南德認(rèn)證檢測(cè)公司  張書博
  各位尊敬的領(lǐng)導(dǎo)、嘉賓大家下午好！
    今天我跟大家分享的題目是超級(jí)電容器的性能、可靠性和安全性分析。2009年美國一家電能儲(chǔ)存的公司，發(fā)布了非常驚人的消息，他們公司研制的超級(jí)電容器，性能、能量、密度、價(jià)格全面的超越了電池，所以說它做廣告說再見了電池。2009下半年和美國最大一家軍用企業(yè)簽訂了一個(gè)采購計(jì)劃，開始有人還懷疑，但是覺得這么大一個(gè)公司不可能去隨便認(rèn)可不靠譜的公司。
    按照他們的說法應(yīng)該是在2012年左右量產(chǎn)，目前兩年多過去了，應(yīng)該是沒有量產(chǎn)的。大部分股份是被加拿大一家公司收購了，一個(gè)做電動(dòng)汽車的公司。所以說超級(jí)電容器到底能不能取代電池呢？是不是有了之后就可以把電池丟在垃圾筒里呢？不可能的，目前來說是各有各的優(yōu)點(diǎn)。我們看這四種產(chǎn)品，第一個(gè)是超級(jí)電容器，第二個(gè)是電池，第二個(gè)是鎳氫，第四個(gè)是鋁電池。超級(jí)電容器的等級(jí)分為四級(jí)。四級(jí)是最好的，超級(jí)電容器的各方面性能其實(shí)都比其他電池優(yōu)越很多，但是它也有軟肋。能量成本、密度還有一個(gè)放電，沒有辦法短期內(nèi)取代鋰電池，只能作為鋰電池一個(gè)補(bǔ)充的需要。
    上午一些嘉賓都講過了，在功率密度和放電這一方面有優(yōu)勢(shì)，是在汽車能量回收系統(tǒng)方面得到廣泛的應(yīng)用，超級(jí)電容器我們把它分為四個(gè)級(jí)別，從單體到模塊、應(yīng)用級(jí)別。一般超級(jí)電容制造商都是做單體級(jí)別、模塊級(jí)別到系統(tǒng)級(jí)別。剛才一位先生講目前超級(jí)電容器應(yīng)用不是很成熟，到應(yīng)用級(jí)別的話，很多超級(jí)電容的制造商也會(huì)有一些參與。用戶使用超級(jí)電容的時(shí)候，比如說做儲(chǔ)能還是做電動(dòng)汽車，可能從單體和應(yīng)用級(jí)別都要考慮到。我們南德的解釋是我們連接超級(jí)電容和用戶之間的連接體。用戶對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)用和產(chǎn)品的要求沒有辦法直接轉(zhuǎn)化成超級(jí)電容制造商回答的答案。超級(jí)電容制造商尤其我們這邊，或者從用戶方面給我們提出一些測(cè)試。經(jīng)常會(huì)問我應(yīng)該用哪些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，首先我要了解你的超級(jí)電容的應(yīng)用，用在設(shè)備上還是汽車上。這種產(chǎn)品前面很多朋友也講過了，其實(shí)不是很成熟，很多標(biāo)準(zhǔn)是逐步發(fā)展的。在標(biāo)準(zhǔn)上我也會(huì)和大家分析一下，實(shí)際上一般來說有兩套體系，一個(gè)是做電容檢測(cè)的。比如說做EMC的，或者有一些是做馬達(dá)產(chǎn)品的，還有一套是做電池的。包括美國的一些公司對(duì)超級(jí)電容器的研究，具體的測(cè)試方法還有一些檢測(cè)手段都是從電池來的，其實(shí)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更像電池的標(biāo)準(zhǔn)。里面會(huì)引入電池的一些容量等等，尤其是一些安全的測(cè)試。
    實(shí)際上對(duì)超級(jí)電容的測(cè)試方面大家都不多，對(duì)超級(jí)電容企業(yè)還沒有意識(shí)到。大家覺得比鋰電池安全很多，對(duì)它的安全性關(guān)注不夠，對(duì)一個(gè)產(chǎn)品來說性能是基礎(chǔ)，有性能之后就要考慮安全。但是光安全還是不行，從我們這邊做很多測(cè)試，包括德國的一些大眾OEM，現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)都改了。
    從超級(jí)電容檢測(cè)方面主要有性能測(cè)試、環(huán)境測(cè)試和安全測(cè)試。從危害上來說不會(huì)有什么危險(xiǎn)，因?yàn)橹粶y(cè)一些參數(shù)。做環(huán)境測(cè)試，比如說超級(jí)電容在高低溫之后會(huì)出現(xiàn)裂開的現(xiàn)象。
