(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110068739 A(43)申请公布日 2019.07.30
(21)申请号 201910339653.5(22)申请日 2019.04.25
(71)申请人 西安交通大学
地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号(72)发明人 徐然 徐卓 冯玉军 魏晓勇 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任
公司 61200
代理人 徐文权(51)Int.Cl.
G01R 31/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图1页
CN 110068739 A(54)发明名称
一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备及方法(57)摘要
本发明公开了一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备及方法，包括充电回路、放电回路以及数据采集系统；所述充电回路包括高压直流电源，高压直流电源的高压输出端连接至保护电阻的一端，保护电阻的另一端连接至高压双向开关的可动端A，高压双向开关的固定端C连接至储能电介质样品的一端，储能电介质样品的另一端与高压直流电源的接地端相连；所述放电回路包括电感，电感的一端连接至高压双向开关的可动端B，电感的另一端连接至电阻的一端，电阻的另一端通过数据采集系统连接至储能电介质样品的另一端。本发明能够测试储能电介质材料在不同电压、不同负载以及不同温度下的充放电特性，也可测试一定次数放电后性能稳定性。
CN 110068739 A
权 利 要 求 书
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1.一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，其特征在于，包括充电回路、放电回路以及数据采集系统；
所述充电回路包括高压直流电源(1)、保护电阻(2)及高压双向开关(3)，高压直流电源(1)的高压输出端连接至保护电阻(2)的一端，保护电阻(2)的另一端连接至高压双向开关(3)的可动端A，高压双向开关(3)的固定端C连接至储能电介质样品(4)的一端，储能电介质样品(4)的另一端与高压直流电源(1)的接地端相连并接地；
所述放电回路包括电感(5)及电阻(6)，电感(5)的一端连接至高压双向开关(3)的可动端B，电感(5)的另一端连接至电阻(6)的一端，电阻(6)的另一端通过数据采集系统连接至储能电介质样品(4)的另一端及高压直流电源(1)的接地端。
2.根据权利要求1所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，其特征在于，所述数据采集系统包括连接在电阻(6)的另一端和储能电介质样品(4)的另一端之间的电流传感器(7)，电流传感器(7)上连接有数据采集器。
3.根据权利要求2所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，其特征在于，所述电流传感器为罗氏线圈。
4.根据权利要求2所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，其特征在于，所述数据采集器为示波器。
5.根据权利要求1所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，其特征在于，储能电介质样品(4)的外侧设置有用于控制其温度的温度控制系统(8)。
6.一种用于储能电介质充放电特性研究的试验方法，采用权利要求1所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将高压双向开关(3)的固定端C连接至高压双向开关(3)的可动端A，通过高压直流电源(1)给储能电介质样品(4)充电，通过设置高压直流电源(1)的输出值使储能电介质样品(4)充电至指定电压值；
步骤二：当储能电介质样品(4)达到指定电压值时，将高压双向开关(3)的固定端C连接至高压双向开关(3)的可动端B，储能电介质样品(4)通过电感(5)和电阻(6)放电，储能电介质样品(4)放电时，通过数据采集系统捕捉放电电流波形及数据；
步骤三：根据放电电流波形分析储能电介质样品(4)的放电特性。
7.根据权利要求6所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验方法，其特征在于，所述数据采集系统包括连接在电阻(6)的另一端和储能电介质样品(4)的另一端之间的电流传感器(7)，电流传感器(7)上连接有数据采集器，储能电介质样品(4)放电时，首先通过电流传感器(7)将电流信号转换为电压信号，然后通过数据采集器捕捉放电电流波形及数据。
8.根据权利要求6所述的一种用于储能电介质充放电特性研究的试验方法，其特征在于，储能电介质样品(4)的外侧设置有用于控制其温度的温度控制系统(8)，即能够测试不同温度下储能电介质样品(4)的放电特性。
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说 明 书
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一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备及方法
