超級(jí)電容性能試驗(yàn)及仿真模型研究

超級(jí)電容性能試驗(yàn)及仿真模型研究

儲(chǔ)能裝置是影響混合動(dòng)力車(chē)輛（hv）性能的重要部件。目前,混合動(dòng)力車(chē)輛的儲(chǔ)能裝置主要有蓄電池和超級(jí)電容,超級(jí)電容作為一種新型的能量?jī)?chǔ)備裝置,具有功率密度、安時(shí)效率、能量效率高,內(nèi)阻小,循環(huán)壽命長(zhǎng),工作溫度范圍寬,充放電迅速等優(yōu)點(diǎn),這些特點(diǎn)使超級(jí)電容更加符合混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能裝置性能的要求。但超級(jí)電容也有局限性,如能量密度較低、工作電壓隨電容波動(dòng)大、制造成本較高等。隨著超級(jí)電容能量密度的增長(zhǎng)以及成本的降低,超級(jí)電容在汽車(chē)領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M(jìn)一步的應(yīng)用。為了研究超級(jí)電容在混合動(dòng)力車(chē)輛中的應(yīng)用,需要了解超級(jí)電容的工作特性。本研究通過(guò)超級(jí)電容參考容量試驗(yàn)、恒電流充放電試驗(yàn)、脈沖功率特性(HPPC)試驗(yàn),分析研究了超級(jí)電容的基本性能,并建立超級(jí)電容仿真模型。1綜合能耗試驗(yàn)和分析1.1evt500—試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)對(duì)象為Maxwell功率型超級(jí)電容BMOD0063F—P125—B01,基本參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)備EVT500—500—80IGBT分為測(cè)試臺(tái)架和主機(jī)控制兩部分,能測(cè)試電子儲(chǔ)能裝置充放電性能,可模擬汽車(chē)道路功率需求工況來(lái)測(cè)試儲(chǔ)能裝置動(dòng)態(tài)性能。測(cè)試設(shè)備持續(xù)最大測(cè)試功率為80kW,電流工作范圍為-500~500A,最大工作電壓為500V,數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)100Hz,設(shè)備測(cè)量精度為±0.1%。1.2試驗(yàn)方法及驗(yàn)點(diǎn)為了解超級(jí)電容工作特性,進(jìn)行了4個(gè)性能試驗(yàn):參考容量試驗(yàn)、恒流充放電試驗(yàn)、脈沖功率特性試驗(yàn)和自放電試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參考FreedomCAR超級(jí)電容測(cè)試手冊(cè)制訂。1.2.1抗靜電容量試驗(yàn)參考容量試驗(yàn)是為了了解超級(jí)電容容量特性,確定實(shí)際標(biāo)稱(chēng)電容值和新的5C值。進(jìn)行本試驗(yàn)需要先求出廠家提供的5C數(shù)據(jù),計(jì)算公式為Q=C1(Umax-Umin)/3600。(1)式中,Q為單位安時(shí),C1為標(biāo)稱(chēng)容量,Umax,Umin為最大和最小工作電壓。該試驗(yàn)步驟如下:1)把電容充滿,即將超級(jí)電容充至125V,斷開(kāi),靜置1h;2)以計(jì)算的5C放電,從125V恒流放電到62.5V;3)斷開(kāi),靜置1h,再次充滿超級(jí)電容到電壓達(dá)到125V。參考容量試驗(yàn)確定超級(jí)電容實(shí)際的標(biāo)稱(chēng)容量,同時(shí)計(jì)算得出新的5C電流值。標(biāo)稱(chēng)電容值是影響超級(jí)電容車(chē)用用量的一個(gè)重要參數(shù),新的5C值則是進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)值。1.2.2充放電電流條件下超級(jí)電容內(nèi)阻特性恒流充放電試驗(yàn)?zāi)艿玫匠?jí)電容的安時(shí)效率、能量效率和內(nèi)阻,試驗(yàn)數(shù)據(jù)是超級(jí)電容建模的重要依據(jù)。