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南德認證檢測公司  張書博
  各位尊敬的領(lǐng)導、嘉賓大家下午好！
    今天我跟大家分享的題目是超級電容器的性能、可靠性和安全性分析。2009年美國一家電能儲存的公司，發(fā)布了非常驚人的消息，他們公司研制的超級電容器，性能、能量、密度、價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)簽訂了一個采購計劃，開始有人還懷疑，但是覺得這么大一個公司不可能去隨便認可不靠譜的公司。
    按照他們的說法應該是在2012年左右量產(chǎn)，目前兩年多過去了，應該是沒有量產(chǎn)的。大部分股份是被加拿大一家公司收購了，一個做電動汽車的公司。所以說超級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。我們看這四種產(chǎn)品，第一個是超級電容器，第二個是電池，第二個是鎳氫，第四個是鋁電池。超級電容器的等級分為四級。四級是最好的，超級電容器的各方面性能其實都比其他電池優(yōu)越很多，但是它也有軟肋。能量成本、密度還有一個放電，沒有辦法短期內(nèi)取代鋰電池，只能作為鋰電池一個補充的需要。
    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，是在汽車能量回收系統(tǒng)方面得到廣泛的應用，超級電容器我們把它分為四個級別，從單體到模塊、應用級別。一般超級電容制造商都是做單體級別、模塊級別到系統(tǒng)級別。剛才一位先生講目前超級電容器應用不是很成熟，到應用級別的話，很多超級電容的制造商也會有一些參與。用戶使用超級電容的時候，比如說做儲能還是做電動汽車，可能從單體和應用級別都要考慮到。我們南德的解釋是我們連接超級電容和用戶之間的連接體。用戶對產(chǎn)品的應用和產(chǎn)品的要求沒有辦法直接轉(zhuǎn)化成超級電容制造商回答的答案。超級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試。經(jīng)常會問我應該用哪些標準測試，首先我要了解你的超級電容的應用，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，其實不是很成熟，很多標準是逐步發(fā)展的。在標準上我也會和大家分析一下，實際上一般來說有兩套體系，一個是做電容檢測的。比如說做EMC的，或者有一些是做馬達產(chǎn)品的，還有一套是做電池的。包括美國的一些公司對超級電容器的研究，具體的測試方法還有一些檢測手段都是從電池來的，其實這個標準更像電池的標準。里面會引入電池的一些容量等等，尤其是一些安全的測試。
    實際上對超級電容的測試方面大家都不多，對超級電容企業(yè)還沒有意識到。大家覺得比鋰電池安全很多，對它的安全性關(guān)注不夠，對一個產(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。
    從超級電容檢測方面主要有性能測試、環(huán)境測試和安全測試。從危害上來說不會有什么危險，因為只測一些參數(shù)。做環(huán)境測試，比如說超級電容在高低溫之后會出現(xiàn)裂開的現(xiàn)象。
在不同實驗室出來的結(jié)果不一樣，在一個實驗室沒有任何反應，在另一個實驗室可能出現(xiàn)爆炸。從我們來說，我們的實驗室做了很多測試。實際上可控性還是很強的，你控制了濕度等方面的參數(shù)，這個測試還是比較好的。但是現(xiàn)在的標準當中很多把測試取消了。危害等級從性能到安全，一個單體是2.7V，最多是3.8V，有的可能到4V的。至少從電壓來說是一個安全電壓，人觸摸到不會觸電。但是模塊里很多做到48V，或者60V。從安全電壓角度對于不同標準有差別，比如說對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。我們當然是希望做到模塊級別，我可以不考慮防觸電。因為它將來會形成系統(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，但是對汽車行業(yè)來講交流是30V，直流是60V。你設(shè)計的時候要考慮，包括做一些電池測試也有這種情況，按照標準電壓來考慮我可以達到，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，做一個危險電壓的設(shè)置。標準電壓是60V以下，但是充滿電超過60V了，絕緣要高一個等級。超級電容還好，標準電壓就是它的最高電壓，一定不要超過這個級別。系統(tǒng)級別一般是高電壓的效率高一些，損耗會小一些，很多是安全低電壓以上。還有防刺激性、耐腐蝕、熄火和爆炸風險，做電池和超級電容都可能存在的風險。 國內(nèi)我們也到企業(yè)去測試，都覺得測試一下就可以了，不會制約環(huán)境。經(jīng)常有一些工廠的朋友說測試是沒有問題的，通過的。結(jié)果到我們實驗室一測就失敗了，究其原因是自己對環(huán)境和參數(shù)控制不是很嚴格，你必須按照標準嚴格控制，才能保證測試的質(zhì)量提高。