技术领域
[0001]本发明涉及储能电介质材料领域，具体涉及一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备及方法。
背景技术
[0002]储能电介质材料在高储能密度电容器、脉冲形成线等方面具有重要的应用。目前人们一般采用电滞回线或击穿场强和介电常数计算其储能特性，电介质材料一般处于变化速率较慢的电场下。而储能电介质材料应用于高储能密度电容器、脉冲形成线等场合时，其需要经历相对较慢的充电过程和快速的放电过程，放电过程时间可短至微秒甚至纳秒级，此时电场变化速率很快。传统的研究方法与储能电介质实际工作情形差异很大，并不能反映其在快放电时的性能，因此有必要研究储能电介质的充放电特性。目前并未有专门针对储能电介质材料充放电特性的测试设备和方法。
发明内容
[0003]本发明的目的在于提供一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备及方法，以解决现有技术存在的问题，本发明针对储能电介质材料充放电特性研究的需求，能够测试储能电介质材料在不同电压、不同负载以及不同温度下的充放电特性，也可测试一定次数放电后性能稳定性。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：[0005]一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，包括充电回路、放电回路以及数据采集系统；
[0006]所述充电回路包括高压直流电源、保护电阻及高压双向开关，高压直流电源的高压输出端连接至保护电阻的一端，保护电阻的另一端连接至高压双向开关的可动端A，高压双向开关的固定端C连接至储能电介质样品的一端，储能电介质样品的另一端与高压直流电源的接地端相连并接地；
[0007]所述放电回路包括电感及电阻，电感的一端连接至高压双向开关的可动端B，电感的另一端连接至电阻的一端，电阻的另一端通过数据采集系统连接至储能电介质样品的另一端及高压直流电源的接地端。[0008]进一步地，所述数据采集系统包括连接在电阻的另一端和储能电介质样品的另一端之间的电流传感器，电流传感器上连接有数据采集器。[0009]进一步地，所述电流传感器为罗氏线圈。[0010]进一步地，所述数据采集器为示波器。[0011]进一步地，储能电介质样品的外侧设置有用于控制其温度的温度控制系统。[0012]一种用于储能电介质充放电特性研究的试验方法，包括以下步骤：[0013]步骤一：将高压双向开关的固定端C连接至高压双向开关的可动端A，通过高压直流电源给储能电介质样品充电，通过设置高压直流电源的输出值使储能电介质样品充电至
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指定电压值；[0014]步骤二：当储能电介质样品达到指定电压值时，将高压双向开关的固定端C连接至高压双向开关的可动端B，储能电介质样品通过电感和电阻放电，储能电介质样品放电时，通过数据采集系统捕捉放电电流波形及数据；[0015]步骤三：根据放电电流波形分析储能电介质样品的放电特性。[0016]进一步地，所述数据采集系统包括连接在电阻的另一端和储能电介质样品的另一端之间的电流传感器，电流传感器上连接有数据采集器，储能电介质样品放电时，首先通过电流传感器将电流信号转换为电压信号，然后通过数据采集器捕捉放电电流波形及数据。[0017]进一步地，储能电介质样品的外侧设置有用于控制其温度的温度控制系统，即能够测试不同温度下储能电介质样品的放电特性。[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：[0019]本发明针对储能电介质材料充放电特性研究的需求，能够测试储能电介质材料在不同电压、不同负载以及不同温度下的充放电特性，也可测试一定次数放电后性能稳定性，本发明通过在充电回路接入保护电阻，可防止样品击穿时高压直流电源短路，本发明中回路电阻、电感可调，可以使电路处于阻尼，欠阻尼和临界阻尼放电状态下，获得不同形式的电流波形，本发明使用了高压双向开关，使得充电和放电回路相对独立，减小相互之间的影响，本发明测试范围广，通过选择适当的元件参数、电路参数和数据采集系统，测试放电时间从亚纳秒范围到秒级范围，电流峰值从1A以下到高达百千安，电压从1V以下到高达百千伏。
[0020]进一步地，本发明可以通过设置温度控制系统，测试不同温度下的放电电流曲线。[0021]本发明方法通过充电回路对储能电介质样品进行充电，通过放电回路对储能电介质样品进行放电，可实现多种类型电介质材料的充放电特性测试，如铁电/反铁电陶瓷，聚合物薄膜；通过控制选择适当的元件参数、电路参数和数据采集系统可实现电介质材料在多种物理参数下的放电特性测试，如不同电压和不同电路参数；还可以通过设置温度控制系统，测试不同温度下的放电电流曲线。附图说明
[0022]图1为本发明的示意图。
[0023]图2为某储能电介质材料在室温和一定电压下的放电电流波形。[0024]图中：1-直流高压电源，2-保护电阻，3-高压双向开关，4-储能电介质样品，5-电感，6-电阻，7-电流传感器，8-温度控制系统，A,B,C分别为高压双向开关的三个接头，其中A和B为可动端，C为固定端。具体实施方式
[0025]下面结合附图对本发明作进一步详细描述：[0026]参见图1，一种用于储能电介质充放电特性研究的试验设备，包括充电回路、放电回路、数据采集系统和温度控制系统，具体如下：[0027]充电回路包括高压直流电源1，保护电阻2，高压双向开关3和储能电介质样品4。用于给储能电介质样品4充电，充电电压可通过设置高压直流电源1输出值调节，其中高压直