同時(shí)恒流充放電試驗(yàn)?zāi)転楹罄m(xù)試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。為得到恒流充放電試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù),需要分析超級(jí)電容3組特性:不同充放電電流條件下超級(jí)電容的電容量特性;不同充放電電流條件下超級(jí)電容的充放電效率特性;不同充放電電流條件下超級(jí)電容的內(nèi)阻特性。該試驗(yàn)步驟如下:1)以新的5C電流值將超級(jí)電容充滿至電壓達(dá)到125V,再以125V電壓鉗制充電(恒壓充電)0.5h,斷開(kāi),靜置10s;2)以新的5C電流值放電,從125V放電到62.5V,斷開(kāi),靜置10s;3)以5C電流值充電到125V,斷開(kāi),靜置10s;4)重復(fù)步驟2)與步驟3)3次。根據(jù)表1提供的最大持續(xù)工作電流Imax,再以電流0.1Imax,0.25Imax,0.5Imax,0.75Imax,Imax代替上面步驟2)與步驟3)的5C值進(jìn)行充放電試驗(yàn)。1.2.2.放電電流對(duì)超級(jí)電容容量的影響試驗(yàn)得到的不同放電電流條件下超級(jí)電容的電容量特性見(jiàn)圖1。從圖1可看出,在不同充放電電流下,超級(jí)電容的電容量值稍有變化,在放電范圍內(nèi),超級(jí)電容的容量隨放電電流的增加而減小,但降低很少,最大值與最小值相差不到2%。因此,在混合動(dòng)力選擇超級(jí)電容容量時(shí),電容量可以看成定值。1.2.2.放電時(shí)的效率試驗(yàn)測(cè)得的不同充放電電流條件下的安時(shí)效率以及能量效率見(jiàn)圖2和圖3。由圖2可以看出,超級(jí)電容安時(shí)效率大于98%,幾乎沒(méi)有安時(shí)損失,此時(shí)超級(jí)電容充放電有較好的可逆性。在0.25Imax充放電時(shí),有超過(guò)100%的效率。分析原因:1)電流的控制精度誤差;2)放電時(shí),超級(jí)電容溫度上升,但是溫控散熱風(fēng)扇沒(méi)有工作,參考容量隨溫度增加而增大,從而使放電安時(shí)增加。由圖3可知,超級(jí)電容的能量效率較高,在最大放電電流范圍之內(nèi),能量效率最低為88.8%,對(duì)比電動(dòng)車(chē)用磷酸鐵鋰電池能量效率數(shù)據(jù)(磷酸鐵鋰最高效率為85%),超級(jí)電容的能量效率較好。良好的能量效率使超級(jí)電容在混合動(dòng)力系統(tǒng)使用過(guò)程中減少能量損耗,從而可以有效地提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。1.2.2.循環(huán)在電壓和內(nèi)阻中的應(yīng)用根據(jù)階躍法原理測(cè)試超級(jí)電容內(nèi)阻。當(dāng)電容處于平衡狀態(tài)時(shí),如果工作電流突然變化,而電容兩端的電流沒(méi)有改變,電容在電流突然變化時(shí)則可以看成開(kāi)路,內(nèi)阻有電流通過(guò)從而造成電壓的突然升高或降低。所以電容內(nèi)阻(RE)為RE=ΔU/ΔI。(2)式中,RE為內(nèi)阻,ΔU為電壓變化值,ΔI為電流變化值。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算得到超級(jí)電容的充電和放電內(nèi)阻(見(jiàn)圖4與圖5)。在相同工作電壓和額定容量情況下,由圖4和圖5數(shù)據(jù)對(duì)比電動(dòng)車(chē)用磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)(額定電壓和額定容量分別為3.2V和11A·h的磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻在30~70mΩ之間),超級(jí)電容充放電內(nèi)阻不到磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻的1%。因此,超級(jí)電容在混合動(dòng)力應(yīng)用中具有更高的工作效率,混合動(dòng)力車(chē)輛具有更好的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)效果。