南德认证检测公司  张书博
  各位尊敬的领导、嘉宾大家下午好！
    今天我跟大家分享的题目是超级电容器的性能、可靠性和安全性分析。2009年美国一家电能储存的公司，发布了非常惊人的消息，他们公司研制的超级电容器，性能、能量、密度、价格全面的超越了电池，所以说它做广告说再见了电池。2009下半年和美国最大一家军用企业签订了一个采购计划，开始有人还怀疑，但是觉得这么大一个公司不可能去随便认可不靠谱的公司。
    按照他们的说法应该是在2012年左右量产，目前两年多过去了，应该是没有量产的。大部分股份是被加拿大一家公司收购了，一个做电动汽车的公司。所以说超级电容器到底能不能取代电池呢？是不是有了之后就可以把电池丢在垃圾筒里呢？不可能的，目前来说是各有各的优点。我们看这四种产品，第一个是超级电容器，第二个是电池，第二个是镍氢，第四个是铝电池。超级电容器的等级分为四级。四级是最好的，超级电容器的各方面性能其实都比其他电池优越很多，但是它也有软肋。能量成本、密度还有一个放电，没有办法短期内取代锂电池，只能作为锂电池一个补充的需要。
    上午一些嘉宾都讲过了，在功率密度和放电这一方面有优势，是在汽车能量回收系统方面得到广泛的应用，超级电容器我们把它分为四个级别，从单体到模块、应用级别。一般超级电容制造商都是做单体级别、模块级别到系统级别。刚才一位先生讲目前超级电容器应用不是很成熟，到应用级别的话，很多超级电容的制造商也会有一些参与。用户使用超级电容的时候，比如说做储能还是做电动汽车，可能从单体和应用级别都要考虑到。我们南德的解释是我们连接超级电容和用户之间的连接体。用户对产品的应用和产品的要求没有办法直接转化成超级电容制造商回答的答案。超级电容制造商尤其我们这边，或者从用户方面给我们提出一些测试。经常会问我应该用哪些标准测试，首先我要了解你的超级电容的应用，用在设备上还是汽车上。这种产品前面很多朋友也讲过了，其实不是很成熟，很多标准是逐步发展的。在标准上我也会和大家分析一下，实际上一般来说有两套体系，一个是做电容检测的。比如说做EMC的，或者有一些是做马达产品的，还有一套是做电池的。包括美国的一些公司对超级电容器的研究，具体的测试方法还有一些检测手段都是从电池来的，其实这个标准更像电池的标准。里面会引入电池的一些容量等等，尤其是一些安全的测试。
    实际上对超级电容的测试方面大家都不多，对超级电容企业还没有意识到。大家觉得比锂电池安全很多，对它的安全性关注不够，对一个产品来说性能是基础，有性能之后就要考虑安全。但是光安全还是不行，从我们这边做很多测试，包括德国的一些大众OEM，现在国内企业都改了。
    从超级电容检测方面主要有性能测试、环境测试和安全测试。从危害上来说不会有什么危险，因为只测一些参数。做环境测试，比如说超级电容在高低温之后会出现裂开的现象。
在不同实验室出来的结果不一样，在一个实验室没有任何反应，在另一个实验室可能出现爆炸。从我们来说，我们的实验室做了很多测试。实际上可控性还是很强的，你控制了湿度等方面的参数，这个测试还是比较好的。但是现在的标准当中很多把测试取消了。危害等级从性能到安全，一个单体是2.7V，最多是3.8V，有的可能到4V的。至少从电压来说是一个安全电压，人触摸到不会触电。但是模块里很多做到48V，或者60V。从安全电压角度对于不同标准有差别，比如说对我们正常家里边接触的或者是1000V交流，或者1500V，安全低电压是50V交流，120V直流。我们当然是希望做到模块级别，我可以不考虑防触电。因为它将来会形成系统，绝缘方面在系统方面考虑就可以了。
    比如说交流是50V，直流是120V，但是对汽车行业来讲交流是30V，直流是60V。你设计的时候要考虑，包括做一些电池测试也有这种情况，按照标准电压来考虑我可以达到，但是汽车上是60V的工作电压，就是说开车情况下形成最大电压，做一个危险电压的设置。标准电压是60V以下，但是充满电超过60V了，绝缘要高一个等级。超级电容还好，标准电压就是它的最高电压，一定不要超过这个级别。系统级别一般是高电压的效率高一些，损耗会小一些，很多是安全低电压以上。还有防刺激性、耐腐蚀、熄火和爆炸风险，做电池和超级电容都可能存在的风险。 国内我们也到企业去测试，都觉得测试一下就可以了，不会制约环境。经常有一些工厂的朋友说测试是没有问题的，通过的。结果到我们实验室一测就失败了，究其原因是自己对环境和参数控制不是很严格，你必须按照标准严格控制，才能保证测试的质量提高。