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流电源1的输出端+连接至保护电阻2的一端，保护电阻2的另一端连接至高压双向开关3的可动端A，高压双向开关3的固定端C连接至储能电介质样品4的一端，储能电介质样品4的另一端与高压直流电源1的负极相连并接地。[0028]放电回路包括了储能电介质样品4，电阻6，电感5，高压双向开关3。用于使储能电介质样品4放电，可通过改变电阻6和电感5调节放电回路参数，其中电感5的一端连接至高压双向开关3的可动端B，电感5的另一端连接至电阻6的一端，电阻6的另一端通过数据采集系统连接至储能电介质样品4的另一端。
[0029]数据采集系统包括了电流传感器7(如罗氏线圈)和数据采集器(如示波器)，用于捕捉储能电介质的放电电流波形。
[0030]温度控制系统8可使用温控箱，此部分可选装，用于控制储能电介质样品4的温度，亦可去除温度控制系统8，仅测试室温下数据。
[0031]一种储能电介质充放电特性研究的试验方法，包括以下步骤：[0032](1)在工作时，首先通过温度控制系统8设置储能电介质样品4的温度，亦可去除温度控制系统8，仅在室温条件下测试。[0033](2)通过直流高压电源1给储能电介质样品4充电，通过设置直流高压电源1的输出值使储能电介质样品4充电至指定电压值。[0034](3)当储能电介质样品4达到设定的充电电压和温度时，操作高压双向开关3，使储能电介质样品4连接至放电回路，通过电阻6和电感5放电，电阻6和电感5包含本身的固有电阻电感以及外接负载电阻电感；储能电介质样品4放电时，通过电流传感器7将电流信号转换为电压信号，通过数据采集器如示波器捕捉放电电流波形及数据。[0035](4)根据放电电流波形进一步分析储能电介质样品4的放电特性，如放电时间、电流幅值和放电能量等。
[0036]下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述：[0037]实施例1
[0038]遵从上述技术方案，如图1所示，直流高压电源1选取0-20kV可调直流高压电源，输出正极性高压保护电阻2选取1MΩ高压电阻，高压双向开关3采用真空高压继电器，储能电介质样品4选取陶瓷电介质材料，放电回路直接短路，因此回路电感5和电阻6为回路本身固有电阻和电感，不采用温度控制系统，电流传感器7采用罗氏线圈，数据采集器采用示波器。[0039]具体实施过程如下：
[0040]试验时首先使高压双向开关3固定端C和可动端A导通，打开直流高压电源1，设定至指定电压值V1，当储能电介质样品4充电至V1时，控制高压双向开关3固定端C连接至可动端B。
[0041]储能电介质样品4通过放电回路放电，示波器捕捉充电电压V1时的放电电流波形。[0042]放电结束后，使高压双向开关1回到可动端A，保持设定温度不变，重新设置充电电压V2，使储能电介质样品4充电至电压V2，然后使双向开关处于可动端B，测得充电电压V2时的放电电流。
[0043]重复上述过程，测得室温下一系列充电电压V1，V2，V3…下的放电电流波形。[0044]实施例2
[0045]遵从上述技术方案，如图1所示，直流高压电源1选取0-20kV可调直流高压电源，输
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出正极性高压，保护电阻2选取1MΩ高压电阻，高压双向开关3采用真空高压继电器，储能电介质样品4选取陶瓷电介质材料，放电回路直接短路，因此回路电感5和电阻6为回路本身固有电阻和电感，温度控制系统8采用程控温箱，将储能电介质样品4置入其中并通过导线引出程控温箱外，电流传感器7采用罗氏线圈，数据采集器采用示波器。[0046]具体实施过程如下：
[0047]试验时首先通过温度控制系统8设定工作温度T1。高压双向开关3固定端C和可动端A导通，打开直流高压电源1，设定至指定电压值V0，当储能电介质样品4充电至V0时，控制高压双向开关3的固定端C与可动端B导通。[0048]储能电介质样品4通过放电回路放电，示波器捕捉充电电压V0时的放电电流波形。[0049]放电结束后，使高压双向开关3回到可动端A，设定储能电介质样品4温度至T2，保持充电电压V0不变，使储能电介质样品4电至电压V0，然后使双向开关处于可动端B，测得温度T2，充电电压V0时的放电电流。[0050]重复上述过程，测得一系列温度T1，T2，T3…下的放电电流波形。[0051]实施例3
[0052]遵从上述技术方案，如图1所示，直流高压电源1选取0-20kV可调直流高压电源，输出正极性高压，保护电阻2选取1MΩ高压电阻，高压双向开关3采用真空高压继电器，储能电介质样品4选取陶瓷电介质材料，放电回路直接短路，因此回路电感5和电阻6为回路本身固有电阻和电感，温度控制系统8采用程控温箱，将储能电介质样品4置入其中并通过导线引出程控温箱外，电流传感器7采用罗氏线圈，数据采集器采用示波器。[0053]具体实施过程如下：
[0054]试验时首先通过温度控制系统8设定工作温度T0。高压双向开关3的固定端C和可动端A接触，打开直流高压电源1，设定至指定电压值V0，当储能电介质样品4充电至V0时，控制高压双向开关3固定端C连接至可动端B。
[0055]储能电介质样品4通过放电回路放电，示波器捕捉温度T0，充电电压V0时的放电电流波形。
[0056]重复上述过程，测试不同充放电次数1,2,3…时储能电介质样品4的放电电流，研究其性能稳定性。
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