1.2.3放電深度與脈沖功率關(guān)系HPPC試驗(yàn)?zāi)艽_定不同放電深度Dod下超級(jí)電容的脈沖功率和開(kāi)路電壓。脈沖功率的測(cè)試為超級(jí)電容在混合動(dòng)力運(yùn)行于最佳充放電深度提供依據(jù),同時(shí)脈沖功率也是反映超級(jí)電容特性的重要參數(shù)。開(kāi)路電壓與Dod的關(guān)系能夠確定超級(jí)電容荷電狀態(tài)(Soc)的初始值,修正安時(shí)積分法對(duì)超級(jí)電容Soc的計(jì)算值。HPPC試驗(yàn)包括最大HPPC和最小HPPC兩個(gè)試驗(yàn)。最小HPPC試驗(yàn)步驟如下:1)以5C放電到62.5V,靜置1h,滿充到125V,斷路靜置0.5h;2)以50A放電5s,斷路靜置50s,以37.5A充電5s;3)考慮步驟2)放電容量,再加上5C恒流放電,直到原來(lái)容量的10%,斷路靜置0.5h;4)重步驟2)與步驟3)9次,或者直到電壓小于62.5V。把最小HPPC試驗(yàn)的放電電流換成150A,充電電流換成0.75×150A進(jìn)行最大HPPC試驗(yàn),由此測(cè)得放電深度Dod與開(kāi)路電壓關(guān)系(見(jiàn)圖6與圖7)。由圖6與圖7可知,Dod與開(kāi)路電壓為線性關(guān)系。Dod表征的為超級(jí)電容電量Q的值,超級(jí)電容電量公式為Q=CU。(3)同時(shí)由圖1可看出,超級(jí)電容容量變化較小,C可以看成一個(gè)定值,從而Dod和開(kāi)路電壓呈線性關(guān)系。為得到放電深度與脈沖功率關(guān)系式,需要對(duì)脈沖功率進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為P放=Umin(Udis-Umin)Rdis=Umin(Udis?Umin)Rdis,(4)P充=Umax(Umax-Ucha)Rcha=Umax(Umax?Ucha)Rcha。(5)式中,Udis,Ucha分別為放電和充電開(kāi)路電壓,Rdis,Rcha分別為放電和充電內(nèi)阻。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算得到放電深度和脈沖功率關(guān)系(見(jiàn)圖8與圖9)。由圖8和圖9可知,脈沖放電功率隨放電深度的增加而減弱,這是因?yàn)槌?jí)電容的電壓隨放電深度的增加而呈線性下降,在最低工作電壓時(shí),脈沖功率已經(jīng)無(wú)法測(cè)量,也就是說(shuō),在Dod沒(méi)有達(dá)到100%時(shí),電壓已經(jīng)低于最低工作電壓,而脈沖充電功率正好相反,脈沖充電功率隨著放電深度的增加而增強(qiáng),超級(jí)電容電量較飽和時(shí),脈沖充電功率很小。由圖8和圖9分析可知,當(dāng)放電深度較大時(shí),脈沖放電功率較小;當(dāng)放電深度較小時(shí),脈沖充電功率較小。超級(jí)電容在混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用時(shí),需要優(yōu)化超級(jí)電容Soc工作范圍。HPPC試驗(yàn)?zāi)転殡娙軸oc工作范圍的優(yōu)化提供依據(jù),使超級(jí)電容工作時(shí)保持較強(qiáng)的制動(dòng)回收能力以及較強(qiáng)的脈沖放電能力。1.2.4u3000靜置7h的試驗(yàn)結(jié)果超級(jí)電容自放電試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試超級(jí)電容存儲(chǔ)特性。試驗(yàn)?zāi)艿玫椒从吵?jí)電容存儲(chǔ)特性的3個(gè)參數(shù):自放電能量損失、自放電電壓下降量和自放電內(nèi)阻。超級(jí)電容在滿充狀態(tài)下,開(kāi)路靜置72h,試驗(yàn)得到的自放電試驗(yàn)電壓與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖10。從圖10可以看出,靜置72h后電壓下降約6V。自放電能量損失計(jì)算公式為EL(t)=0.53600C2[U20-U2(t)]EL(t)=0.53600C2[U20?U2(t)]。(6)式中,C2為參考容量,U0為初始電壓,U(t)為t時(shí)刻電壓。