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。
| 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 | 20 | 22 | 13³ |
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。
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。
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。
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)
| CDA-CXP | HCCCAP | 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。 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。
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)
| 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。
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。
| 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。 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?)
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: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
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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。
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