So messen Sie sehr große Kapazitäten, z. B. Super- / Ultra-Kondensatoren

Ich habe kürzlich ein paar mysteriöse Ultra / Super-Kondensatoren von meinem Bruder gekauft. Anscheinend erinnert er sich nicht an die Spezifikationen oder die Marke ... Um die Sache noch zu komplizieren, sind ihnen keine aussagekräftigen Identifikationsinformationen eingeprägt oder aufgedruckt. (Es gibt ein Strichcode-Etikett mit alphanumerischem Code, aber eine schnelle Google-Suche mit diesem Code hat nichts gefunden.)

Sieht so aus, als wäre es an der Zeit, den Scooby-Doo-Mystery-Bus zu starten, denn wir haben ein Abenteuer hinter uns.

Zuerst dachte ich, ich würde versuchen, die Kapazität zu messen. Da mein LCR-Messgerät nicht für solche enormen Kondensatoren spezifiziert ist, musste ich mit meinen Testgeräten kreativ werden.

Unter Berücksichtigung der Grundphysik ist die Kapazität proportional zur gespeicherten Ladung pro Volt am Kondensator:

C = \frac{q}{V}

$C=\frac{q}{V}$

wobei die im Kondensator akkumulierte Ladung das Integral des durch den Kondensator fließenden Stroms ist:

\int i (t) d t = q

$\int i(t)dt=q$

Mit einer Stromquelle zum Laden des Kondensators können wir die Berechnungen vereinfachen, indem wir nur Delta-Messungen der Ladung und Spannung über dem Kondensator verwenden.

C = \frac{Δ q}{Δ V} = \frac{i Δ t}{Δ V}

$C=\frac{\Delta q}{\Delta V}=\frac{i\Delta t}{\Delta V}$

Mit meiner Advantest R6144-Stromquelle kann ich dann den Kondensator mit einem festgelegten Strom aufladen und einfach die Spannung am Kondensator mit meinem Tektronix DMM4050 im Trendplot-Modus messen.

Bilder des Testaufbaus

Hier sehe ich jedoch einige ziemlich große Zahlen. Es ist möglich, dass der Kondensator wirklich ~ 2200 Farad ist, aber das scheint ein bisschen hoch zu sein. Zugegebenermaßen ist der Kondensator mit ~ 5,5 "Länge und ~ 1" Radius ziemlich groß.

Und nun einige Fragen an die feinen Leute von Electrical Engineering Stack Exchange: Ist diese Methode ein praktikables Mittel, um Superkondensatoren zu messen? Oder gibt es eine geeignetere Methode, mit der ich sie messen kann? Ändert sich auch die Kapazität von Super / Ultra-Kondensatoren signifikant gegenüber der Spannung des Kondensators? Sind diese Messergebnisse beispielsweise prädiktiv / indikativ für höhere Ladespannungen? Ich würde davon ausgehen, dass die Kapazität etwas schwanken sollte, aber ich bezweifle, dass dies so ist. Wahrscheinlich sind es im schlimmsten Fall ein paar hundert Farad, aber ich bin kein Experte auf diesem Gebiet.

Und was noch wichtiger ist: Wie würde ich die maximale Ladespannung ermitteln, ohne den Kondensator zu zerstören? Würde eine Konstantstromladung von etwa 100 uA über ein paar Wochen, bis die Spannung eine Art Gleichgewicht mit Selbstentladungsarbeit erreicht. Dann ziehen Sie sich ein paar hundert Millivolt zurück und nennen Sie das die maximale Ladespannung. Oder wird es nur einen Auslösepunkt erreichen und sich selbst zerstören, während das gesamte Labor mit Elektrolyt besprüht wird?

Wie bestimmen Sie schließlich die Polaritätsausrichtung der Kondensatoren? Diese sind in keiner Weise gekennzeichnet und beide Klemmen sind identisch. Ich habe meine Wette mit der im Kondensator gespeicherten Restspannung gewettet. Ich gehe davon aus, dass der dielektrische Absorptions- / Memory-Effekt der vorherigen Aufladung die richtige Richtung kennt ...

Auf jeden Fall macht es Spaß, die Eigenschaften dieser Kondensatoren zu bestimmen. Aber es ist immer noch ein wenig ärgerlich, dass sie keine nützlichen Markierungen wie Polaritätsausrichtung, Hersteller usw. aufweisen.

— Big Gulps
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Wenn man sich die von Dan1138 freundlicherweise bereitgestellten PDFs ansieht, dann glaube ich, dass eine konstante Stromladung von 1 mA bis 100 uA (nachdem die Kappe unter einer viel schnelleren Rate auf ~ 2,5 V aufgeladen wurde) tatsächlich die maximale Ladespannung blockieren könnte. Wenn der Leckstrom bei Nennspannung nahe bei 4,2 mA liegt (für Maxwell 2000F Super Cap), sollte ein konstanter Strom mit einem niedrigeren Wert den Kondensator niemals überladen, da der Kondensator durch den Leckstrom nicht aufgeladen wird. Lass mich wissen, was ihr denkt.

— Big Gulps

2200F ist die richtige Größenordnung für einen Ultrakondensator. Auch scheinen sie alle die gleiche maximale Spannung zu haben.

— user253751

Können Sie Ihre Frage bearbeiten und Ihr Bild bitte einbinden? Für diejenigen von uns, die hinter einem Proxy leben, können wir es nicht sehen.