在不同實(shí)驗(yàn)室出來的結(jié)果不一樣，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室沒有任何反應(yīng)，在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室可能出現(xiàn)爆炸。從我們來說，我們的實(shí)驗(yàn)室做了很多測(cè)試。實(shí)際上可控性還是很強(qiáng)的，你控制了濕度等方面的參數(shù)，這個(gè)測(cè)試還是比較好的。但是現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中很多把測(cè)試取消了。危害等級(jí)從性能到安全，一個(gè)單體是2.7V，最多是3.8V，有的可能到4V的。至少從電壓來說是一個(gè)安全電壓，人觸摸到不會(huì)觸電。但是模塊里很多做到48V，或者60V。從安全電壓角度對(duì)于不同標(biāo)準(zhǔn)有差別，比如說對(duì)我們正常家里邊接觸的或者是1000V交流，或者1500V，安全低電壓是50V交流，120V直流。我們當(dāng)然是希望做到模塊級(jí)別，我可以不考慮防觸電。因?yàn)樗鼘�來�?huì)形成系統(tǒng)，絕緣方面在系統(tǒng)方面考慮就可以了。
    比如說交流是50V，直流是120V，但是對(duì)汽車行業(yè)來講交流是30V，直流是60V。你設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮，包括做一些電池測(cè)試也有這種情況，按照標(biāo)準(zhǔn)電壓來考慮我可以達(dá)到，但是汽車上是60V的工作電壓，就是說開車情況下形成最大電壓，做一個(gè)危險(xiǎn)電壓的設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn)電壓是60V以下，但是充滿電超過60V了，絕緣要高一個(gè)等級(jí)。超級(jí)電容還好，標(biāo)準(zhǔn)電壓就是它的最高電壓，一定不要超過這個(gè)級(jí)別。系統(tǒng)級(jí)別一般是高電壓的效率高一些，損耗會(huì)小一些，很多是安全低電壓以上。還有防刺激性、耐腐蝕、熄火和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，做電池和超級(jí)電容都可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。 國內(nèi)我們也到企業(yè)去測(cè)試，都覺得測(cè)試一下就可以了，不會(huì)制約環(huán)境。經(jīng)常有一些工廠的朋友說測(cè)試是沒有問題的，通過的。結(jié)果到我們實(shí)驗(yàn)室一測(cè)就失敗了，究其原因是自己對(duì)環(huán)境和參數(shù)控制不是很嚴(yán)格，你必須按照標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制，才能保證測(cè)試的質(zhì)量提高。
另外一個(gè)是測(cè)試的安全性，經(jīng)常有一些公司因?yàn)榭刂品矫孀龅牟缓�，發(fā)生起火、爆炸方面的危險(xiǎn)。
今天有很多朋友問過我，超級(jí)電容器測(cè)試有那些標(biāo)準(zhǔn)？我大概總結(jié)一下，因?yàn)槌��?jí)電容是比較新型的產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)不是很成熟，62391，62576是汽車行業(yè)用的性能標(biāo)準(zhǔn)，UL810A是電化學(xué)電容安全標(biāo)準(zhǔn)，里面的測(cè)試方法基本上都是電池里面的測(cè)試方法，沒有很多針對(duì)超級(jí)電容方面的。包括后面可能按照ICE的標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以包括電容，但是測(cè)試內(nèi)容都是針對(duì)電池的。它沒有專門針對(duì)電容的預(yù)處理?xiàng)l件和規(guī)定，按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以做超級(jí)電容測(cè)試，但是我覺得不是很合適。因?yàn)闇y(cè)試方法等方面都是按照電池方法考慮的，并且它是根據(jù)我的測(cè)試出現(xiàn)起火等判定汽車危險(xiǎn)等級(jí)做的結(jié)果。