脉冲电容器用薄膜介质循环充放电与多场等效加载测试方法及系统

本发明涉及电容器充放电和储能介质测试，尤其是涉及脉冲电容器用薄膜介质循环充放电与多场等效加载测试方法及系统。

背景技术：

1、发展电磁弹射、轨道发射等电磁能装备，是重要战略需求。脉冲电容器作为实现电能快速储存与瞬时释放的核心器件，其薄膜介质直接决定电容器的储能密度、充放电效率和运行寿命，并进一步影响电磁能装备的服役性能。随着电磁能装备向高能量、大功率、小型化方向快速发展，薄膜介质需在极短时间内反复经历充电、保压和放电循环，并长期承受强电场、温度和机械应力等极端载荷耦合作用，其介电性能演化过程愈发复杂。若缺乏能够真实复现服役工况的测试方法，储能介质劣化机理将难以厘清，高可靠脉冲电容器的材料设计与性能评价也将缺少可靠依据。因此，构建面向全服役周期的薄膜介质极端工况等效加载方法与测试系统，已成为新一代高能量密度脉冲电容器研发亟需突破的关键基础。

2、现有薄膜介质服役性能测试多基于直流、交流或直流叠加谐波等工况，难以覆盖脉冲电容器实际运行中的快速充电、高场保压和瞬态放电循环。同时，脉冲电容器服役过程并非单一电场作用，而是电场、温度和机械应力共同参与的多场耦合过程，现有薄膜测试平台普遍难以实现多重载荷的同步加载与协同表征。此外，薄膜样品电容量远小于工程脉冲电容器电容量，若直接采用常规充放电平台，易导致放电阻尼特征、能量释放过程与目标工况失配，使测试结果难以准确反映储能介质在实际装备中的服役状态。因此，亟需提出一种面向薄膜介质样品的脉冲电容器运行工况全等效加载测试方法及系统，实现强电场循环充放电、多场耦合加载与损伤演化表征的一体化模拟。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供脉冲电容器用薄膜介质循环充放电与多场等效加载测试方法及系统，解决现有薄膜介质测试方法难以真实复现脉冲电容器储能介质运行工况、难以在小电容量薄膜样品上实现目标充放电波形匹配、难以同步施加电场、温度和机械应力并表征放电等效瞬态温升、难以统计循环过程中的击穿/自愈事件并分析不同工况组合影响权重的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了脉冲电容器用薄膜介质循环充放电与多场等效加载测试方法，包括：

3、s1、获取目标工况参数和样品参数，目标工况参数包括目标加载电压、充电时间、保压时间、目标放电特征、设定循环次数、等效稳态运行温度、目标纵向压力和目标横向拉伸力，样品参数包括待测介质薄膜厚度、宽度、有效电极重叠面积和实测电容量；

4、s2、构建样品电容单元，样品电容单元包括待测介质薄膜、金属化膜、高压电极和接地电极；

5、s3、测量样品电容单元的实测电容量，并通过样品结构参数计算样品电容量校核值，根据和的偏差确定用于负载匹配的样品电容量；

6、s4、根据样品电容量和目标放电特征，确定放电回路中的电感负载和电阻负载；

7、s5、根据目标工况参数生成全周期控制时序，全周期控制时序包括高压源输出模拟量信号、充电开关控制信号、放电开关控制信号、采集触发信号和安全泄放控制信号；

8、s6、按照全周期控制时序对样品电容单元执行充电、保压、放电和间隔过程，并在充电、保压、放电和间隔过程中同步施加等效稳态运行温度、目标纵向压力和目标横向拉伸力；

9、s7、根据样品端电压、样品放电电流、待测介质薄膜厚度、纵向压力、横向拉伸力和温度，确定待测介质薄膜在循环加载过程中的等效多场加载状态，等效多场加载状态包括电场、等效稳态运行温度、静态机械应力、电场诱导静电压力和放电等效瞬态温升；

10、s8、同步采集样品端电压、样品放电电流、自愈电流、温度、纵向压力、横向拉伸力以及位移或应变信号；

11、s9、统计不同循环周期内的击穿/自愈事件数量、事件能量及对应工况条件，并根据实测放电波形与目标放电特征之间的偏差修正后续循环参数。

12、优选的，步骤s3中样品电容量的确定方法包括：

13、测量样品电容单元的实测电容量；根据有效电极重叠面积、待测介质薄膜厚度和相对介电常数计算样品电容量校核值：

14、；

15、其中，为真空介电常数；计算电容量偏差系数：

16、；

17、当不大于预设阈值时，确定；当大于预设阈值时，判定样品电容单元存在有效重叠面积偏差、电极接触异常或装配异常，并重新调整或更换样品电容单元。

18、优选的，步骤s4中的目标放电特征包括目标阻尼振荡角频率和目标阻尼系数；对于由样品电容单元、电感负载和等效串联电阻构成的欠阻尼放电回路，阻尼系数和阻尼振荡角频率满足：