另外一個是測試的安全性，經(jīng)常有一些公司因為控制方面做的不好，發(fā)生起火、爆炸方面的危險。
今天有很多朋友問過我，超級電容器測試有那些標準？我大概總結(jié)一下，因為超級電容是比較新型的產(chǎn)品，標準不是很成熟，62391，62576是汽車行業(yè)用的性能標準，UL810A是電化學電容安全標準，里面的測試方法基本上都是電池里面的測試方法，沒有很多針對超級電容方面的。包括后面可能按照ICE的標準，其實這個標準可以包括電容，但是測試內(nèi)容都是針對電池的。它沒有專門針對電容的預處理條件和規(guī)定，按照這個標準可以做超級電容測試，但是我覺得不是很合適。因為測試方法等方面都是按照電池方法考慮的，并且它是根據(jù)我的測試出現(xiàn)起火等判定汽車危險等級做的結(jié)果。從很多OEM來說，他們對標準研究的很透徹。大眾這些公司自己有很多企業(yè)的標準，這個標準不是套用其中的某一個標準，而是考慮到它的應用，并且針對不同車型，設(shè)置的標準也會有差異。
    FreedomCAR是超級電容器測試手冊，測試方法和測試內(nèi)容描述的很詳細。并且對超級電容的性能來說也非常強，應用比較廣泛。但是在國內(nèi)大家接觸比較少一些，認可度稍微低一些。國內(nèi)有很多企業(yè)上目錄，都會做QC/T741是車用超級電容器，都是比較類似的。這些測試里面有性能、環(huán)境和安全測試。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，更傾向于做電容測試的人。比如說對電容來說起火是一個很大的危險。62576是性能，UL8109是安全測試，741是性能、環(huán)境、安全。
   目前的超級電容測試主要體系是IEC62391和62576，更多引用的是IEC60068。還有是汽車產(chǎn)品的環(huán)境測試的標準，我們在考慮的時候不一定考慮超級電容器的標準，也可以引用一些其他標準。因為是專門針對汽車的，所以里面的測試標準在汽車里經(jīng)常遇到。
    超級電容器測試手冊有12V、42V的電池要求和目標。其實這個目標很多內(nèi)容跟電池也比較類似，要求都是15年，對一些比功率和啟動值，包括重量和尺寸的要求。也有點像中國的863計劃提出來的一些目標，也會給一些補貼，但是做出來的產(chǎn)品一定要達到要求。
    應該多方面參考各個國家的要求，你將來的產(chǎn)品不一定只在國內(nèi)，有可能打入外國市場。走出去之后，你必須了解人家的標準里面有什么要求，如果不提前了解到，產(chǎn)品做出來之后，認證的時候發(fā)現(xiàn)你的產(chǎn)品一開始的設(shè)計就有差距，包括溫度各方面都會有一些具體的要求。
    簡單把我們實驗室介紹一下，南德意志集團在深圳有1500平米的測試，不光做電容還做電池。從國際上的一些要求來說，對壽命要求很高，聽大家討論的時候也聽到循環(huán)壽命的問題，包括其他很多對壽命要求的時候，不僅僅按照某個標準，比如說對耐久的考核有點像電容，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，我們目前對壽命的測試量不大，大家都覺得成本很高，感覺自己在工廠做一做就可以了。實際上這個測試很多控制方面不好的話，自己可以達到要求，但是真正拿到第三方是不行的。
    安全測試是模擬極端條件和情況來評估超級電容在濫用條件下的極限。超級電容的管理系統(tǒng)不像電池管理系統(tǒng)，發(fā)展還不是一個很完善的階段。如果產(chǎn)生了濫用條件，本身超級電容一定要突破這種條件。比如說你有管理系統(tǒng)，你可以不會短路。但是在你的器件發(fā)生短路的情況下，超級電容就不行了。實際上性能是基礎(chǔ)，但是安全是一個必要條件，要不然沒有人敢用你的東西。系統(tǒng)測試是最關(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試，有一些客戶提供不完善的測試，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。他說一個微米是五百耐壓，實際上只是當時做出來了。經(jīng)過一些可靠性實驗之后根本滿足不了要求，現(xiàn)在只在運營，但是沒有達到前面的目標。包括一些濕熱條件、機械震動等等。
   因為超級電容的不同標準實際上測試的方法不一樣。后面也會給大家舉一個例子，不同的標準測試也有差異。所以說一個是對溫度的控制，一個是對電流電壓、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，實際上是用來拆解電池的。
