刘凯超级电容器的温度特性研究

哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，第四届博. 学生学术论坛超级电容器温度特性研究导师: 陈庆全，博士. 候选人: 刘凯（07B306003）（哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，哈尔滨150001）论文于2009年开放. 目前的工作如下: 1.1超级电容器等效温度校正研究电路模型基于现有的超级电容器等效电路模型，结合不同温度条件，不同温度下的实验数据，下面给出了在整个工作温度范围内识别电路参数并将数据拟合到相同参数的方法，以获得功能关系在参数和温度之间进行校正，完成等效电路模型的温度校正. 校正后的模型仿真结果与相应温度下的实验曲线吻合良好，证明了模型的正确性和实用性. 1.2温度对超级电容器SOC估算的影响研究超级电容器在不同温度下的容量不同，因此在不同温度下对应于SOC = 1的比容量也不同. 以超级电容器在室温（25℃）下的容量为基准，转换其他温度下的SOC值，从而SOC值成为温度的函数并具有温度连续性. 使用具有温度参数的超级电容器等效电路模型计算超级电容器的开路电压，然后通过开路电压法估计超级电容器的SOC值，这增强了SOC值估计方法的温度适应性，并且提高了估算的准确性.

1.3超级电容器组管理系统设计由于超级电容器单元的电压相对较低，因此通常在工程应用中以串联-并联方式使用，以满足设备正常运行的电压要求. 超级电容器组管理系统主要包括电容器组管理，电容器单元管理，温度平衡控制，平衡管理等. 在管理系统中重点研究基于温度的SOC估计算法，改进以安培小时法和开路电压法估计SOC的算法，并使用安培开路电压合成方法来实现对SOC的估计. 在不同温度下电容器组的SOC值. 验证结果是否符合使用要求. 超级电容器等效电路模型的比较研究导师: 陈庆泉博士生: 刘凯（07B306003）（哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，哈尔滨150001）摘要在超级电容器特性研究和工程实践中，等效电路模型是一个有效的研究工具. 本文结合一些实验数据，对几种典型的超级电容器等效电路模型的特性进行了比较和分析，并简要介绍了在实际工程应用中选择超级电容器等效模型的原理. 简介与传统的电解电容器相比，超级电容器具有较大的电容和较高的能量密度. 与电池相比，超级电容器具有大的比功率，高电流充放电，快速充电速度和长循环寿命. 在不间断电源系统（UPS）中，第4位博士. 哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院的学术论坛，电动汽车，混合燃料汽车，特种卡车，铁路系统，通信系统，脉冲动力系统，航空航天与国防，消费电子等. 具有巨大的应用价值和市场潜力[2-5]当前使用的大多数超级电容器是碳基双电层电容器. 双电层超级电容器主要由两个电极，电解质和隔膜组成. 内部基本结构如下图1所示.

由于活性炭电极的多孔结构和巨大的表面积，与传统电容器相比，超级电容器的容量已大大提高. 因此，超级电容器的特性相对复杂. 对于用户而言，掌握超级电容器的特性对于在实际应用中最大化超级电容器的性能非常重要. 超级电容器模型是研究超级电容器储能技术的重要内容，对于判断和预测超级电容器的工作状态，储能系统的仿真以及储能系统的优化设计具有重要意义. 双电层电容器的基本结构近年来，随着超级电容器的广泛使用，研究人员提出了一些等效模式来描述超级电容器的特性[6-12]. 从建立等效模型的现有方法来看，主要有三种类型: 数学建模，等效电路模型和非电路模型（例如神经网络建模）. 每种建模方法都有其优点和缺点. 数学建模方法包括许多复杂的公式，并且要确定的参数很多，而且许多参数通常没有明确的物理含义，这也是非电路模型的问题. 在实际工程应用中，大多数情况下使用等效电路模型. 本文首先介绍几种代表性的等效电路模型，通过比较模型仿真结果和实验数据来分析每种电路的特性，并在此基础上简要介绍实际应用中等效电路模型的选择原理. 超级电容器等效电路模型建立超级电子等效模型的目的是描述超级电容器在实际工作过程中的性能. 最常用的是超级电容器在充电和放电期间的端电压特性.

超级电容器等效电路模型中包含的组件主要是电阻器R和电容器C，因此超级电容器等效电路模型也称为超级电容器RC电路模型. 超级电容器等效电路模型从电路结构上可分为三类: RC并联支路模型，RC传输线模型，RC串并联模型. 每种类型的电路模型都可以进一步扩展为线性模型和非线性模型. 线性模型中包含的设备是线性组件，参数是固定值. 非线性模型与温度，电容器电压等具有一定的关系. 电容器或电阻器元件. 2.1最简单的RC电路模型最简单的RC电路模型仅包含一个RC分支. 在该模型中，只有两个组件，电阻器R和电容器C. 电路模型用于描述超级电容器的欧姆损耗，如图所示. 串联内部电阻（ESR）不仅表征了超级电容器的内部热损耗，而且在向负载放电时电流变化时会引起不同的电压降，从而限制了超级电容器的最大放电电流. 电容用于描述充电和放电期间超级电容器的容量. 这两个参数可以从电容器制造商提供的产品手册中获得. 哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，第四届博. 学术论坛，最简单的RC等效电路模型. RC电路模型的仿真结果与实验曲线的比较. 从比较结果可以看出，最简单的RC电路模型仅考虑了超级电容器的瞬时动态响应，只能描述超级电容器充电和放电过程中端电压的线性变化过程，而不能捕捉到充放电过程以及充放电结束后端子电压的非线性上升或下降的过程.

