一種用於儲能電介質充放電特性研究的試驗設備

一種用於儲能電介質充放電特性研究的試驗設備

Huace-DCS10KV電介質充放電測試係統主要用於(yu) 研究介電儲(chu) 能材料高電壓放電性能。目前常規的方法是通過電滯回線計算高壓下電介質的能量密度，測試時，樣品的電荷是放回到高壓源上，而不是釋放到負載上，通過電滯回線測得的儲(chu) 能密度一般會(hui) 大於(yu) 樣品實際釋放的能量密度，無法正確評估電介質材料的正常放電性能。華測Huace-DCS10KV儲(chu) 能電介質充放電係統采用專(zhuan) 門設計的電容放電電路來測量，測試電路如下圖所示。在該電路中，首先將介電膜充電到給定電壓，之後通過閉合高速MOS高壓開關(guan) ，存儲(chu) 在電容器膜中的能量被放電到電阻器負載的原理設計開發，更符合電介質充放電原理。

典型的測試電路

華測Huace-DCS10KV儲(chu) 能電介質充放電係統采用專(zhuan) 門設計的電容放電電路來測量，測試電路如下圖所示。在該電路中，首先將介電膜充電到給定電壓，之後通過閉合高速MOS高壓開關(guan) ，存儲(chu) 在電容器膜中的能量被放電到電阻器負載。在放電過程中電壓對樣品的時間依賴性可以通過檢波器進行記錄。介電材料的儲(chu) 能性能通常取決(jue) 於(yu) 放電速度，可通過改變負載電阻器的電阻來調節。通常測試係統中裝了具有不同電阻的電阻器。在測試過程中，用戶需要選擇電阻器或幾個(ge) 電阻器的組合獲得所需的電阻，並將電阻器或電阻的組合連接到測試的電介質材料。在該電路中，選擇高壓MOSFET開關(guan) 以釋放儲(chu) 存的能量非常重要。該開關(guan) 限製電路的最大放電速度和最大充電電壓。本套測試係統由放電采集電路、高壓放大器或高壓直流電源和控製計算機構成。在測試中，測試人員需要通過選擇合適的電阻來確定測量的放電速度，測試樣品上的電壓可以由計算機自動獲得。

利用放電電路進行測試

與(yu) P-E回滯測量類似，在放電測試之前，應在介電材料的表麵製備導電電極，還應測量可用於(yu) 估計測試的放電速度的弱場介電特性。因為(wei) 在測試中經常涉及幾千伏的高電壓，所以介電材料通常浸入矽油中。測試者應該確定他們(men) 感興(xing) 趣的放電速度。放電速度可以通過樣品的低場電容C和負載電阻RL(RLC常數）粗略計算。一旦確定了期望的放電速度，就可以選擇負載電阻器並將其連接到測試樣品，然後將充電電壓施加到介電材料。一旦樣品全部充電，然後通過按下電路盒上的放電按鈕關(guan) 閉高速開關(guan) ，將儲(chu) 存的能量釋放到負載電阻器，電阻器上電壓的時間依賴性就可由計算機自動記錄。

在此將以P（VDF-TrFE-CFE）三元共聚物（63／37／7.5）作為(wei) 示例材料，來演示如何解釋放電結果。使用上圖所示的電路，表征三元共聚物對負載電阻器的放電行為(wei) 。使用時間相關(guan) 的電壓數據公式，可以計算放電能量密度的時間依賴性。圖中顯示了三元共聚物中不同充電電場的1MΩ負載的放電能量密度隨時間的變化。總放電能量密度與(yu) 從(cong) 單極P-E回路推導出的能量密度相當。這裏使用薄膜樣品的電容在1kHz下測量為(wei) 約1nF。對幾種三元共聚物膜樣品進行表征發現，由於(yu) 極化響應的非線性和頻率依賴性，三元共聚物的放電特性不能簡單地通過RC常數來描述，其中R是電阻(R=RL+ESR)假設電容器電容不隨頻率、電場和RC電路和RC電路的時間常數(τ=RLC+ESRXC)變化，如果RL>ESR，可以忽略ESRXC,，則放電能量密度與(yu) 時間的關(guan) 係如下： Uc(1)=UD(1-e-(21/t)) 式中，UD為(wei) 放電能量。

為(wei) 了便於(yu) 比較，使用1nF的電容和1MΩ的負載電阻，利用公式來估算能量放電時間。70％能量釋放所需理論放電時間為(wei) 0.6ms，50％能量釋放所需理論放電時間為(wei) 0.35ms。而實驗中，這兩(liang) 種能量釋放所需放電時間分別為(wei) 0.66ms和0.3ms。估計值和測量值之間的差異反映了非線性［有效介電常數在高場（＞100MV／m）變小］和介電響應的頻率依賴性（介電常數在更高頻率或更短放電時間下變得更小）。此外，ESR在高頻（或短放電時間）下很小，並且在放電後時間變

長。

對於(yu) 相同的三元共聚物薄膜電容器，其他負載電阻（(RLL分別為(wei) 100kΩ和1kΩ）下放電能量密度如圖所示。正如預期的那樣，減小的RL會(hui) 縮短放電時間。然而，仔細檢查實驗數據發現，放電時間的減少與(yu) RL的減少不成比例。