一(yī)種用於儲能(néng)電(diàn)介(jiè)質(zhì)充放電特(tè)性研(yán)究(jiū)的試驗(yàn)設備

Huace-DCS10KV電介質充(chōng)放電測試係(xì)統主(zhǔ)要(yào)用(yòng)於(yú)研究(jiū)介電儲能材(cái)料高(gāo)電(diàn)壓放電性(xìng)能(néng)。目前常規(guī)的方法是(shì)通過電(diàn)滯回(huí)綫計(jì)算(suàn)高(gāo)壓下電(diàn)介質(zhì)的(dí)能量(liáng)密(mì)度(dù)，測(cè)試(shì)時(shí)，樣(yàng)品的電(diàn)荷是放回到高(gāo)壓(yā)源(yuán)上，而不是(shì)釋(shì)放(fàng)到負載上，通過電(diàn)滯回綫(xiàn)測(cè)得的儲(chǔ)能(néng)密(mì)度(dù)一般會(huì)大於樣品(pǐn)實(shí)際釋放(fàng)的能量密(mì)度，無法(fǎ)正(zhèng)確(què)評估電介(jiè)質材(cái)料的(dí)正常放電性能。華測Huace-DCS10KV儲能電介質充放電係(xì)統(tǒng)采用專(zhuān)門(mén)設計的(dí)電容(róng)放(fàng)電(diàn)電(diàn)路來(lái)測量，測(cè)試(shì)電(diàn)路(lù)如下圖所示(shì)。在(zài)該(gāi)電路中，首先將介電(diàn)膜(mó)充電到(dào)給定電(diàn)壓，之後通過閉合(hé)高(gāo)速(sù)MOS高(gāo)壓開關，存儲在(zài)電容(róng)器膜中的能量被(bèi)放(fàng)電到電阻(zǔ)器(qì)負(fù)載的(dí)原理設計開發，更符合(hé)電(diàn)介(jiè)質充放電原理。

典型(xíng)的測試電(diàn)路

華(huá)測Huace-DCS10KV儲能電介(jiè)質(zhì)充放電(diàn)係(xì)統采(cǎi)用專(zhuān)門設(shè)計(jì)的(dí)電容(róng)放電電路(lù)來測量(liáng)，測試電路(lù)如下(xià)圖所示(shì)。在該(gāi)電路中，首(shǒu)先(xiān)將介(jiè)電膜充電(diàn)到給定電壓(yā)，之(zhī)後通過閉合(hé)高速(sù)MOS高壓開關，存儲(chǔ)在電容器膜(mó)中(zhōng)的(dí)能量被(bèi)放電到電(diàn)阻(zǔ)器負載(zǎi)。在放電過程(chéng)中電壓對(duì)樣(yàng)品(pǐn)的時間依賴性(xìng)可以通(tōng)過(guò)檢(jiǎn)波器(qì)進(jìn)行(háng)記錄。介電(diàn)材料(liào)的儲(chǔ)能性(xìng)能(néng)通常(cháng)取(qǔ)決於放電速(sù)度，可通過改(gǎi)變負(fù)載電阻器(qì)的電(diàn)阻(zǔ)來調(tiáo)節(jié)。通常測(cè)試(shì)係統(tǒng)中(zhōng)裝了(liǎo)具有(yǒu)不同電(diàn)阻的電阻器。在(zài)測試(shì)過程中(zhōng)，用戶需要(yào)選擇(zé)電阻器或幾(jī)個電阻(zǔ)器的(dí)組(zǔ)合獲得(dé)所(suǒ)需(xū)的電(diàn)阻(zǔ)，並(bìng)將(jiāng)電(diàn)阻器或電(diàn)阻(zǔ)的(dí)組(zǔ)合連接(jiē)到測試(shì)的電(diàn)介質材料(liào)。在該(gāi)電(diàn)路(lù)中，選(xuǎn)擇高壓(yā)MOSFET開關以釋放儲(chǔ)存的能(néng)量(liáng)非(fēi)常(cháng)重(zhòng)要。該開(kāi)關(guān)限製(zhì)電(diàn)路的最大放(fàng)電(diàn)速度(dù)和最(zuì)大(dà)充電電(diàn)壓(yā)。本套(tào)測試係統由(yóu)放電采集電路(lù)，高壓(yā)放大器或(huò)高(gāo)壓直流(liú)電源(yuán)和控(kòng)製(zhì)計(jì)算(suàn)機(jī)構成(chéng)。在測試中，測(cè)試(shì)人(rén)員(yuán)需要(yào)通(tōng)過(guò)選擇(zé)合(hé)適的(dí)電(diàn)阻來確定測(cè)量(liáng)的(dí)放(fàng)電速度，測試樣品上的電(diàn)壓(yā)可(kě)以(yǐ)由計算(suàn)機(jī)自動(dòng)獲得。

利(lì)用(yòng)放(fàng)電電(diàn)路進行測試(shì)

