一種用于儲能電介質(zhì)充放電特性研究的試驗(yàn)設(shè)備

Huace-DCS10KV電介質(zhì)充放電測試系統(tǒng)主要用于研究介電儲能材料高電壓放電性能。目前常規(guī)的方法是通過電滯回線計(jì)算高壓下電介質(zhì)的能量密度，測試時(shí)，樣品的電荷是放回到高壓源上，而不是釋放到負(fù)載上，通過電滯回線測得的儲能密度一般會大于樣品實(shí)際釋放的能量密度，無法正確評估電介質(zhì)材料的正常放電性能。華測Huace-DCS10KV儲能電介質(zhì)充放電系統(tǒng)采用專門設(shè)計(jì)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，之后通過閉合高速M(fèi)OS高壓開關(guān)，存儲在電容器膜中的能量被放電到電阻器負(fù)載的原理設(shè)計(jì)開發(fā)，更符合電介質(zhì)充放電原理。

典型的測試電路

華測Huace-DCS10KV儲能電介質(zhì)充放電系統(tǒng)采用專門設(shè)計(jì)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，之后通過閉合高速MOS高壓開關(guān)，存儲在電容器膜中的能量被放電到電阻器負(fù)載。在放電過程中電壓對樣品的時(shí)間依賴性可以通過檢波器進(jìn)行記錄。介電材料的儲能性能通常取決于放電速度，可通過改變負(fù)載電阻器的電阻來調(diào)節(jié)。通常測試系統(tǒng)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(gè)電阻器的組合獲得所需的電阻，并將電阻器或電阻的組合連接到測試的電介質(zhì)材料。在該電路中，選擇高壓MOSFET開關(guān)以釋放儲存的能量非常重要。該開關(guān)限制電路的最大放電速度和最大充電電壓。本套測試系統(tǒng)由放電采集電路、高壓放大器或高壓直流電源和控制計(jì)算機(jī)構(gòu)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(jì)算機(jī)自動獲得。

利用放電電路進(jìn)行測試

與P-E回滯測量類似，在放電測試之前，應(yīng)在介電材料的表面制備導(dǎo)電電極，還應(yīng)測量可用于估計(jì)測試的放電速度的弱場介電特性。因?yàn)樵跍y試中經(jīng)常涉及幾千伏的高電壓，所以介電材料通常浸入硅油中。測試者應(yīng)該確定他們感興趣的放電速度。放電速度可以通過樣品的低場電容C和負(fù)載電阻RL(RLC常數(shù)）粗略計(jì)算。一旦確定了期望的放電速度，就可以選擇負(fù)載電阻器并將其連接到測試樣品，然后將充電電壓施加到介電材料。一旦樣品全部充電，然后通過按下電路盒上的放電按鈕關(guān)閉高速開關(guān)，將儲存的能量釋放到負(fù)載電阻器，電阻器上電壓的時(shí)間依賴性就可由計(jì)算機(jī)自動記錄。

在此將以P（VDF-TrFE-CFE）三元共聚物（63／37／7.5）作為示例材料，來演示如何解釋放電結(jié)果。使用上圖所示的電路，表征三元共聚物對負(fù)載電阻器的放電行為。使用時(shí)間相關(guān)的電壓數(shù)據(jù)公式，可以計(jì)算放電能量密度的時(shí)間依賴性。圖中顯示了三元共聚物中不同充電電場的1MΩ負(fù)載的放電能量密度隨時(shí)間的變化。總放電能量密度與從單極P-E回路推導(dǎo)出的能量密度相當(dāng)。這里使用薄膜樣品的電容在1kHz下測量為約1nF。對幾種三元共聚物膜樣品進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，由于極化響應(yīng)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(shù)來描述，其中R是電阻(R=RL+ESR)假設(shè)電容器電容不隨頻率、電場和RC電路和RC電路的時(shí)間常數(shù)(τ=RLC+ESRXC)變化，如果RL>ESR，可以忽略ESRXC,，則放電能量密度與時(shí)間的關(guān)系如下： Uc(1)=UD(1-e-(21/t)) 式中，UD為放電能量。

為了便于比較，使用1nF的電容和1MΩ的負(fù)載電阻，利用公式來估算能量放電時(shí)間。70％能量釋放所需理論放電時(shí)間為0.6ms，50％能量釋放所需理論放電時(shí)間為0.35ms。而實(shí)驗(yàn)中，這兩種能量釋放所需放電時(shí)間分別為0.66ms和0.3ms。估計(jì)值和測量值之間的差異反映了非線性［有效介電常數(shù)在高場（＞100MV／m）變小］和介電響應(yīng)的頻率依賴性（介電常數(shù)在更高頻率或更短放電時(shí)間下變得更小）。此外，ESR在高頻（或短放電時(shí)間）下很小，并且在放電后時(shí)間變

長。

對于相同的三元共聚物薄膜電容器，其他負(fù)載電阻（(RLL分別為100kΩ和1kΩ）下放電能量密度如圖所示。正如預(yù)期的那樣，減小的RL會縮短放電時(shí)間。然而，仔細(xì)檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，放電時(shí)間的減少與RL的減少不成比例。