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顾问冷未尽
 楼主| 2024-4-17 11:15:21 显示全部楼层

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本帖最后由 冷未尽 于 2024-4-20 14:37 编辑

桂林理工大学超级电容组测试报告
版本:V1.0.2416
电容组介绍
        本次测试数据是为了对2024赛季的超级电容组选购进行参考,我队2024赛季的超级电容组为7串3V60F,额定容量1890J,采用被动均衡方案。
        由于经费有限,每个品牌的电容组仅做了一组测试组,无法确定是否个体批次差异。并且CDA与ETN品牌的电容组为淘宝购入,只有HCCCAP为立创商城正规渠道购入,也无法排除是否拆机或赝品的可能性。
        电容组手册数据对比:
测试组1 测试组2* 测试组3
品牌-系列 CDA-CXP HCCCAP ETN-TV
电压-容量 3V60F 3V60F¹ 3V60F
电容误差 -10%~+30% -10%~+30% -10%~+30%
交流内阻1KHz/mΩ 15 16²
直流内阻 mΩ 202213³
最大电流 A 40.9 50⁴ 51⁴
额定电流 A 2 17⁵ 6.7
价格(元/颗) 16 购入14.23,现9.5 6
*由于HCCCAP官网查询不到3V60F电容数据手册,且立创商城也没有提供(但是有3V70F的手册),所以本参数是根据3V70F电容的手册进行填写的。
1.采用恒电流充电30分钟直至工作电压,然后测量以10mA/F 电流从2.0 VDC放电到1.0VDC的时间。由以下公式计算得到容量:C = I * T。
2.ESR AC 由4探针阻抗分析仪测量:频率1kHz,振幅5mv。
3.电容、等效串联电阻 (ESR) 和漏电流根据 IEC62391-1 测量,电流以毫安 (mA) = 8 x C x V 为单位。
4.1秒钟放电至半压。
5.5秒钟放电至半压。
由于各品牌测试条件不同,所以手册数据的差异可提供的参考有限。
为什么不用某某某系列的电容?答:没钱,你送我就测。
电子负载测试数据
        仪器清单(赞助位招租)
电压数据记录使用9.9元的合宙CC表,数值不一定具有准确性,但是所有电容组都是使用相同的设备和相同的环境进行测试,差异具有一定参考价值。
200W恒功率放电
        使用200W进行测试,我觉得是强队的使用功率,在步兵/英雄一级的时候,底盘功率60W上下,再加上超级电容的200W,达到了250W(考虑DCDC损耗),满级120+200*DCDC损耗=300W,这已经是非常高的功率了。
        此次测试数据中,最好的电容组在200W恒功率放电的情况下只持续了不到6s。所以我认为,再高的功率去放电基本无意义了(可能飞坡可以以更高的功率进行放电使用,在2-4s的时间内完成飞坡)。
        3508手册中有功率-效率曲线,我还没研究过,底盘四个电机在多少W功率下获得最大的电机输出效率。
200W.png
图表截取了电容组恒功率放电的曲线区间,末端低电压已无法维持此功率(此时电流很大)
        测试结果表格对比:
CDA-CXPHCCCAP ETN-TV
起始电压 V 17.838 18.092 19.277
终止电压 V 6.995 7.258 6.983
持续时间 S 3.896 5.328 5.608
释放能量 J 779.2 1065.6 1121.6
能量利用率 % 41.23 56.38 59.34
        从测试数据可以看出,所有电容组的终止电压都在7V左右,如果按照3V7串额定电压21V来计算,正好是30%额定电压,此时理论可用能量为1680J,理论能量利用率为J88.89%,最好的测试数据也有了20%的能量损失,再加上DCDC以及电机的效率损耗,实际使用能量大概就只剩下50%左右了。
100W恒功率放电
        使用100W进行测试,我觉得是所有使用超级电容队伍的平均使用功率。
100W.png
图表截取了电容组恒功率放电的曲线区间,末端低电压已无法维持此功率(此时电流很大)
        测试结果表格对比:
CDA-CXP HCCCAP ETN-TV
起始电压 V 16.711 19.180 19.680
终止电压 V 3.712 4.450 4.012
持续时间 S 11.144 16.392 13.720
释放能量 J 1114.4 1639.2 1372
能量利用率 % 58.96 86.73 72.59
        从测试数据可以看出,所有电容组的终止电压都在4V左右,如果按照3V7串额定电压21V来计算,是19.05%额定电压,此时理论可用能量为1821.43J,理论能量利用率为96.37%,最好的测试数据只有10%的能量损失,再加上DCDC以及电机的效率损耗,实际使用能量应该能有80%左右。
        同时,可以看到,HCCCAP品牌的电容组,在低功率情况下明显优于ETN(在200W的放电曲线中似乎已经有趋势),他在50%以上电压的放电性能较好,曲线较平缓。
2A恒流放电
        使用2A恒流进行放电,是2023赛季超级对抗赛检录使用的检录参数,官方会以这个数据判断你的超级电容符不符合制作规范,额定能量2000J,最大能量2200J。
2A.png
CDA-CXP HCCCAP ETN-TV
起始电压 V 18.455 19.741 19.956
终止电压 V 0.6 0.718 0.6
持续时间 S 67.832 107.872 72.160
释放能量 J 1292.54 2206.95 1483.32
额定能量 J 1890 1890 1890
额定容量误差 % -31.61 +16.77 -21.52
释放能量计算公式:(Vs+Ve)*t*I/2
        从这个表格中可以看出,似乎CDA和ETN有重大的“虚标“嫌疑?但是请不要忘了,这两个品牌的超级电容是通过淘宝购买的,存在拆机或者赝品的可能。而HCCCAP似乎诚意很足,出厂就给了+20%的容量冗余,这可能是他在测试中优异表现的原因。
        以此测出的容量对前面的能量利用率重新进行计算,得出的表格如下:
CDA-CXP HCCCAP ETN-TV
实测能量 1292.54 2206.95 1483.32
200W能量利用率% 62.28 48.28 75.61
100W能量利用率% 86.22 74.27 92.5
        如果通过实际释放能量与实测能量的比值来看的话,似乎ETN-TV的表现才是最好的那个,HCCCAP也落到了末位。
        所以,哪个好那个坏?
结果总结
        我觉得,如果采用我的7串3V60F方案,我肯定推荐HCCCAP。一:从立创商城购买,是正规渠道,而且现在(2024年4月16日)的价格是9.5/个,太便宜了;二:从测试结果来看,HCCCAP的电容组给足了容量,甚至”反向虚标“(当然这在他的误差范围内),有更多的出厂能量使用,何乐而不为?
        tips:已经梭哈了35个(5组)用于今后比赛。对抗赛区域赛之后会追加测试电容损耗。
        至于其他两个,”出厂“容量误差超过手册标注容量,那么大概就说明这是拆机品或者赝品了(淘宝洋垃圾购物有风险),但是从比例来看,他们的数据也不俗,就是实测容量低于标称值,导致他初始容量就比HCCCAP少,所以表现会比HCCCAP差。(或许如果是正规渠道,就可以避免这个问题?)
超级电容组使用建议
1、超级电容组放电截至电压建议为额定电压的30%左右,放电功率(电流)越大,截止电压就应该越高。就算是30%截止电压,7串3V电容组理论可用能量也有88.89%,而10串2.7V电容组理论可用能量为91%。
2、200W放电,在7V的截止电压的临界条件下,放电电流为28.6A,远超裁判系统电容管理模块15A的额定电流,就是100W放电,在7V下才会低于15A,如果考虑电容管理模块的安全,我觉得最好把最大电容电流控制在20A(不过如此大的电流的情况下,持续时间也就1~2S,似乎不至于损坏裁判系统?)
3、由测试数据可得,200W放电情况下,7V以下电容组会无法以此功率继续输出,100W情况下则为4V。假如低于此电压继续使用,则需要处理输出功率衰减带来的问题,需要额外写代码(麻烦死了,不用算了)。
4、超级电容理论寿命都是从额定电压到1/2额定电压作为一个循环,在50万次循环之后可以保持初始容量的70%以上,初始内阻的200%以下。假若把循环电压下降到30%来使用,认为他会使寿命大幅衰减,我觉得应该有10万次循环会衰减到初始容量的70%以上,初始内阻的200%以下。(无测试条件,图一乐)
5、给超级电容组增加温度监控(或者加散热?),我测试200W放电时,电容组的损耗导致的电容组温度提升,已经可以通过手指感受出来了,大概有10°C甚至更高(这还只是表面温度)。超级电容普遍耐温为-40°C~65°C,超温使用会折寿。
问题答疑:
问:额定电压不是3V*7=21V吗,怎么测试才用20V?
答:BW6013芯片保护泄放电压为2.95V,2.95V*7=2.65V,为了避免因电源,或者超级电容控制板采样精度误差引起的过充,所以我觉得20V是个比较可靠的电压。另一方面原因是,电池在低电量的时候,由于线损,DCDC占空比等因素,其提供给电容的电压甚至会比20V更低。