19、；

20、；

21、其中，为放电回路寄生电阻；电感负载和电阻负载的初始值满足：

22、；

23、；

24、其中，为电感负载初始值，为电阻负载初始值；当可忽略时，；

25、为使放电回路处于欠阻尼状态，电感负载、电阻负载、放电回路寄生电阻和样品电容量满足：

26、；

27、若计算得到的小于或等于零，或者不满足欠阻尼条件，则重新调整目标放电特征、放电负载范围或样品电容量；

28、电感负载和电阻负载根据波形偏差函数进行修正，波形偏差函数满足：

29、；

30、其中，和分别为目标样品端电压和目标样品放电电流，和分别为实测振荡频率和实测阻尼系数，和分别为目标振荡频率和目标阻尼系数，、、和为权重系数，至为放电波形评价区间。

31、优选的，步骤s5中的全周期控制时序包括：

32、在时刻，高压源开始输出，充电开关闭合，放电开关断开，样品电容单元开始升压；在时刻，样品电容单元达到目标加载电压并进入保压阶段，高压源持续输出或稳压输出，充电开关保持闭合，放电开关保持断开；在时刻，高压源停止输出，充电开关断开，放电开关闭合，样品电容单元经电感负载和电阻负载放电；在时刻，放电开关断开，电感负载和电阻负载从样品电容单元中切除；

33、充电时间、保压时间、放电开关导通时间、有效放电时间和间隔时间满足：

34、；

35、；

36、；

37、；

38、；

39、其中，为样品端电压或样品放电电流衰减至预设阈值的时刻，表示循环序号；第个完整循环周期满足：

40、。

41、优选的，步骤s6中的同步施加等效稳态运行温度、目标纵向压力和目标横向拉伸力的方法包括：

42、先通过横向夹具对待测介质薄膜施加横向拉伸，使待测介质薄膜保持展平状态；再通过上压板对样品有效测试区施加纵向压力；然后通过加热板将样品温度调节至等效稳态运行温度，并在循环充放电过程中维持或记录温度、纵向压力和横向拉伸力；

43、静态纵向压应力和静态横向拉伸应力分别满足：

44、；

45、；

46、其中，为施加的纵向压力，为施加的横向拉伸力，为纵向加载接触面积，为垂直于横向拉伸力方向的待测介质薄膜宽度，为待测介质薄膜厚度。

47、优选的，步骤s7内容如下：

48、样品有效测试区中的电场强度满足：

49、；

50、电场诱导静电压力和对应的静电力满足：

51、；

52、；

53、样品在纵向方向上的纵向总压应力满足：

54、；

55、在放电阶段，设为由金属化电极方阻折算得到的等效发热电阻，则第次放电对应的等效脉冲热输入满足：

56、；

57、若有效热作用体积为，薄膜材料密度为，比热容为，则放电脉冲引起的等效瞬态温升满足：

58、；

59、第个循环中薄膜介质承受的等效多场加载状态满足：

60、；

61、其中，为施加的等效稳态运行温度，用于模拟脉冲电容器实际运行中储能介质因持续充放电损耗和环境热条件形成的稳态温升水平，为横向拉伸应力，为纵向总压应力，为等效瞬态温升。

62、优选的，步骤s9内容如下：

63、各组工况下样品电容单元的有效测试区面积保持一致，并根据不同工况组内击穿/自愈事件数量和循环次数，计算第组工况下的单位循环击穿/自愈事件频次：

64、；

65、其中，为第组工况下统计得到的击穿/自愈事件总数，为第组工况的循环次数。

66、击穿/自愈事件通过样品端电压突降和自愈电流突增联合识别；当第个循环第次事件满足：

67、；

68、；

69、；

70、则判定该事件为击穿/自愈事件；其中，为事件前后样品端电压变化量，为事件前样品端电压，为事件电流峰值，为事件持续时间，、和分别为电压突降阈值、电流峰值阈值和持续时间阈值。