另外一个是测试的安全性，经常有一些公司因为控制方面做的不好，发生起火、爆炸方面的危险。
今天有很多朋友问过我，超级电容器测试有那些标准？我大概总结一下，因为超级电容是比较新型的产品，标准不是很成熟，62391，62576是汽车行业用的性能标准，UL810A是电化学电容安全标准，里面的测试方法基本上都是电池里面的测试方法，没有很多针对超级电容方面的。包括后面可能按照ICE的标准，其实这个标准可以包括电容，但是测试内容都是针对电池的。它没有专门针对电容的预处理条件和规定，按照这个标准可以做超级电容测试，但是我觉得不是很合适。因为测试方法等方面都是按照电池方法考虑的，并且它是根据我的测试出现起火等判定汽车危险等级做的结果。从很多OEM来说，他们对标准研究的很透彻。大众这些公司自己有很多企业的标准，这个标准不是套用其中的某一个标准，而是考虑到它的应用，并且针对不同车型，设置的标准也会有差异。
    FreedomCAR是超级电容器测试手册，测试方法和测试内容描述的很详细。并且对超级电容的性能来说也非常强，应用比较广泛。但是在国内大家接触比较少一些，认可度稍微低一些。国内有很多企业上目录，都会做QC/T741是车用超级电容器，都是比较类似的。这些测试里面有性能、环境和安全测试。大家可以看到62391包括换能、环境、安全。但是和741等UL810A有比较大的差异，更倾向于做电容测试的人。比如说对电容来说起火是一个很大的危险。62576是性能，UL8109是安全测试，741是性能、环境、安全。
   目前的超级电容测试主要体系是IEC62391和62576，更多引用的是IEC60068。还有是汽车产品的环境测试的标准，我们在考虑的时候不一定考虑超级电容器的标准，也可以引用一些其他标准。因为是专门针对汽车的，所以里面的测试标准在汽车里经常遇到。
    超级电容器测试手册有12V、42V的电池要求和目标。其实这个目标很多内容跟电池也比较类似，要求都是15年，对一些比功率和启动值，包括重量和尺寸的要求。也有点像中国的863计划提出来的一些目标，也会给一些补贴，但是做出来的产品一定要达到要求。
    应该多方面参考各个国家的要求，你将来的产品不一定只在国内，有可能打入外国市场。走出去之后，你必须了解人家的标准里面有什么要求，如果不提前了解到，产品做出来之后，认证的时候发现你的产品一开始的设计就有差距，包括温度各方面都会有一些具体的要求。
    简单把我们实验室介绍一下，南德意志集团在深圳有1500平米的测试，不光做电容还做电池。从国际上的一些要求来说，对寿命要求很高，听大家讨论的时候也听到循环寿命的问题，包括其他很多对寿命要求的时候，不仅仅按照某个标准，比如说对耐久的考核有点像电容，在衡压的情况下不循环，只能涉及到循环寿命、充电方面，我们目前对寿命的测试量不大，大家都觉得成本很高，感觉自己在工厂做一做就可以了。实际上这个测试很多控制方面不好的话，自己可以达到要求，但是真正拿到第三方是不行的。
    安全测试是模拟极端条件和情况来评估超级电容在滥用条件下的极限。超级电容的管理系统不像电池管理系统，发展还不是一个很完善的阶段。如果产生了滥用条件，本身超级电容一定要突破这种条件。比如说你有管理系统，你可以不会短路。但是在你的器件发生短路的情况下，超级电容就不行了。实际上性能是基础，但是安全是一个必要条件，要不然没有人敢用你的东西。系统测试是最关键的，我的产品拿出来之后我们都可以说它的电容是多少，内阻和放电参数是多少。这些数字都要有可追溯的测试，有一些客户提供不完善的测试，看起来曲线就比较怪。，可能是给的设置条件不是很规范，其他温度等条件不是很一致造成了成功性不是很好。
    环境和可靠性也是很重要的方面，比如说可以取代电池，当然也做出来了。为什么没有量产呢？可靠性方面也有问题。他说一个微米是五百耐压，实际上只是当时做出来了。经过一些可靠性实验之后根本满足不了要求，现在只在运营，但是没有达到前面的目标。包括一些湿热条件、机械震动等等。
   因为超级电容的不同标准实际上测试的方法不一样。后面也会给大家举一个例子，不同的标准测试也有差异。所以说一个是对温度的控制，一个是对电流电压、精度各方面的控制非常重要。中间一大块区域是环境的，有一些高低温的，有一些可以加湿的，实际上是用来拆解电池的。
