超级电容剩余容量估计研究

2015-08-01龚海华郭金坤邬大为

电源技术 2015年10期

关键词：荷电等效电路充放电

龚海华，郭金坤，邬大为

(1.国网太仓市供电公司，江苏太仓215400；2.国网镇江供电公司，江苏镇江212001)

超级电容剩余容量估计研究

龚海华1，郭金坤2，邬大为1

(1.国网太仓市供电公司，江苏太仓215400；2.国网镇江供电公司，江苏镇江212001)

超级电容高功率密度、快速充放电性能可满足电机瞬时功率需求，为混合动力汽车提供稳定的电源供给。剩余容量是判断超级电容在混合动力汽车中使用年限的关键，提出了超级电容剩余容量估计方法。研究了超级电容等效电路，分析等效电路参数，推导开路电压和参数间关系，计算超级电容荷电状态，获得混合动力汽车用超级电容荷电状态的可控范围。构建75%荷电状态变化模型，求得容量退化因子系数，通过平方积分法得到超级电容容量退化因子，由此估算超级电容剩余容量。实验验证了该方法能有效计算超级电容的容量退化因子和剩余容量。剩余容量估计方法的提出为超级电容的使用寿命提供了判断依据。

超级电容；混合动力汽车；等效电路；剩余容量；退化因子

混合动力汽车在燃油经济性和尾气排放等方面的杰出特性受到越来越多的国际汽车制造商的关注[1-3]。电源系统是混合动力汽车研究热点之一[4]，提高混合动力汽车电源系统的功率密度，是促进混合动力汽车实际应用和技术进步的关键[5]。电源系统要求体积小，质量轻，能量密度大，功率密度高，使用寿命长[6]。超级电容作为高功率密度储能电源，有充放电速度快，适合频繁起制动，可作为辅助电源[7-8]。它能满足混合动力汽车峰值功率需求，有效提供电机瞬时功率，弥补蓄电池瞬时放电能力的不足。超级电容作为辅助电源在混合动力汽车、电动汽车等新能源汽车中应用是一个趋势。

文献[9]基于半桥式逆变器和多输出电压源的电压均衡电路，研究超级电容组电压均衡，解决传统均衡电路复杂的问题。文献[10]基于地铁运行实时采集数据，预测最大瞬态再生制动能量，估算能量存储系统容量，采用超级电容能量存储系统吸收再生制动能量。文献[11]根据超级电容物理性能，构建等效电路，研究超级电容外特性。文献[12]采用模糊逻辑控制器，研究超级电容能量存储系统，提高了负载的输出控制频率。文献[13]采用模糊控制，降低可再生能源输出功率波动，延长了混合电源系统中蓄电池的使用寿命。文献[14]对超级电容和电池复合脉冲电源系统进行了研究。文献[15]采用超级电容作为储能装置吸收城市轨道交通再生制动能，提出模块化结构储能器的功率变换方案。文献[16]对车载超级电容储能系统采用间接电流控制，实现能量管理，有效抑制电压波动。

目前对超级电容的研究集中在等效电路、电压均衡、能量存储系统管理与控制、功率波动等问题上，还未见对超级电容剩余容量研究的报道。虽然超级电容较锂离子电池等储能方式在充放电次数、功率密度等方面有明显优势，但是超级电容在开路电压过低和工作温度变化时，其使用寿命也会大大降低，因此在超级电容使用过程中也需要对其使用寿命作判断。

本文在研究超级电容等效电路的基础上，得到开路电压和端口电压关系，计算超级电容荷电状态，并提出了一种估算超级电容剩余容量的方法。分析结果表明该方法切实可行，为超级电容剩余容量判断提供了依据。

1 超级电容等效电路

图1 超级电容等效电路

自放电电阻反应超级电容静置时的损耗，图2为超级电容自放电曲线。环境温度升高自放电率增大，荷电状态初始值为100%，50℃时超级电容静置60 h，其剩余荷电状态大于90%。

图2 超级电容自放电曲线

超级电容有自放电和带载放电两种放电工况。超级电容带载放电工作时间一般在30 s以内。由图2可知，超级电容自放电时间以小时为单位计算，较混合动力汽车启动、加速时放电时间长很多，因此在混合动力汽车启动、加速等工况，可以忽略自放电电阻，仅在混合动力汽车静置时计算超级电容由于自放电损失的能量。