71、击穿/自愈事件的事件能量满足：

72、；

73、其中，和分别为该事件起始时刻和结束时刻；

74、将第组工况下第个工况因素实际值归一化为因素变量：

75、；

76、其中，和分别为第个工况因素在全部工况组中的最小值和最大值；工况因素包括电场强度、等效稳态运行温度、横向拉伸应力、纵向总压应力和等效瞬态温升；

77、以第组工况下单位循环击穿/自愈事件频次作为响应量，建立工况因素影响模型：

78、；

79、第个工况因素的贡献强度和影响权重满足：

80、；

81、；

82、其中，为第个工况因素对单位循环击穿/自愈事件频次的主效应系数，为第个工况因素与第个工况因素之间的交互作用系数，为第组工况对应的残差项。

83、脉冲电容器用薄膜介质循环充放电与多场等效加载测试系统，包括：

84、控制单元，用于生成高压源输出模拟量信号、充电开关控制信号、放电开关控制信号、采集触发信号和安全泄放控制信号；

85、高压充电单元，包括高压源、限流电阻和充电开关，用于对样品电容单元进行充电和保压；

86、样品电容单元，包括待测介质薄膜，待测介质薄膜的上下两侧设置有上金属化膜和下金属化膜，上金属化膜和下金属化膜靠近待测介质薄膜的一侧分别设置有上金属化层和下金属化层，上金属化层的一侧设置有留边，远离留边的一侧靠近待测介质薄膜的表面上设置有高压电极，下金属化层的一侧靠近待测介质薄膜的表面上设置有接地电极；上金属化膜与下金属化膜交错设置，上金属化层和下金属化层相对设置，上金属化层和下金属化层的重叠区域形成有效测试区；

87、放电负载单元，包括放电开关、电感负载和电阻负载，用于使样品电容单元在放电阶段完成匹配放电；

88、安全泄放单元，包括安全泄放开关和泄放电阻，用于释放样品电容单元残余电荷；

89、力-热加载单元，用于对样品电容单元同步施加热加载、纵向压力加载和横向拉伸加载；

90、同步采集单元，用于采集样品端电压、样品放电电流、自愈电流、温度、纵向压力、横向拉伸力以及位移或应变信号；

91、闭环修正单元，用于根据采集结果修正放电负载参数、多场加载参数或时序控制参数；

92、自愈电流采集单元，用于获得样品在充电、保压和放电阶段产生的自愈电流脉冲。

93、优选的，力-热加载单元包括电-热-力多场等效加载装置，电-热-力多场等效加载装置包括底座，底座上的中央位置处设置有第一固定板，第一固定板的两侧对称设置有第二固定板和第三固定板，第一固定板上设置有压力传感器，压力传感器上方设置有加热板；压力传感器连接有压力显示/采集装置，加热板连接有温控装置；

94、第二固定板上固定设置有左侧拉伸驱动电机，左侧拉伸驱动电机通过丝杆连接有左侧夹具；第三固定板上设置有右侧拉伸驱动电机，右侧拉伸驱动电机通过丝杆连接有右侧夹具，右侧拉伸驱动电机上设置有横向拉伸加载监测与控制单元；

95、底座上设置有支架，支架上设置有纵向加载驱动单元，纵向加载驱动单元下方设置有纵向加载传动导向机构，纵向加载传动导向机构的下方设置有上压板。

96、优选的，同步采集单元接收控制单元输出的采集触发信号，在样品电容单元充电开始前进入同步采集状态，以连续记录充电、保压和放电过程；同步采集单元还用于在同一时间基准下记录自愈电流、温度、纵向压力、横向拉伸力以及位移或应变信号；

97、闭环修正单元用于根据波形偏差函数、热加载偏差、纵向压力加载偏差、横向拉伸力加载偏差和击穿/自愈事件统计结果，对后续循环中的电感负载、电阻负载、等效稳态运行温度、纵向压力、横向拉伸力或全周期控制时序进行修正。

98、因此，本发明采用上述脉冲电容器用薄膜介质循环充放电与多场等效加载测试方法及系统，具备以下有益效果：

99、（1）本发明通过样品电容单元、电感负载和电阻负载的匹配，使小电容量薄膜样品能够复现目标脉冲电容器的升压、保压、阻尼放电和循环间隔过程，避免薄膜样品因电容量过小而导致放电特征失真。

100、（2）本发明在等效稳态运行温度、纵向压力和横向拉伸力加载基础上，进一步计入电场诱导静电压力以及放电电流引起的等效瞬态温升，实现了面向脉冲电容器储能介质运行状态的全等效多场加载，而不是单一电场或简单静态热-力加载。

101、（3）本发明通过高压源输出模拟量信号、充电开关控制信号、放电开关控制信号、采集触发信号和安全泄放控制信号的统一控制，实现高压源、充电回路、放电回路、同步采集和安全泄放之间的协同控制，提高了全周期充放电测试的可重复性和安全性。

102、（4）本发明通过同步采集电压、电流、温度、纵向压力、横向拉伸力以及位移或应变信号，实现了电-热-力多源数据在同一时间基准下的关联记录，可用于分析不同工况下击穿/自愈事件的触发条件和损伤累积规律。

103、（5）本发明通过加载后拆除薄膜介质并开展基础性能测试，结合单位循环击穿/自愈事件频次和工况影响权重模型，可定量分析电场、等效稳态运行温度、横向拉伸应力、纵向总压应力和等效瞬态温升对薄膜介质性能退化和损伤触发倾向的贡献程度，为脉冲电容器用储能介质材料筛选、结构优化和寿命评估提供依据。

104、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。