    還有一個區(qū)域是機械測試，比如說一些沖擊、震動，包括一些包裝跌落。另外包括一些針刺等，如果出現(xiàn)危險的時候，不會造成任何的影響。對我們來說，人的生命永遠是最重要的，發(fā)生任何危險的時候，保證人先跑掉，在可靠性測試上面，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，我們都要做一些風險評估。這個測試會不會出危險，會不會對人產(chǎn)生傷害，測試的時候要有哪些防護。比如一個模塊電壓超過安全電壓了，防護一定要做到，包括護目鏡等等一定要準備好，大家在工廠測試的時候這個是非常關(guān)鍵的。
    從超級電容來說我以62391為基礎(chǔ)，把超級電容分成四類，第一個是用于記憶支持，第二是用于能量儲存的，第三是用于提供持續(xù)規(guī)律，第四是用于提供瞬時功率。
    這是62391-2里面提到的對電容的測試方法，把電容設(shè)定成class3，規(guī)定恒流放點法測量。這個圖是測量的電路，也有一些專門的設(shè)備。實際上有一些標準的精度要求比較高，我們要用一些專用的設(shè)備實現(xiàn)測試的過程。
     我們以前測試的產(chǎn)品經(jīng)常會出現(xiàn)A工廠是3000F，在不同電流情況下，比如說50A、100A等等，容量都會出現(xiàn)一個點，規(guī)律性不是很強。實際上容量會不斷地降低，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，容量會明顯下降，50度的時候也會低一些，對一些比較好的電容來說也是比較好的。
     實際上比功率從我們測試出來看，比能量是一個比較線性的下降。從我們實驗室來說，我們不會像很多科研機構(gòu)或者一些公司，專注于材料。我們只是按照標準的方法，多測一些測試之后把這些數(shù)據(jù)集合起來。這個反映的可能不是說從科學角度的水平，但是從我們測試結(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，因為我們在中國這邊超級電容測試比較少，數(shù)據(jù)比較缺失。北美那邊測試的比較多，會經(jīng)常拿出一些數(shù)據(jù)。
  國內(nèi)經(jīng)常有很多朋友問我應該做什么，我可以按照你的條件把測試做的很標準，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試方法，讓你很精確的得出一些數(shù)據(jù)是我們的目標。
    內(nèi)阻測試是62391里面的，也會有一個方法和741有差異。因為它的放電是10倍，放電之后得到的這些曲線是它的電壓。對直流內(nèi)阻大家也是非常關(guān)注的，如果說我們將來測試數(shù)據(jù)多了以后，我們會慢慢在測試方法上面多開發(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)阻測試比較麻煩一些，拿日志表去做，但是對交流內(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合下很重要。
    耐久測試對62391的測試不是一個循環(huán)，應該更像標準化的測試。只是考核在這個溫度下考慮的，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，一個是上限類別溫度，這個就不是循環(huán)了。測試之后有要求電容量和內(nèi)阻的要求。 這個測試實際上對很多企業(yè)來說是一個難點，前面高溫就是高溫，低溫就是低溫，不會有變化。這是60068-2-14的測試，時間很短，要求快速的升溫降溫。要求每個溫度下或者是30分鐘，或者是3小時。內(nèi)阻大的電池做3小時比較好一些，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。我們測試有一些電容量不超過10%，經(jīng)常有一些電容在測試之后會發(fā)生漏液。
    我們采用的這個是通過高溫低溫來回的走，如果你用普通環(huán)境下的情況是達不到它的要求的。振動測試要求是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赫茲是沒有達到一百的，這個測試對汽車上用的超級電容器不是很合適，因為這個是一個模擬的。
  以前我們用的很多產(chǎn)品當中都會遇到電容，超過它的電壓之后會起火。還有一些脈沖電壓，在實際應用中有鋰電等產(chǎn)生電壓，引起電容的起火情況很多。這個標準其實也是根據(jù)以前其他一些電容的標準，引用的是EN60695-11-5的測試。
去年年初的波音飛機連續(xù)出現(xiàn)的問題，用的是日本公司的一個電池，那個電池在出現(xiàn)瀉壓之后，里面產(chǎn)生的氣體設(shè)置一個瀉壓的通道。但是從國內(nèi)來說，瀉壓之后溫度會比較高。這個是針刺測試、擠壓測試都是741里面的。這個是UL810A，模擬電池一些回收過程當中產(chǎn)生的壓力。還有一些撞擊措施，還有一個是沖擊測試，模擬汽車發(fā)生顛動的時候，峰值用的是125到175。
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