超级电容放电方程为：

2 超级电容荷电状态估算

超级电容作为混合动力汽车辅助电源，在混合动力汽车起动和加速时，展现其突出的高功率密度特性，可以短时间内大电流放电，弥补启动和加速时电动机的瞬时功率需求。同样，在混合动力汽车制动时，可以回收电机制动能。超级电容中存储的能量也应该计算入混合动力汽车供能来源。定义超级电容荷电状态：

因此超级电容SOC(t)：

超级电容工作时开路电压若小于最大电压的1/2，则寿命影响较大。因此超级电容工作时，其开路电压下限值设定为最大值的1/2，则超级电容荷电状态工作范围为100%～25%。

3 超级电容剩余容量预估分析

由于充放电情况、循环周期等影响，超级电容容量会衰退，计算超级电容剩余容量对超级电容至关重要。这将决定超级电容作为辅助电源在混合动力汽车中的使用年限。

当超级电容快速充放电时，荷电状态快速变化，且变化范围很大。荷电状态在不同充放电速率下，变化相同范围，对超级电容容量退化影响不同。这些对超级电容剩余容量退化因子有较大影响，荷电状态对容量退化影响为非线性。

超级电容剩余容量为百分数，初始剩余容量为100%。将超级电容由于充放电带来的容量损失用容量退化因子来体现。每次充放电时，容量退化因子与超级电容荷电状态之间关系为：

式中：SOC(t)为超级电容在不同时刻的荷电状态，SOC(t)计算见式(6)；为退化因子系数；ref()为不同时刻的荷电状态参考值，为超级电容在一定时间段内的平均值；为荷电状态参考的平均时间，本文设为5 s。

图3为超级电容荷电状态循环模型。由前分析知超级电容荷电状态安全工作范围为100%～25%。假设超级电容荷电状态变化从25%开始，先充电2 s使荷电状态增加至100%；然后保持1 s；再放电2 s，至荷电状态25%，在这种充放电状态下，超级电容循环寿命次数为，可计算出退化因子系数值：

图3 超级电容荷电状态循环模型

4 系统实验结果

混合动力汽车参数如表1所示。混合动力汽车电源系统总线电压300 V。

表1 混合动力汽车参数

超级电容组参数如表2所示。超级电容组由56个单体2.7 V 650 F超级电容串联而成，超级电容工作电压范围为75～151 V。

表2 超级电容组参数

图4为混合动力汽车加速时总线电流曲线。加速时，负载需求功率增加，对超级电容瞬时能量需求加大，超级电容给负载提供能量，总线电流增加。

图5为混合动力汽车制动馈能时总线电流曲线。汽车制动时，向电源回馈制动能，超级电容处于充电状态，吸收制动能，整个制动馈能过程稳定。

图4 混合动力汽车加速时总线电流曲线

图5 混合动力汽车制动馈能时总线电流曲线

图6为US06工况曲线。时间为1 200 s，由两个US06工况组成，车速最高为130 km/h。

图6 US06工况曲线

图7 US06工况超级电容和ref()测试曲线

图8为US06工况下超级电容容量退化因子曲线。与图7对比可知，变化越剧烈，超级电容容量衰退影响越大，容量退化因子越大，值与参考值接近，超级电容容量衰退影响小，容量退化因子小。

图8 US06工况超级电容容量退化因子曲线

5 结束语

超级电容高功率密度、能快速充放电，充放电时容量衰退小，充放电次数多，可以作为混合动力汽车的辅助电源，弥补蓄电池在混合动力汽车启动、制动时，充放电频繁影响电池使用寿命的不足。本文研究了超级电容等效电路，分析了等效电路参数，采用能量法进行荷电状态估算，得到了超级电容安全运行的荷电状态范围，并通过荷电状态估算容量退化因子，由此得到超级电容剩余容量。测试结果证明，本剩余容量估算方法能体现超级电容在使用过程中荷电状态的变化对剩余容量影响，为超级电容寿命提供了判断依据。

[1]TARTAKOVSKY L,MOSYAK A,ZVIRIN Y.Energy analysis of ethanol steam reforming for hybrid electric vehicle[J].International Journal of Energy Research,2013,37(3):259-267.