從很多OEM來說，他們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)研究的很透徹。大眾這些公司自己有很多企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不是套用其中的某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而是考慮到它的應(yīng)用，并且針對(duì)不同車型，設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有差異。
    FreedomCAR是超級(jí)電容器測(cè)試手冊(cè)，測(cè)試方法和測(cè)試內(nèi)容描述的很詳細(xì)。并且對(duì)超級(jí)電容的性能來說也非常強(qiáng)，應(yīng)用比較廣泛。但是在國內(nèi)大家接觸比較少一些，認(rèn)可度稍微低一些。國內(nèi)有很多企業(yè)上目錄，都會(huì)做QC/T741是車用超級(jí)電容器，都是比較類似的。這些測(cè)試?yán)锩嬗行阅�、環(huán)境和安全測(cè)試。大家可以看到62391包括換能、環(huán)境、安全。但是和741等UL810A有比較大的差異，更傾向于做電容測(cè)試的人。比如說對(duì)電容來說起火是一個(gè)很大的危險(xiǎn)。62576是性能，UL8109是安全測(cè)試，741是性能、環(huán)境、安全。
   目前的超級(jí)電容測(cè)試主要體系是IEC62391和62576，更多引用的是IEC60068。還有是汽車產(chǎn)品的環(huán)境測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)诳紤]的時(shí)候不一定考慮超級(jí)電容器的標(biāo)準(zhǔn)，也可以引用一些其他標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槭菍ｉT針對(duì)汽車的，所以里面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在汽車?yán)锝?jīng)常遇到。
    超級(jí)電容器測(cè)試手冊(cè)有12V、42V的電池要求和目標(biāo)。其實(shí)這個(gè)目標(biāo)很多內(nèi)容跟電池也比較類似，要求都是15年，對(duì)一些比功率和啟動(dòng)值，包括重量和尺寸的要求。也有點(diǎn)像中國的863計(jì)劃提出來的一些目標(biāo)，也會(huì)給一些補(bǔ)貼，但是做出來的產(chǎn)品一定要達(dá)到要求。
    應(yīng)該多方面參考各個(gè)國家的要求，你將來的產(chǎn)品不一定只在國內(nèi)，有可能打入外國市場(chǎng)。走出去之后，你必須了解人家的標(biāo)準(zhǔn)里面有什么要求，如果不提前了解到，產(chǎn)品做出來之后，認(rèn)證的時(shí)候發(fā)現(xiàn)你的產(chǎn)品一開始的設(shè)計(jì)就有差距，包括溫度各方面都會(huì)有一些具體的要求。
    簡(jiǎn)單把我們實(shí)驗(yàn)室介紹一下，南德意志集團(tuán)在深圳有1500平米的測(cè)試，不光做電容還做電池。從國際上的一些要求來說，對(duì)壽命要求很高，聽大家討論的時(shí)候也聽到循環(huán)壽命的問題，包括其他很多對(duì)壽命要求的時(shí)候，不僅僅按照某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如說對(duì)耐久的考核有點(diǎn)像電容，在衡壓的情況下不循環(huán)，只能涉及到循環(huán)壽命、充電方面，我們目前對(duì)壽命的測(cè)試量不大，大家都覺得成本很高，感覺自己在工廠做一做就可以了。實(shí)際上這個(gè)測(cè)試很多控制方面不好的話，自己可以達(dá)到要求，但是真正拿到第三方是不行的。
