超级电容寿命影响因素的实验研究

路丹花，周雪松，杜颖颖，周时国

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州　450016）



超级电容寿命影响因素的实验研究

路丹花，周雪松，杜颖颖，周时国

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450016）

摘要：超级电容已用于混合动力汽车上，对混合动力汽车的节油率至关重要。本文通过实验方法研究了温度、电压和电流对超级电容寿命的影响，为延长超级电容的使用寿命提供参考。

关键词：超级电容；使用寿命；影响因素；实验研究

超级电容器，又称电化学双电层电容器（EDLC），其在储能过程中不发生化学反应，并且是可逆的[1]。由于其充电速度快、功率密度高、寿命长、工作温限宽、安全性高、免维护等优异特性[2-4]，被广泛用于混合动力汽车上。利用超级电容瞬间高功率特性，避免了要求发动机频繁起动和蓄电池提供瞬间大功率的特殊要求，同时还可以对制动能量进行高效回收利用，从而可以节约能源、减少排放污染，尤其适合经常在城市行驶的混合动力车上[5-6]。虽然厂商声称超级电容单体寿命可达50万次[4]，但不能保证超级电容在整车运行的使用寿命，因为整车使用的是大量单体电容的串并联组合，其寿命受到温度、偏置电压、单体不一致等诸多因素的影响，使其实际工作寿命小于单体的寿命[5]。根据超级电容的特点，本文通过一系列实验，研究温度、电压和电流对超级电容寿命的影响，为延长超级电容使用的寿命提供参考。

1　实验方法

本文的测试对象为额定电压2.7V，额定容量3 000 F的超级电容单体。针对影响电容寿命的三个因素：温度、电压、电流，试验选用3个不同温度，5个不同电压，2个不同电流进行测试。为了保证试验的准确性和防止试验中因意外情况中断，每个测试项目用2只超级电容单体，共用20只超级电容单体做测试样本。

试验在开始前先测初始容量，以后每隔20天测一次容量值，测得的容量值除以初始容量则为容量保持率。当容量保持率下降到70%时，则判定超级电容寿命终止，停止测试。容量测试方法如图1所示。容量的计算方法参考标准中的公式[7]1），式中：C为容量，F；I为放电电流，即10A；V1为额定电压的0.8倍，V；V2为额定电压的0.5倍，V；t1为放电至V1时的时间，s；t2为放电至V2时的时间，s。以第2和第3循环的容量的平均值为测试容量。1）试验温度对寿命的影响。方法：超级电容在恒定的温度条件下保持恒压充电，使电压稳定在2.7V，以排除电压对寿命的影响。恒压充电的电流很小，为毫安级。因此，可以忽略电流对寿命的影响。恒温定在三个不同的环境温度：65℃、55℃、45℃。由于未做相关寿命试验，低温和超低温对寿命的影响不予介绍。

图1　超级电容的容量测试流程图

2）试验电压对寿命的影响。方法：超级电容在65℃的恒定温度条件下，以排除温度对寿命的影响。恒压充电保持电压稳定，设置为5个不同的充电电压：2.7V、2.6V、2.5V、2.4V、2.3V。

3）试验电流对寿命的影响。方法：超级电容搁置在恒温箱中，恒温箱的温度设置在55℃，以排除温度对寿命的影响。选用不同的电流（180A、90A）对超级电容进行恒流充放电，电容的电压范围控制在1.35～2.7V之间。180A和90A是两倍的关系，充放电之间没有静置，因此，在充放电循环中，电容在不同电压下保持的时间相同，也排除了电压对寿命的影响。

2　实验结果

2.1温度的影响

图2　超级电容在不同温度下的容量衰减曲线

容量保持率随天数变化的曲线比较符合幂函数的数学关系[8]，采用Matlab软件对测试曲线进行拟合，拟合采用的曲线公式为y=1-a×xb，其中y为容量保持率；x为天数，a和b是系数。图2中的实线为55℃和45℃的寿命曲线的拟合曲线。从图2中可见，幂函数可以很好地拟合超级电容的容量衰减轨迹，由拟合曲线得出的结果如图3所示。

图3　用拟合方法得出不同温度下的寿命

图4　超级电容在不同电压的容量衰减曲线

图5　用拟合方法得出的不同电压的寿命

图5的结果显示，随着电容电压的降低，寿命逐渐增加。从比较结果看，比值从1.27降为1.15，最后降为1.13。这说明在相同温度条件下，电压对电容寿命的影响较大。随着电压的降低，电压对寿命的影响度逐渐减小。

2.3电流的影响

图6为电容在55℃环境下，以180A和90A恒流充放电试验的容量衰减曲线。从图中可见，两条曲线基本重合，虽然电容是在55℃的恒温环境中，但充放电过程中因内阻等原因产生的热量使电容温度升高，电流大，发热大，所以做180A充放电的电容的温度稍高。根据温度对电容寿命的影响，在一定温度范围内，温度越高，寿命越短，所以使用180A的电流进行充放电，其容量衰减稍快。因此，电容在实际应用中，电容的温度实际等效为环境温度加上充放电电流发热产生的温升，充放电电流增大，温升变大。虽然90A和180A充放电的寿命一致，但任何事都有一个限度。超过一定限度后，电流过大对电容寿命还是有影响的。因此，该实验的结论：保持电容的温度一致。在电容允许的电流范围内，充放电电流的大小对电容寿命的影响可以忽略。

图6　不同充放电电流的容量衰减曲线

3　结束语

本文通过一系列试验，研究温度、电压和电流对超

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

作者简介：路丹花（1986-），女，硕士；电源系统工程师；主要从事电源系统的测试工作。

中图分类号：U469.7；TM53

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）01-0051-03