與(yǔ)P-E回(huí)滯測(cè)量類(lèi)似，在(zài)放電測試(shì)之前，應在介電材(cái)料的表麵製(zhì)備(bèi)導電(diàn)電(diàn)極，還應測量可用於(yú)估計測試的放電速度的弱場介(jiè)電(diàn)特性(xìng)。因(yīn)為(wéi)在測試(shì)中(zhōng)經常(cháng)涉及幾千伏的高(gāo)電壓(yā)，所以(yǐ)介電材料(liào)通(tōng)常(cháng)浸入矽(guī)油中。測(cè)試者應(yīng)該確定他(tā)們感興趣(qù)的(dí)放(fàng)電速度(dù)。放電(diàn)速(sù)度可(kě)以通(tōng)過樣(yàng)品(pǐn)的低(dī)場電容(róng)C和負(fù)載(zǎi)電(diàn)阻RL(RLC常數(shù)）粗略計算。一旦確定(dìng)了(liǎo)期望(wàng)的(dí)放電速度(dù)，就可以選(xuǎn)擇負載電阻器並將(jiāng)其連(lián)接(jiē)到(dào)測試樣品，然後將充(chōng)電電壓(yā)施加到介電(diàn)材料(liào)。一(yī)旦樣品(pǐn)全(quán)部充(chōng)電(diàn)，然後通過按下(xià)電路盒(hé)上的放電按鈕關(guān)閉高速(sù)開(kāi)關(guān)，將儲(chǔ)存(cún)的能量釋(shì)放(fàng)到(dào)負載電(diàn)阻(zǔ)器，電阻器(qì)上電壓的時間(jiān)依賴(lài)性(xìng)就可(kě)由(yóu)計(jì)算機自(zì)動記(jì)錄。

在此將(jiāng)以P（VDF-TrFE-CFE）三(sān)元(yuán)共聚(jù)物(wù)（63／37／7.5）作(zuò)為(wéi)示例(lì)材料，來(lái)演示如(rú)何(hé)解(jiě)釋(shì)放(fàng)電結果。使(shǐ)用上圖(tú)所(suǒ)示的(dí)電(diàn)路，表(biǎo)征(zhēng)三元(yuán)共(gòng)聚物對(duì)負(fù)載(zǎi)電阻器的(dí)放電行為。使用時(shí)間相關的電(diàn)壓數(shù)據(jù)公式，可以計(jì)算(suàn)放(fàng)電能量(liáng)密(mì)度的(dí)時(shí)間依賴性(xìng)。圖(tú)中顯示了三元共(gòng)聚(jù)物中不(bù)同充電(diàn)電(diàn)場的(dí)1MΩ負載(zǎi)的放電能量密度隨(suí)時(shí)間(jiān)的變化。總(zǒng)放(fàng)電能量(liáng)密(mì)度(dù)與(yǔ)從單極P-E回路推(tuī)導(dǎo)出的(dí)能量(liáng)密度相(xiāng)當(dāng)。這(zhè)裏使(shǐ)用(yòng)薄膜樣(yàng)品(pǐn)的電容(róng)在1kHz下測(cè)量為約(yuē)1nF。對幾種(zhǒng)三元(yuán)共聚物(wù)膜(mó)樣(yàng)品(pǐn)進(jìn)行(háng)表(biǎo)征(zhēng)發現(xiàn)，由於極(jí)化響應的非綫(xiàn)性(xìng)和(hé)頻(pín)率依(yī)賴(lài)性(xìng)，三元共(gòng)聚物的(dí)放(fàng)電特性(xìng)不能簡(jiǎn)單地通(tōng)過RC常(cháng)數(shù)來(lái)描(miáo)述，其(qí)中R是電(diàn)阻(R=RL+ESR)假(jiǎ)設電容(róng)器電容不隨(suí)頻(pín)率，電場(cháng)和RC電路(lù)和RC電路(lù)的(dí)時(shí)間(jiān)常(cháng)數(shù)(τ=RLC+ESRXC)變化(huà)，如果(guǒ)RL>ESR，可(kě)以忽(hū)略(lüè)ESRXC,，則放(fàng)電能(néng)量(liáng)密(mì)度(dù)與時(shí)間的關(guān)係如下(xià)： Uc(1)=UD(1-e-(21/t)) 式(shì)中(zhōng)，UD為放(fàng)電(diàn)能量(liáng)。

為了(liǎo)便於比較，使用1nF的電容(róng)和(hé)1MΩ的(dí)負載電(diàn)阻(zǔ)，利(lì)用公式來(lái)估(gū)算能(néng)量放電時間。70％能量釋(shì)放所(suǒ)需理(lǐ)論放電時間為(wéi)0.6ms，50％能(néng)量(liáng)釋放所(suǒ)需(xū)理(lǐ)論放電(diàn)時(shí)間為0.35ms。而實驗中，這兩種(zhǒng)能量釋放所(suǒ)需(xū)放電時(shí)間(jiān)分別為(wéi)0.66ms和(hé)0.3ms。估計(jì)值(zhí)和(hé)測(cè)量值之(zhī)間(jiān)的差異反映(yìng)了(liǎo)非綫(xiàn)性［有(yǒu)效介電常數(shù)在高(gāo)場（＞100MV／m）變(biàn)小］和(hé)介(jiè)電響應的頻(pín)率依賴性（介電常數(shù)在更高頻率或(huò)更短(duǎn)放電時間下變得更小(xiǎo)）。此外，ESR在高頻（或短(duǎn)放(fàng)電時(shí)間）下很(hěn)小(xiǎo)，並(bìng)且(qiě)在放電(diàn)後時間變

長。

對於相(xiāng)同(tóng)的三(sān)元(yuán)共聚物薄(báo)膜電容(róng)器(qì)，其他(tā)負載電阻（(RLL分別為100kΩ和(hé)1kΩ）下放(fàng)電能(néng)量密(mì)度(dù)如圖所示。正(zhèng)如預(yù)期的那(nà)樣，減小的(dí)RL會縮(suō)短放(fàng)電時間。然(rán)而，仔(zī)細檢(jiǎn)查(chá)實(shí)驗數據發現(xiàn)，放(fàng)電(diàn)時間(jiān)的減(jiǎn)少與RL的減少(shǎo)不成比(bǐ)例。