车用锂离子超级电容的性能实验与建模研究

2015-08-01艾贤策朱建新

电源技术 2015年4期

关键词：内阻电容器锂离子

肖璆，艾贤策，朱建新

(上海交通大学汽车电子技术研究所，上海200240)

车用锂离子超级电容的性能实验与建模研究

肖璆，艾贤策，朱建新

(上海交通大学汽车电子技术研究所，上海200240)

研究了一种用于深度混合动力车的新型高比能量锂离子超级电容器。对该新型超级电容器在充放电实验平台依照相关标准进行了性能实验。根据实验数据和锂离子超级电容器的基本原理，建立了适用于该新型超级电容器的仿真模型，并在模拟工况下验证了仿真模型的有效性。建立的锂离子混合超级电容器模型具有较高的精度，可用来对该新型超级电容器进行估计和故障诊断，具有较强的工程价值。

锂离子超级电容；性能实验；模型；仿真；混合动力

超级电容作为一种新型的储能装置，具有高比功率、高效率、较低的内阻及很长的使用寿命，因此很适合用在混合动力车上作为储能装置。由于传统的超级电容比能量较低，目前超级电容通常应用于轻度混合车上，相关的研究表明超级电容可很好地提高车辆的经济性。

与轻度混合动力车相比，深度混合动力车有更好的经济性和动力性，为了将超级电容应用于深度混合动力车上，本文对一种新型的高比能量的锂离子混合型超级电容进行了性能实验。根据性能实验数据和锂离子混合超级电容器的基本原理，本文建立了适用于该新型超级电容器的仿真模型，并在模拟工况下验证了模型的有效性。结果表明，建立的锂离子混合超级电容器模型具有较高的精度，可用来对该新型超级电容器进行剩余电量估计和故障诊断，具有较强的工程价值。

1 锂离子超级电容的基本原理

传统的超级电容器主要依靠双电层和物理静电吸附来储存能量。本文研究的新型高比能量超级电容为锂离子混合型超级电容，它兼有传统超级电容和锂离子电池的优点。该锂离子混合超级电容的工作原理如图1，它通过组合锂离子氧化还原电极和活性炭电极，依靠Li+在正极上的嵌入脱嵌的氧化还原反应和负极上的吸附脱附反应存储能量。常用的锂离子氧化还原电极材料有LiMn2O4、LiTI2(PO4)3等。锂离子超级电容器常用的电解液有水性电解液LiSO4及有机电解液LiPF6等。其中水性电解液电阻较低，但电压窗口小，从而导致比能量不高，而有机电解液虽然有较高的电压窗口，但是导电性相对较差[1]。

图1 锂离子混合超级电容器原理示意图

本文研究的锂离子超级电容器的单体工作电压范围为2.7～4.0 V，电容容量达9 000 F。实验用的超级电容包一共90个单体，分为6组，每组15个单体。其标称容量为100 F，最大持续工作电流为200 A，循环寿命可达30 000次以上。

2 锂离子超级电容HPPC实验

2.1 混合脉冲功率性能实验(HPPC)

图2是通过混合脉冲功率性能实验(HPPC)得到的锂离子超级电容的开路电压()与剩余电量()间的对应关系。传统的超级电容的-关系近似为直线，由于锂离子超级电容器中包含电池特性，因此其-关系为如图2所示的向上凸的曲线。

图2 HPPC测试下开路电压与间的关系

图3为锂离子超级电容器最小HPPC实验得到的脉冲充放电功率能力与放电深度间的关系。从图2和图3中可见，锂离子超级电容在较高时具有较为单一的电容特性，当较低时则表现出一定的电池特性。由于锂离子超级电容器电池特性的影响，其脉冲充放电内阻在较低时会发生变化，相比较高点，此时的内阻会增大，在图3中表现为功率曲线存在某种程度的弯曲。