由上式計(jì)算得到自放電能量損失為15.23W·h,再根據(jù)能量損失數(shù)值計(jì)算出自放電內(nèi)阻值。2工作過(guò)程分析超級(jí)電容模型描述超級(jí)電容在整車(chē)仿真中的工作過(guò)程,如工作電流與工作電壓關(guān)系、工作電流與Soc關(guān)系等。本研究參考電池等效電路內(nèi)阻模型建立超級(jí)電容模型(見(jiàn)圖11)。2.1超級(jí)電容器的建模超級(jí)電容車(chē)用仿真工作過(guò)程是根據(jù)超級(jí)電容初始開(kāi)路電壓和超級(jí)電容需求電流計(jì)算超級(jí)電容Soc值和工作電壓值。2.1.1電容的soc值Soc是超級(jí)電容使用過(guò)程中的重要參數(shù)之一。在混合動(dòng)力汽車(chē)的使用過(guò)程中,為了充分利用超級(jí)電容電量,提高其使用的安全性,需要能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地估計(jì)超級(jí)電容的Soc值。估計(jì)Soc值方法的有多種,現(xiàn)參考安時(shí)積分法計(jì)算Soc。Soc=Soc0-∫t0t0ηcI/Qdt,(7)ηc={ηc1,Ι≥0ηc2,Ι＜0ηc={ηc1,I≥0ηc2,I＜0。(8)式中,Soc0為初始時(shí)刻Soc值,ηc為超級(jí)電容安時(shí)效率,ηc1為超級(jí)電容放電安時(shí)效率,ηc2為超級(jí)電容充電安時(shí)效率,Q為超級(jí)電容容量。ηc1與ηc2由超級(jí)電容恒流充放電試驗(yàn)得到,Q由超級(jí)電容參考容量試驗(yàn)和式(3)計(jì)算得到。2.1.2u3000人工電極內(nèi)電子線性試驗(yàn)Ut=UC-IRS。(9)式中,Ut為工作電壓,UC為開(kāi)路電壓,I為需求電流,RS為內(nèi)阻,由超級(jí)電容充放電試驗(yàn)得到。開(kāi)路電壓由以下推導(dǎo)公式得到。超級(jí)電容的電位可表示為dUCdt=-(Ι+ΙLC3)dUCdt=?(I+ILC3)。(10)式中,C3為超級(jí)電容的電容量,由超級(jí)電容參考容量試驗(yàn)得到。另一方面,漏電電流IL可表示為ΙL=UCRL。(11)式中,RL為自放電內(nèi)阻,由超級(jí)電容自放電試驗(yàn)得到。將式(11)代入式(10)得dUCdt=UCCRL-ΙC。(12)積分上式得UC=[UC0∫t0ΙCet/CRLdt]et/CRL。(13)式中,UC0為初始開(kāi)路電壓?？梢允褂肧oc值估計(jì)開(kāi)路電壓的方法修正開(kāi)路電壓值。由圖6和圖7可知,超級(jí)電容開(kāi)路電壓與Soc有線性關(guān)系。由電容電量與電壓關(guān)系可知:當(dāng)C為定值時(shí),電容的開(kāi)路電壓與Soc應(yīng)該有線性關(guān)系?；赟oc值估計(jì)開(kāi)路電壓是電容的特有優(yōu)勢(shì)。2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為驗(yàn)證超級(jí)電容模型有效性,進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況的仿真,并與穩(wěn)態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。穩(wěn)定工況為恒流50A放電,測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12。從圖12分析得出,穩(wěn)態(tài)工況放電能量誤差為3.6%,最大電壓誤差為-2.5%。動(dòng)態(tài)工況中電流需求為混合動(dòng)力客車(chē)在某城市公交工況下對(duì)電容充放電的電流需求,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)圖13。從圖13分析得出,動(dòng)態(tài)工況放電能量誤差為4.7%,最大電壓誤差為3.3%,可看出超級(jí)電容動(dòng)態(tài)跟隨性能良好。由以上驗(yàn)證過(guò)程可知,參考電池內(nèi)阻電路模型而建立的超級(jí)電容模型具有較好的精度。3超級(jí)電容運(yùn)行特性a)超級(jí)電容內(nèi)阻較小,與相同