问:为什么采用7串3V的电容组,我看主流都是10串2.7V
答:超级电容控制板拓扑决定我的电容组无法超过电池电压,所以我尽可能靠近其最低电压,同时为了体积考虑,我选择使用7串,如果是2.7V,那他电压只有18.9V,有点太低了。

问:不是说初始电压20V吗,怎么放电的起始电压低了几V?
答:超级电容两端的电压为电容组对外电路供电的电压,外部电路阻抗越大(开路),此电压就越接近电容组真实电压值,当外部电路接入负载时,外部电路的阻抗会随着其需求电流的增大而减小(r=u/i),所以当电子负载以200W功率需求接入电容组时,其阻抗约为20V/10A=1Ω,由于电容组存在内阻,此内阻也会有10A电流流过,产生压降。接入负载瞬间电容组电压的跌落可近似认为电容内阻的损耗(还会有线损),从而计算出电容内阻。
原始数据解析
原始数据解释.png
绿色框是仍在充电阶段,确保充电电流小于50ma;
黑色框是断开电源,由于电容需要涓流很长时间才能完全充满,所以断开电源之后会有一点电压下降;
橙色框是恒功率放电阶段,这是重点记录对象,电压跌落是由于电容组内阻产生的;
蓝色框是电容组无法满足电子负载设定的功率下放电的曲线,如果想要在这段曲线内继续放电,需要降功率。
电容组展示
IMG_20240301_205451.jpg IMG_20240414_154831.jpg IMG_20240414_155039.jpg IMG_20240414_155136.jpg
被动均衡热情泄放瞬间.mp4 (20.49 MB, 下载次数: 10)
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