但是，最简单的RC模型的最突出优点是电路结构简单，并且可以显示超级电容器在运行期间的电压变化趋势，从而便于对超级电容器能量进行充电和放电分析以及计算存储系统. 可从制造商提供的手册中获取参数，因此使用该模型非常方便超级电容器等效电路，无需复杂的参数识别1020 30 40 50 60 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40实验曲线模拟曲线是最简单的RC电路模型模拟结果2.2 RC并联支路在模型理论上，希望等效电路模型的阶数越大越好，以便等效结果可以最大程度地接近真实实验曲线，但阶次太大会导致模型参数的识别过程比模型复杂得多. 精度的提高程度，在实际使用中，二阶或三阶模型可以满足使用精度的要求，有时大于4将使用模型. 图4显示了三分支RC并联等效电路模型，也可以称为三阶RC并联分支等效电路模型. R构成一个中间时间分支，用于描述几分钟内的充电和放电特性； R构成一个长期分支，用来描述长期的充放电特性，时间跨度可以达到数十分钟； R Lea用于描述此后的超级电容器自放电过程. 最简单的RC模型是一阶RC并行分支模型，这也表明最简单的RC模型描述瞬态响应特性的能力更好.

第四届博论文的三分支RC并联等效电路模型哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院的学术论坛包含三个参数. 三分支RC并联等效电路包含6个参数，需要通过恒流充电和放电实验来确定. 在[6]中，给出了等效模型的参数识别方法. 由于篇幅所限，本文不再赘述. 如模型验证结果所示，仿真结果与实验曲线非常吻合，可以很好地描述充电过程的非线性变化. 三支RC并联支路模型的仿真结果RC并联支路模型可以很好地反映充电结束后内部电荷的重新分配过程，还可以准确地描述超级电容器在充电和放电过程中的动态特性. 用于识别模型参数的实验数据与用于验证仿真结果的数据是不同的曲线，这也充分证明了模型的正确性. 模型的精度误差主要是由参数识别过程中的假设以及使用不同的参数识别方法引起的. 2.3 RC传输线模型RC传输线等效电路模型基于超级电容器的多孔电极理论[13]. 因此，如果我们从超级电容器多孔电极的微物理结构入手，则需要大量的RC支串并联网络. 物理模型如图6（a）所示[12，14-16]，其中R sep代表膜片电阻； R阳极阴极分别代表阳极和阴极引线电极的电阻； R p1 pn表示多孔质活性炭电极的细孔内的电阻. C p1代表多孔活性炭电极孔中的电容.

模型的参数取决于许多因素，例如电极材料的电阻率，电解质的电阻率，电极孔的大小，隔板的性质以及包装技术等. 在实际应用和特性分析中非常重要不方便，在实际应用中，需要简化或重建模型. 图6（b）是无限多电平RC传输线的简化等效电路模型. RC传输线等效电路模型通常也称为梯形RC网络模型. 时间（s）实验曲线仿真曲线哈尔滨工业大学电气与自动化学院第四届博士生学术论坛Rp1 Cp1 Ranode Rsep Rp2 Cp2 Rp3 Cp3 Rpn Cpn R'p1 C'p1 Rcathode R'p2 C'p2 R'p3 C 'p3 R'pn C'pn阳极-阴极膜片电阻超级电容器RC传输线等效电路模型与并联支路模型相似. RC传输线等效电路模型中的参数也需要通过恒流充电和放电实验来确定，文献[17]使用四阶RC传输线模型来研究水性电解质超级电容器的特性，以及一个完整的参数. 给出了识别过程. 具体模型电路如图7所示. RC传输线等效电路模型-充电模型RC传输线等效电路模型是基于多孔电极理论，基于超级电容器的物理结构来描述其电化学性能而建立的. 特征，模型中的参数具有明确的物理意义.