图3 HPPC实验下脉冲功率与放电深度的关系

2.2 锂离子超级电容的极化效应

对于动力电池，当有电流流过电极时，电池的电化学体系将偏离平衡状态，电极的电位会偏离原来平衡的电位，这种现象称为电极的极化。极化效应分为电化学极化、浓差极化以及电阻极化。电化学极化在电池的极化中占主导地位，与锂离子电池相比，锂离子超级电容的极化效应很小。极化效应的程度可以通过动力电池由工作状态变为静置后的开路电压变化曲线来获得。开路电压到达平衡状态所需的时间越长，其极化效应越大。锂离子超级电容的同一放电倍率(40 A)不同截止SOC值下的开路电压静置曲线及同一截止值不同放电倍率下的开路电压截止曲线，可用图4和图5表示。

图4 同一放电倍率（40 A）不同截止值的开路电压静置曲线

图5 同一（50%）情况下不同放电倍率的开路电压静置曲线

3 锂离子超级电容的建模

目前典型的超级电容模型大部分是基于常规的双电层电容的特性和原理建立，有的模型参数获取方式复杂，而且这些模型不能准确描述锂离子超级电容的特性[2]。本文根据锂离子超级电容的原理和充放电特性，建立如图6所示模型。

图6 锂离子超级电容电路模型

在锂离子超级电容的工作温度范围内(20～50℃)内，温度对锂离子超级电容性能的影响很小，因此模型中没有引入温度这一参数。文中的性能实验都是在常温下进行，因此本文建立的模型适用于描述大部分工作情况下的锂离子超级电容的特性。另外，锂离子超级电容器的充电内阻和放电内阻在大电流情况下有一定的差别，考虑到车用锂离子超级电容的工作电流通常在40 A以下，此时充放电电阻的差值在0.02 Ω以内，为了对模型进行简化，本文近似认为此时充放电内阻相同，均取为放电时的内阻。

表1 模型参数识别结果

4 锂离子超级电容模型的验证

锂离子超级电容的模型在实际工程应用前，需要对所建模型的精度的有效性进行了验证。结合以上建立的模型，采用图7所示的算法来验证锂离子超级模型，在仿真过程中需要实时地对锂离子超级电容的性能参数进行修正。

图7 锂离子超级电容模型验证算法

本文首先在室温下根据该锂离子超级电容器的模拟工况实验得到了相应端电压的变化曲线，然后在同样的模拟工况下利用锂离子超级电容模型进行仿真计算。端电压的实验结果与同样工况下的模型仿真计算结果对比如图8所示，端电压的仿真误差如图9所示。由图9可知，模型最大误差在2%以内，说明该模型能够比较好地模拟锂离子超级电容的动态特性。

5 结论及展望

本文通过HPPC实验研究了锂离子超级电容的性能特性，实验结果表明锂离子超级电容同时具有超级电容和动力电池的特性。根据相关实验数据建立的锂离子混合超级电容模型具有较高的精度，可用来对该新型超级电容器进行剩余电量估计和故障诊断，具有较强的工程价值。本文建立的模型有一定的局限性，为了能够对低温和大电流下的锂离子超级电容的性能进行准确模拟，需要进行更多的性能实验并建立更加准确的模型。

图8 模型与实验的端电压对比曲线

图9 模型的端电压误差曲线

[1]李洁，王贵欣.锂离子混合超级电容器研究进展[J].电子元件与材料，2011，30(8)：83-86.

[2]NELMS R M.Modeling double-layer capacitor behavior using ladder circuits[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2003，39(2)：430-438.

Performance experiment and model research of lithium-ion ultracapacitor in vehicles

XIAO Qiu,AI Xian-ce,ZHU Jian-xin

A novel lithium-ion ultracapacitor with high special energy in deep hybrid vehicles was studied. The performance of the ultracapacitor was tested on the discharge/charge test bench according to the related standard. Based on the experiment result and the principle of lithium-ion ultracapacitor, a simulation model of the novel ultracapacitor was built, and the validity of the model was verified in the simulated condition. The lithium-ion ultracapacitor model possesses high accuracy and can estimate SOC and diagnose fault.

lithium-ion ultracapacitor;performance experiment;model;simulation;hybrid power

TM 53

1002-087 X(2015)04-0793-02