    安全測(cè)試是模擬極端條件和情況來評(píng)估超級(jí)電容在濫用條件下的極限。超級(jí)電容的管理系統(tǒng)不像電池管理系統(tǒng)，發(fā)展還不是一個(gè)很完善的階段。如果產(chǎn)生了濫用條件，本身超級(jí)電容一定要突破這種條件。比如說你有管理系統(tǒng)，你可以不會(huì)短路。但是在你的器件發(fā)生短路的情況下，超級(jí)電容就不行了。實(shí)際上性能是基礎(chǔ)，但是安全是一個(gè)必要條件，要不然沒有人敢用你的東西。系統(tǒng)測(cè)試是最關(guān)鍵的，我的產(chǎn)品拿出來之后我們都可以說它的電容是多少，內(nèi)阻和放電參數(shù)是多少。這些數(shù)字都要有可追溯的測(cè)試，有一些客戶提供不完善的測(cè)試，看起來曲線就比較怪。，可能是給的設(shè)置條件不是很規(guī)范，其他溫度等條件不是很一致造成了成功性不是很好。
    環(huán)境和可靠性也是很重要的方面，比如說可以取代電池，當(dāng)然也做出來了。為什么沒有量產(chǎn)呢？可靠性方面也有問題。他說一個(gè)微米是五百耐壓，實(shí)際上只是當(dāng)時(shí)做出來了。經(jīng)過一些可靠性實(shí)驗(yàn)之后根本滿足不了要求，現(xiàn)在只在運(yùn)營，但是沒有達(dá)到前面的目標(biāo)。包括一些濕熱條件、機(jī)械震動(dòng)等等。
   因?yàn)槌��?jí)電容的不同標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上測(cè)試的方法不一樣。后面也會(huì)給大家舉一個(gè)例子，不同的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試也有差異。所以說一個(gè)是對(duì)溫度的控制，一個(gè)是對(duì)電流電壓、精度各方面的控制非常重要。中間一大塊區(qū)域是環(huán)境的，有一些高低溫的，有一些可以加濕的，實(shí)際上是用來拆解電池的。
    還有一個(gè)區(qū)域是機(jī)械測(cè)試，比如說一些沖擊、震動(dòng)，包括一些包裝跌落。另外包括一些針刺等，如果出現(xiàn)危險(xiǎn)的時(shí)候，不會(huì)造成任何的影響。對(duì)我們來說，人的生命永遠(yuǎn)是最重要的，發(fā)生任何危險(xiǎn)的時(shí)候，保證人先跑掉，在可靠性測(cè)試上面，我們也考慮到性能、可靠性、安全性能放在首位。包括一些比較大的電池，我們都要做一些風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。這個(gè)測(cè)試會(huì)不會(huì)出危險(xiǎn)，會(huì)不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生傷害，測(cè)試的時(shí)候要有哪些防護(hù)。比如一個(gè)模塊電壓超過安全電壓了，防護(hù)一定要做到，包括護(hù)目鏡等等一定要準(zhǔn)備好，大家在工廠測(cè)試的時(shí)候這個(gè)是非常關(guān)鍵的。
    從超級(jí)電容來說我以62391為基礎(chǔ)，把超級(jí)電容分成四類，第一個(gè)是用于記憶支持，第二是用于能量?jī)?chǔ)存的，第三是用于提供持續(xù)規(guī)律，第四是用于提供瞬時(shí)功率。
    這是62391-2里面提到的對(duì)電容的測(cè)試方法，把電容設(shè)定成class3，規(guī)定恒流放點(diǎn)法測(cè)量。這個(gè)圖是測(cè)量的電路，也有一些專門的設(shè)備。實(shí)際上有一些標(biāo)準(zhǔn)的精度要求比較高，我們要用一些專用的設(shè)備實(shí)現(xiàn)測(cè)試的過程。
     我們以前測(cè)試的產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)A工廠是3000F，在不同電流情況下，比如說50A、100A等等，容量都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)，規(guī)律性不是很強(qiáng)。實(shí)際上容量會(huì)不斷地降低，在不同環(huán)境下，比如說25%的情況下容量值是最高的，低溫零下20度，也做過零下40度，容量會(huì)明顯下降，50度的時(shí)候也會(huì)低一些，對(duì)一些比較好的電容來說也是比較好的。