[2]KAMIEV K,MONTONEN J,RAGAVENDRA M P.Design principles of permanent magnet synchronous machines for parallel hybrid or traction applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(11):4881-4890.

[3]KOU B Q,LI C Y,CHENG S K.Flux weakening characteristic analysis of a new permanent magnet synchronous motor used for electric vehicles[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2011, 39(1):511-515.

[4]PETERSON S B,APT J,WHITACRE J F.Lithium-ion battery cell degradation resulting from realistic vehicle and vehicle-to-grid utilization[J].Journal of Power Sources,2010,195(8):2385-2392.

[5]BARONTI F,FANTECHI G,RONCELLA R.High-efficiency digitally controlled charge equalizer for series-connected cells based on switching converter and super-capacitor[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2013,9(2):1139-1147.

[6]PAGANO M,PIEGARI L.Hybrid electrochemical power sources for onboard applications[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2007,22(2):450-456.

[7]CAO Y C,ZHU M,LI P X.Boosting supercapacitor performance of carbon fibres using electrochemically reduced grapheme oxide additives[J].Physical Chemistry Chemical Physics,2013,15(45): 19550-19556.

[8]PAWAR D K,SHAIKH J S,PAWAR B S.Synthesis of hydrophilic nickel zinc ferrite thin films by chemical route for supercapacitor application[J].Journal of Porous Materials,2012,19(5):649-655.

[9]UNO M,TANAKA K.Double-switch single-transformer cell voltage equalizer using a half-bridge inverter and a voltage multiplier for series-connected supercapacitors[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(9):3920-3930.

[10]TEYMOURFAR R,ASAEI B,IMAN-EINI H.Stationary super-capacitor energy storage system to save regenerative braking energy in a metro line[J].Energy Conversion and Management, 2012,56:206-214.

[11]LUIS Z,RICHARD B.Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications[J].IEEE transactions on Industry Application,2000,36(1):199-205.

[12]MAIRAJ U D M,SHAMEEM A L,SHIEKH J I.Super-capacitor based energy storage system for improved load frequency control [J].Electric Power Systems Research,2009,79(1):226-233.

[13]丁明，林根德，陈自年，等．一种适用于混合储能系统的控制策略[J].中国电机工程学报，2012,32(7):1-6.

[14]张丹丹，罗曼，陈晨，等．超级电容-电池复合脉冲电源系统的实验研究[J].中国电机工程学报，2007,27(10):26-31.

[15]许爱国，谢少军，姚远，等.基于超级电容的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统[J].电工技术学报，2010,25(3):117-123.

[16]赵坤，王椹榕，王德伟，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，2011,26(9):124-129.

本书比较全面地介绍了电动汽车驱动系统控制技术的现状，阐述了电动汽车驱动系统的基本结构、工作原理、驱动电动机技术、功率变换技术、传感器技术及相关的建模与仿真技术。针对纯电动汽车的驱动系统进行建模，对电动汽车驱动系统的速度闭环控制的稳定性问题和控制策略进行了深入研究。根据两款电动轿车驱动系统的主要参数，建立了简化的被控对象数学模型，设计了PID控制器、自适应控制器、模糊控制器和预测控制器，利用数值仿真进行比较分析并研究了其控制性能。书中融入了编著者近期的研究成果，对于电动汽车设计具有重要的指导意义。

Study of super capacitor remaining capacity estimate

The demands of motor instantaneous power were met by the high power density,fast charge and discharge performance of super capacitor,and stable power supply for hybrid electric vehicle was provided.Remaining capacity was the key of judging super capacitor service life in hybrid electric vehicle.A remaining capacity estimate method of super capacitor was proposed.Super capacitor equivalent circuit was studied,and the equivalent circuit parameters were analyzed,then the relationship between open circuit voltage and the parameters were deduced.The state of charge was calculated,and the controllable range of super capacitor state of charge was got.By the using of state of charge 75%change model,the degeneration factor coefficient was got.By the using of square integral method,the super capacitor degeneration factor was got.And the remaining capacity of super capacitor was obtained.The test results prove that the proposed method can calculate the capacity degradation factor and remaining capacity effectively.The judgment of super capacitor working life was provided through the advance method of remaining capacity estimation.

super capacitor;hybrid electric vehicle;equivalent circuit;remaining capacity;degeneration factor

《电动汽车的驱动与控制》

TM 53

1002-087 X(2015)10-2137-04