使用MFIA阻抗分析仪表征超级电容器的串联等效电阻(ESR)

简介
超级电容器(简称:超电容器)是应用广泛的储能装置,从小到SRAM,大到高铁都有应用。它的能量密度一般是传统电解质电容器的10−100倍以上。而和锂离子电池相比,虽然超级电容器的能量密度较低,但是功率密度却非常优秀(图1)。另外,超级电容器还有着超长使用寿命。一般来说,它能够充放电超过上万次。

图1:Ragone图显示了不同电化学器件的能量密度和功率密度。节选自维基百科。

 

对电容器而言最主要的是以下三个参数:电容,漏电流,和串联等效电阻(ESR)。优化ESR对于设计高效的电路至关重要。更进一步对超级电容器来说,ESR能够反映器件自身发热。同时它还能显示器件的剩余寿命,因为老化的器件一般会有更大的ESR。

测量超级电容器的手段一般是恒电流充放电。通过这种方法,我们可以获得静态的ESR。而在本文中,我们将使用MFIA阻抗分析仪,测量超级电容器在mHz到kHz频率范围段的动态ESR。相比充放电,使用阻抗分析对超级电容器造成的损耗较小,同时还能获取更多关于超级电容器内部工作原理的信息(例如奈奎斯特图)。

这里需要说明的是,相比传统电容器,超级电容器的工作频率一般较低,且ESR很小,这使得精确测量变得十分困难。 与其他的阻抗分析仪相比,MFIA本身并不需要桥电路反馈,而是通过直接测量电流和电压来推导阻抗。这使得它能够轻易测量到低频率(mHz级别)的信号。

实验步骤

本文使用的是一个3000 F,2.7 V(3.0 Wh)的超级电容器(Eaton PowerStor)。 如图2所示,我们使用四端子连接,将超级电容器焊接到了8针脚(Sullins PPPC081LFBN-RC)的样品夹具上。连接四端子的线缆等长,以保证在测量过程(尤其是较高频率段)中,电流和电压信号没有相位差。

 

图2:使用MFIA阻抗分析仪和MFITF夹具测量超级电容器的连接方式。

 

使用锁相放大技术测量阻抗

MFIA的工作原理是基于MFLI的锁相放大技术。使用这种技术,电压和电流信号的幅值和相位均可以同时被精确的测量。阻抗便可以通过两者之商获得。MFIA支持二端子(适用于大阻抗测试)或四端子检测(适用于小阻抗测试)。因为超级电容器的ESR一般很小,这里我们使用了四端子检测。

接线方法如图3所示,MFIA的HCUR被连接在被检测器件(DUT)右端,用来提供交流电压信号。同时DUT左端连接到MFIA的LCUR端口,用来测量交流电流。同时,我们使用HPOT和LPOT端口近似无损的测量经过DUT的压降。这种接线方式能尽可能排除来自线缆,接头和焊点的接触阻抗的影响。

图3:使用四端子测量同时检测电流和电压来测量阻抗。

 

即使如此,MFIA本身的寄生阻抗也可能影响测试的结果。为了减小误差,MFIA在出厂时就对不同输入量程的寄生阻抗进行了校准。另外针对测试线路中可能存在的寄生阻抗(图4),我们还提供了用户智能补偿功能,使得测试结果更为准确。

图4:一种考虑了用户夹具补偿的等效电路模型。此模型涵盖了线路的寄生电感和电阻,以及器件两端的寄生电感和漏电流。

 

再进行补偿之后,器件的阻抗(幅值和相位)可以被MFIA准确的读取。用户此时可以选择一个合适的等效电路,来提取更进一步的参数,例如电容,品质因数,电阻,电感,损耗角等等。图5显示了完整的流程。

这里需要注意的是,因为此超级电容器是单极的器件,为了避免负电压损坏器件,我们在200 mV的交流电压基础上,额外施加了200 mV的直流偏置。

图5:使用MFIA和锁相放大技术测试阻抗参数(例如电容,品质因数,电阻等)的流程图。

 

实验结果

图6的波德图显示了阻抗振幅(深蓝线),相位(浅蓝线)和电容(红线)。对阻抗而言,在低频1 mHz到100 mHz区间,阻抗对频率为负斜率,说明此时电容影响很大。而在100 mHz到1 kHz之间,电阻主导了阻抗(在46 Hz时,ESR仅为0.33 mOhm)。在超过1 kHz时,来自电感的电抗变得十分明显。阻抗对频率此时显现正斜率。

我们再看相位。在1 mHz时,相位接近-90°,近似纯电容。而随着频率增加,在接近5 MHz时,相位接近+90°,近似纯电感。

通过等效电路模型,我们能推导出超级电容器的电容大小。在1 mHz时,实测的电容为2863 F(偏置电压200 mV)。与之相比,器件的标称电容为3000 F(工作电压2.7 V)。

图6:使用LabOne参数扫描仪采集3000F超级电容器的瞬时阻抗数据。在此图中,电容为红色曲线,阻抗振幅为深蓝色,相位为浅蓝色。

 

图7则同时展示了阻抗幅值和ESR(即阻抗的实部)。我们发现在10 mHz到10 kHz之间,ESR相当稳定。这说明MFIA阻抗分析仪在超级电容器的测试上十分有效。

 

absz_rez_3000f

 

图7:局部放大显示的阻抗幅值(深蓝)和实部(浅蓝)。后者即为ESR。

 

结论

在本文中我们使用MFIA阻抗分析仪成功的测量了一个3000 F的超级电容器的ESR。在10 mHz到10 kHz的频率范围内,我们可以稳定并且精确的测量出ESR的大小。最低的ESR在46 Hz时仅0.33 mOhm。这充分地说明了MFIA的诸多优秀特性!如您有阻抗测试方面的需求,敬请垂询:021-64870287 www.zhinst.cn

 

原作者Tim Ashworth。特别感谢Jürg Schwizer设计实验。