根据图8所示的仿真结果，该模型可以同时描述超级电容器的瞬态动态特性和长期电压变化，并且该模型具有良好的适用性. 但是，传输线模型的解析表达式复杂，增加了仿真研究的难度. 一阶RC传输线等效电路模型的仿真结果2.4 RC串联-并联等效电路模型在文献[18]中，提出了RC串联-并联分支等效电路模型. 图9显示了三阶RC串联-并联分支模型的原理电路. Ra代表等效串联电阻. Ca和其余平行分支一起代表由于使用多孔电极而引起的超级电容器的阻抗. RC串联-并联支路等效电路模型主要用于研究和分析超级电容器的阻抗特性. 文献[18]也通过使用阻抗获得电路参数. RC系列并联等效电路模型在工程实践中等效模型的选择原理如上所述，几种超级电容器等效电路模型已成功应用于超级电容器端子电压的预测. 实际工程应用中的问题包括究竟使用什么类型的等效模型，如何确定模型的阶数，是否需要在模型中使用可变电容器等等. 通过以上对几种典型等效电路模型的比较研究，发现每种模型都有其独特的特性. 因此，没有模型是通用的，应该基于实际工程需求，例如需要研究瞬态动态特性或长期电压变化特性，该模型用于系统模块性能分析或超级电容器的荷电状态（SOC）. ）估算等. 在确定模型类型之前，先对模型进行简单评估，主要包括模型的准确性，参数识别过程的难度，是否易于获得参数识别所需的测试数据，以及实时模型算法（s）充电过程中的电压变化时间（s）实验曲线仿真曲线充电停止后6000秒内端子电压变化实验曲线仿真曲线时间（s）充电后6000秒内放电端子电压变化测试停止模拟曲线时间（s）实验曲线模拟曲线哈尔滨工业大学考虑了工程与自动化学院第四届博士学术论坛的相互应用.

并非所有应用程序都需要使用高精度模型. 对于某些应用程序，高精度模型会增加系统的复杂性，同时会降低系统的易用性和效率，这是不合适的. 结论超级电容器等效电路模型是一种用于超级电容器特性分析和状态预测的非常有效的研究方法. 本文介绍了几种典型的超级电容器等效电路模型. 将仿真结果与实验曲线相结合，分析了它们的特性，并简要描述了在实际工程应用中超级电容器等效模型的选择原则. 参考超级电容器: 为什么，如何，技术[J]. Journal PowerSources，2000，91: 37-50. 卡伦电化学电容器原理[J]. Electrochimica Acta，2000，45: 2483-2498. CyrusAshtiani，Randy Wright，Gary Hunt. 超级电容器在汽车上的应用[J]. Journal PowerSources，2006，154: 561-566. 关键词: 超级电容器，城市轨道车辆，节能应用上海工程技术大学学报，2008，22（2）: 117-120. 关键词: 电容器，直流电源系统，超级应用机电工程技术，2008，37（4）: 80-82. 路易斯·朱比塔（RuisZubieta），理查德·波纳（RichardBoner）. 关键词: 双层电容器，电力电子应用IEEE Trans IndustryApplications，2000，36（1）: 199-205. Berthon. 投稿申请[C]. 第一次欧洲申请. 法国贝尔福，2004年11月. Lajnef，J.-M. Vinassa，Zardini. 使用阻抗频率分析专用测试台研究超级电容器的动力学行为[J]. 力学学报，2010,41（1）: 155-159 IEEE国际研讨会工业电子学，2004，J.-N. 伯顿的玛丽·弗朗索瓦（Marie-Francoise）. 关键词: 超级电容器，热电行为，人工神经网络独立外部评价电器. 电力应用，2006，153（2）: 255-261. 10. Venkat Srinivasan Weidner. 数学建模的电化学电容器[J]. 物理化学学报，2011,27（06）: 1097-1910 Journal Electrochemical Society，1999，146（5）: 1650-1658. 11. Godfrey Sikha，拉尔夫数学模型锂离子电池/电化学电容器的混合系统[J]. 物理化学学报，2011,28（06）: 1095-1098电化学学报，2005，152（8）: 1682-1693. 12. Nelms. 经典等效电路参数双层电容器[J]. 物理化学学报，2011,27（06）: 1275-1279 IEEE Trans ElectronicSystems，2000，36（3）: 829-836. 13.德利维. 关键词: 多孔电极，电解质溶液Electrochimica Acta，1963超级电容器等效电路，8: 751-780. 14.基于物理模型的电力双层超级电容器[C]. 工业应用大会，罗马（意大利），2000年. 会议记录IEEE.2000，3069-307615. Rose. 高能量密度双层电容器的储能应用. IEEE，《航空电子系统杂志》. 1992，14-19. 第四届博哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院的学术论坛. 16. Nelms等. 应用双层电容器技术静态电容器配电系统电压控制. IEEE Transactions PowerSystems. 1996，11（4）: 1899 -1904 17.一种用于电动汽车的牵引式水基电解质超级电容器模型. 电机工程学报，2010，25（10）: 81-86. 18. Buller.Karden，DeDoncker. 使用阻抗谱对动态行为超级电容建模. IEEE Trans IndustryApplications，2002，38（6）: 1622-1626. 补充实验a）大电流充电和放电期间超级电容器主体的温升测试b）电容器组的温度分布测试当前存在的主要问题1.超级电容器主体的温度不能为电容器内部的温度变化为测量，并且需要验证通过电容器表面温度进行的特性研究的结果是否正确和准确； 2.关于超级电容器性能的研究主要集中在电气特性，SOC估计方法和其他现有理论的研究上. 它不能完全适用于健康状况评估（SOH），也没有合理的模型.

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