— UKMonkey

Leckstrom kann die Messungen beim Laden stören, aber wenn eine Entladungsmessung auch 2200 uF anzeigt, ist dies wahrscheinlich der Fall.

— Brian Drummond

V (t) = \frac{i_{c c}}{C} t + V_{0}

$V(t)=\frac{i_{cc}}{C}t+V_0$

C = i_{c c} M^{- 1}

$C=i_{cc}M^{-1}$

Antworten:

Dies ist Maxwells Verfahren zur Messung von C anhand der Testspezifikation.

$C=C_{dcd}=\dfrac{I_5*(t_5-t_4)}{V_5-V_4}$

Beachten Sie, dass die Spannung aufgrund einer zusätzlichen RC-Zeitkonstante parallel zur vorherigen Spannung abfällt. (dh Memory-Effekt) Hier zeigt sich, dass es bei einer Entladung mit halber Spannung etwa 5% des Endwerts von 10% beträgt. Dieser Memory-Effekt zeigt eine weitere Kapazität des "Double Layer Electric Effect" zwischen 5% und 10% von C.

Was dies für Akkus bedeutet: Wenn Sie viel langsamer laden und entladen (mindestens 10x langsamer), erhöht sich die Speicherkapazität um 5 bis 10%, ähnlich wie bei den besten Li-Ionen-Akkus mit niedrigem ESR, für die bekannt ist, dass sie keine Memory-Effekte aufweisen (relativ zu NiCad.)

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Es ist interessant zu sehen, dass sie einen doppelten Lade- / Entladezyklus verwenden und die eigentliche Messung an der endgültigen Entladung durchführen. Ich denke, dass dies für die meisten Menschen keine praktische Messmethode ist - wer hat eine Testvorrichtung, die 100 A Konstantstromimpulse ausgeben kann und das daq-System, um alles zu erfassen. Das heißt, ich denke, ich werfe ein paar Mosfets parallel mit einigen 100-Ohm-Widerständen und einem Opamp für CC und benutze mein Oszilloskop, um die Delta-Messung für den Entladungszyklus zu erfassen. Unabhängig davon denke ich, dass meine Niedrigstrommethode für die Messung von Baseballstadien funktioniert.

— Big Gulps

Nun, wenn ich Supercaps auf ihre aktuellen Liefereigenschaften testen wollte, brauchte ich möglicherweise ein leistungsfähiges Netzteil. in diesem Sinne sind "wer eine solche Testvorrichtung hat" "Leute, die wirklich Systeme unter Hochstrom messen müssen, wahrscheinlich auch Leute, die Supercaps testen".

— Marcus Müller

Eine große Batterie kann den Strom mit einem guten MOSFET liefern, ein Niedrigstromtest kann jedoch 10% höher sein, da die Sekundärkapazität den Ausgang mit einem viel niedrigeren dV / dt unterstützt.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Aus den Bildern der Zelle im Foto des Testaufbaus scheinen sie der Maxwell DuraBlue-Linie der Ultrakondensatoren zu ähneln. Weitere Informationen finden Sie in diesem Datenblatt .

Die Maxwell-Anwendungsnotiz 1007239 , Testverfahren für Kapazitäts-, ESR- , Leckstrom- und Selbstentladungs-Charakterisierungen von Ultrakondensatoren, kann hilfreich sein.

Diese Reihe von "Superkondensatoren" hat eine maximale Arbeitsspannung von 2,85 VDC und eine typische Kapazität von 3400 Farad. Die meisten anderen "Superkondensatoren" in diesem Gehäusetyp haben eine maximale Betriebsspannung von 2,7 VDC.

Seien Sie vorsichtig, ein interner Kurzschluss in diesen Geräten kann zu einem spektakulären Ausfall führen. Möglicherweise möchten Sie ein nichtleitendes, nicht auf Wasser basierendes Brandbekämpfungssystem (Sand, Chemikalien, CO2, Halon usw.) zur Verfügung haben.

Basierend auf den veröffentlichten Fotos des Testaufbaus werden Sie wahrscheinlich die Krokodilklemmen schmelzen, bevor Sie den maximalen Lade- oder Entladestrom überschreiten.

— Dan1138
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Meine übliche Methode besteht darin, den Widerstand mit einem normalen Multimeter zu messen. Unter der Annahme, dass die Prüfspannung / der Prüfstrom mehr oder weniger kontinuierlich angelegt wird, steigt der Widerstandswert im Zeitverlauf vergleichsweise linear an. Wenn Sie diesen Anstieg in der Einheit "Ohm pro Sekunde" grob mitteln, erhalten Sie die Umkehrung der Kapazität.

Wenn sich die Anzeige beispielsweise jede Sekunde um etwa 10 Ohm erhöht, beträgt die Kapazität etwa 0,1 F. Sie sollten zunächst mit einigen bekannten Kapazitäten prüfen, ob Ihr Multimeter vom kontinuierlich messenden Typ ist, wobei diese Näherung gut genug ist.

R (t) = \frac{V (t)}{{ich}_{c c}}

$R(t)=\frac{V(t)}{i_{cc}}$

V (t) = \frac{{ich}_{c c}}{C} t + V_{0}

$V(t)=\frac{i_{cc}}{C}t + V_0$

Δ R (t) = \frac{Δ t}{C}

$\Delta R(t)=\frac{\Delta t}{C}$

C = \frac{Δ t}{Δ R (t)}

$C=\frac{\Delta t}{\Delta R(t)}$