    还有一个区域是机械测试，比如说一些冲击、震动，包括一些包装跌落。另外包括一些针刺等，如果出现危险的时候，不会造成任何的影响。对我们来说，人的生命永远是最重要的，发生任何危险的时候，保证人先跑掉，在可靠性测试上面，我们也考虑到性能、可靠性、安全性能放在首位。包括一些比较大的电池，我们都要做一些风险评估。这个测试会不会出危险，会不会对人产生伤害，测试的时候要有哪些防护。比如一个模块电压超过安全电压了，防护一定要做到，包括护目镜等等一定要准备好，大家在工厂测试的时候这个是非常关键的。
    从超级电容来说我以62391为基础，把超级电容分成四类，第一个是用于记忆支持，第二是用于能量储存的，第三是用于提供持续规律，第四是用于提供瞬时功率。
    这是62391-2里面提到的对电容的测试方法，把电容设定成class3，规定恒流放点法测量。这个图是测量的电路，也有一些专门的设备。实际上有一些标准的精度要求比较高，我们要用一些专用的设备实现测试的过程。
     我们以前测试的产品经常会出现A工厂是3000F，在不同电流情况下，比如说50A、100A等等，容量都会出现一个点，规律性不是很强。实际上容量会不断地降低，在不同环境下，比如说25%的情况下容量值是最高的，低温零下20度，也做过零下40度，容量会明显下降，50度的时候也会低一些，对一些比较好的电容来说也是比较好的。
     实际上比功率从我们测试出来看，比能量是一个比较线性的下降。从我们实验室来说，我们不会像很多科研机构或者一些公司，专注于材料。我们只是按照标准的方法，多测一些测试之后把这些数据集合起来。这个反映的可能不是说从科学角度的水平，但是从我们测试结果角度反映出我们行业的状况。我们也希望能够和大家多合作，因为我们在中国这边超级电容测试比较少，数据比较缺失。北美那边测试的比较多，会经常拿出一些数据。
  国内经常有很多朋友问我应该做什么，我可以按照你的条件把测试做的很标准，怎么用我不知道。关于产品特性来说，我们这边只是保证你能够提供的需要和一些测试方法，让你很精确的得出一些数据是我们的目标。
    内阻测试是62391里面的，也会有一个方法和741有差异。因为它的放电是10倍，放电之后得到的这些曲线是它的电压。对直流内阻大家也是非常关注的，如果说我们将来测试数据多了以后，我们会慢慢在测试方法上面多开发一些。比如说有不同倍率的充放电，内阻的差异很。直流内阻测试比较麻烦一些，拿日志表去做，但是对交流内阻和直流内阻往往有差异。电池一般是一半左右，所以说直流内阻，尤其是一些特殊的场合下很重要。
    耐久测试对62391的测试不是一个循环，应该更像标准化的测试。只是考核在这个温度下考虑的，比如电流量不能超过30%，内阻不能超过10倍。
    高低温特性分两步，第一步下限类别温度，一个是上限类别温度，这个就不是循环了。测试之后有要求电容量和内阻的要求。 这个测试实际上对很多企业来说是一个难点，前面高温就是高温，低温就是低温，不会有变化。这是60068-2-14的测试，时间很短，要求快速的升温降温。要求每个温度下或者是30分钟，或者是3小时。内阻大的电池做3小时比较好一些，由客户来选。如果比较小的做30分钟可以，但是内阻较大的可以做3小时。我们测试有一些电容量不超过10%，经常有一些电容在测试之后会发生漏液。
    我们采用的这个是通过高温低温来回的走，如果你用普通环境下的情况是达不到它的要求的。振动测试要求是10到55赫兹，给的是振幅0.75毫米或者加速度100米每秒。这个是6008-2-6的图，0.75是58.1，频率和加速度是正比的关系。保持一定振幅比例增加意味着加速度要增加，提高到一定程度55赫兹是没有达到一百的，这个测试对汽车上用的超级电容器不是很合适，因为这个是一个模拟的。
  以前我们用的很多产品当中都会遇到电容，超过它的电压之后会起火。还有一些脉冲电压，在实际应用中有锂电等产生电压，引起电容的起火情况很多。这个标准其实也是根据以前其他一些电容的标准，引用的是EN60695-11-5的测试。
去年年初的波音飞机连续出现的问题，用的是日本公司的一个电池，那个电池在出现泻压之后，里面产生的气体设置一个泻压的通道。但是从国内来说，泻压之后温度会比较高。这个是针刺测试、挤压测试都是741里面的。这个是UL810A，模拟电池一些回收过程当中产生的压力。还有一些撞击措施，还有一个是冲击测试，模拟汽车发生颠动的时候，峰值用的是125到175。
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