進(jìn)行測(cè)量。PBZ20-20程控電源作為實(shí)驗(yàn)電源，采樣器為NI USB-6352數(shù)據(jù)采集卡，在測(cè)量交流電容和電阻R上的電壓采取兩個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行的方法，這樣可以減少交流電源帶來(lái)的誤差。

2 測(cè)量驗(yàn)證試驗(yàn)

通過已知電容的相關(guān)參數(shù)，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以此確保測(cè)量裝置的可使用性和精準(zhǔn)性[4]。

2.1 電壓電流采樣測(cè)量

為確保裝置中測(cè)量電壓部分精確，通過標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出直流電壓信號(hào)，裝置中測(cè)量電壓的部分對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行收集。此次實(shí)驗(yàn)中采樣器模數(shù)轉(zhuǎn)換器積分時(shí)間設(shè)置0.004s，則電壓測(cè)量結(jié)果如表1，可以看出裝置對(duì)于電壓的測(cè)定還是相當(dāng)精確的，在60V量程范圍內(nèi)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差控制在±0.02%以內(nèi)，該測(cè)量精度能夠達(dá)到計(jì)劃要求。

測(cè)量電壓裝置的不確定度評(píng)定以2V電壓為基礎(chǔ)開展實(shí)驗(yàn)。反復(fù)測(cè)量10次，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)偏差法得到A類測(cè)量不確定度為0.00002V；采樣器量程為10V，根據(jù)37711A使用手冊(cè)，測(cè)量2V電壓時(shí)的準(zhǔn)確度為±0.00011V，則相應(yīng)的B類不確定度分量為0.00007V；根據(jù)測(cè)量裝置使用手冊(cè)，采樣器每隔0.7s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理，外界噪聲干擾為±0.00002V，造成的測(cè)量不確定度為0.00002V。所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0001V，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.01%（K=2）。測(cè)量裝置中直流分流器的作用是測(cè)定閉合回路直流電流的大小。

表1 電壓采樣測(cè)量驗(yàn)證

表2 電流測(cè)量用分流器技術(shù)參數(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)電流源提供實(shí)驗(yàn)直流電流，測(cè)量裝置對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。在此次實(shí)驗(yàn)中，采樣器模數(shù)轉(zhuǎn)換器積分時(shí)間設(shè)置為0.007s（表3），可以看出在0～50A的實(shí)驗(yàn)區(qū)間內(nèi)，測(cè)量電流裝置的準(zhǔn)確度均優(yōu)于±0.1%。

表3 電流采樣測(cè)量驗(yàn)證

測(cè)量電流裝置的不確定度評(píng)定以1A電流為基礎(chǔ)開展實(shí)驗(yàn)。反復(fù)測(cè)量10次，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)偏差法得到A類測(cè)量不確定度為0.00006A；采樣器量程為100mV，根據(jù)37711A使用手冊(cè)，測(cè)量分流器電壓裝置的準(zhǔn)確度為±0.005mV，則相應(yīng)的B類不確定度分量為0.00003A；根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，采樣器每隔0.7s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理，外界噪聲干擾為±0.0002mV，引起的測(cè)量不確定度為0.00001V；分流器準(zhǔn)確度為±0.01%，造成的相對(duì)不確定度分量為0.008%。所以合成標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度為0.01%，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.02%（K=2）。電容器充放電過程較慢時(shí)，采樣器的采樣周期可以適當(dāng)增大，與此同時(shí)采樣數(shù)據(jù)處理器的處理周期也要適當(dāng)增大，這樣得到的結(jié)果精確性更高。

2.2 靜電容量測(cè)量方法比較

本文對(duì)1F～100F電容靜電容量采取了多種方法進(jìn)行測(cè)量，其中包括恒流放電法、恒流充電法和恒電阻放電法，其中在恒流充電法與恒流放電法測(cè)量時(shí)，控制兩者中的電流相同。結(jié)果見表4～表7。

表4 Maxwell 1F電容器靜電容量

表5 Panasonic 10F電容器靜電容量

在額定電壓70%至額定電壓80%電壓區(qū)間內(nèi)被測(cè)電容的線性關(guān)系比較明顯，因此可采用直線近似法、三次多項(xiàng)式擬合法、線性擬合法、電量積分法以及能量積分法得到的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，能量積分法在本文的相關(guān)計(jì)算過程中運(yùn)用的最多。將采用能量積分法得到的結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這幾種測(cè)量方法中等效容量的誤差最大值分別為1.0%，1.3%，2.3%，2.0%，1.9%，2.0%，選取Nesscap 50F電容器靜電容量采用En值判斷法對(duì)結(jié)果進(jìn)行

表6 Nesscap 50F電容器靜電容量

表7 Maxwell 100F電容器靜電容量

表8 三種方法測(cè)量靜電容量一致性核查

在此驗(yàn)證，再結(jié)合前面測(cè)量的不確定度，通過計(jì)算得到表8結(jié)果。

根據(jù)En值判斷法的實(shí)際意義，|En|<1則表示測(cè)量結(jié)果誤差較小、可信度高。電容器靜電容量大小與標(biāo)準(zhǔn)大小相差在-20%～80%，且電容器電容量具有許多不可控的因素，通過分析以上結(jié)果判定三種測(cè)量方法得到的結(jié)果是一致的。