     實(shí)際上比功率從我們測(cè)試出來看，比能量是一個(gè)比較線性的下降。從我們實(shí)驗(yàn)室來說，我們不會(huì)像很多科研機(jī)構(gòu)或者一些公司，專注于材料。我們只是按照標(biāo)準(zhǔn)的方法，多測(cè)一些測(cè)試之后把這些數(shù)據(jù)集合起來。這個(gè)反映的可能不是說從科學(xué)角度的水平，但是從我們測(cè)試結(jié)果角度反映出我們行業(yè)的狀況。我們也希望能夠和大家多合作，因?yàn)槲覀冊(cè)谥袊�這邊超級(jí)電容測(cè)試比較少，數(shù)據(jù)比較缺失。北美那邊測(cè)試的比較多，會(huì)經(jīng)常拿出一些數(shù)據(jù)。
  國內(nèi)經(jīng)常有很多朋友問我應(yīng)該做什么，我可以按照你的條件把測(cè)試做的很標(biāo)準(zhǔn)，怎么用我不知道。關(guān)于產(chǎn)品特性來說，我們這邊只是保證你能夠提供的需要和一些測(cè)試方法，讓你很精確的得出一些數(shù)據(jù)是我們的目標(biāo)。
    內(nèi)阻測(cè)試是62391里面的，也會(huì)有一個(gè)方法和741有差異。因?yàn)樗�的放電�?0倍，放電之后得到的這些曲線是它的電壓。對(duì)直流內(nèi)阻大家也是非常關(guān)注的，如果說我們將來測(cè)試數(shù)據(jù)多了以后，我們會(huì)慢慢在測(cè)試方法上面多開發(fā)一些。比如說有不同倍率的充放電，內(nèi)阻的差異很。直流內(nèi)阻測(cè)試比較麻煩一些，拿日志表去做，但是對(duì)交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻往往有差異。電池一般是一半左右，所以說直流內(nèi)阻，尤其是一些特殊的場(chǎng)合下很重要。
    耐久測(cè)試對(duì)62391的測(cè)試不是一個(gè)循環(huán)，應(yīng)該更像標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試。只是考核在這個(gè)溫度下考慮的，比如電流量不能超過30%，內(nèi)阻不能超過10倍。
    高低溫特性分兩步，第一步下限類別溫度，一個(gè)是上限類別溫度，這個(gè)就不是循環(huán)了。測(cè)試之后有要求電容量和內(nèi)阻的要求。 這個(gè)測(cè)試實(shí)際上對(duì)很多企業(yè)來說是一個(gè)難點(diǎn)，前面高溫就是高溫，低溫就是低溫，不會(huì)有變化。這是60068-2-14的測(cè)試，時(shí)間很短，要求快速的升溫降溫。要求每個(gè)溫度下或者是30分鐘，或者是3小時(shí)。內(nèi)阻大的電池做3小時(shí)比較好一些，由客戶來選。如果比較小的做30分鐘可以，但是內(nèi)阻較大的可以做3小時(shí)。我們測(cè)試有一些電容量不超過10%，經(jīng)常有一些電容在測(cè)試之后會(huì)發(fā)生漏液。
    我們采用的這個(gè)是通過高溫低溫來回的走，如果你用普通環(huán)境下的情況是達(dá)不到它的要求的。振動(dòng)測(cè)試要求是10到55赫茲，給的是振幅0.75毫米或者加速度100米每秒。這個(gè)是6008-2-6的圖，0.75是58.1，頻率和加速度是正比的關(guān)系。保持一定振幅比例增加意味著加速度要增加，提高到一定程度55赫茲是沒有達(dá)到一百的，這個(gè)測(cè)試對(duì)汽車上用的超級(jí)電容器不是很合適，因?yàn)檫@個(gè)是一個(gè)模擬的。
  以前我們用的很多產(chǎn)品當(dāng)中都會(huì)遇到電容，超過它的電壓之后會(huì)起火。還有一些脈沖電壓，在實(shí)際應(yīng)用中有鋰電等產(chǎn)生電壓，引起電容的起火情況很多。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)也是根據(jù)以前其他一些電容的標(biāo)準(zhǔn)，引用的是EN60695-11-5的測(cè)試。
去年年初的波音飛機(jī)連續(xù)出現(xiàn)的問題，用的是日本公司的一個(gè)電池，那個(gè)電池在出現(xiàn)瀉壓之后，里面產(chǎn)生的氣體設(shè)置一個(gè)瀉壓的通道。但是從國內(nèi)來說，瀉壓之后溫度會(huì)比較高。這個(gè)是針刺測(cè)試、擠壓測(cè)試都是741里面的。這個(gè)是UL810A，模擬電池一些回收過程當(dāng)中產(chǎn)生的壓力。還有一些撞擊措施，還有一個(gè)是沖擊測(cè)試，模擬汽車發(fā)生顛動(dòng)的時(shí)候，峰值用的是125到175。
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