超級電容性能試驗及仿真模型研究

超級電容性能試驗及仿真模型研究

儲能裝置是影響混合動力車輛（hv）性能的重要部件。目前,混合動力車輛的儲能裝置主要有蓄電池和超級電容,超級電容作為一種新型的能量儲備裝置,具有功率密度、安時效率、能量效率高,內(nèi)阻小,循環(huán)壽命長,工作溫度范圍寬,充放電迅速等優(yōu)點,這些特點使超級電容更加符合混合動力系統(tǒng)對儲能裝置性能的要求。但超級電容也有局限性,如能量密度較低、工作電壓隨電容波動大、制造成本較高等。隨著超級電容能量密度的增長以及成本的降低,超級電容在汽車領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M一步的應(yīng)用。為了研究超級電容在混合動力車輛中的應(yīng)用,需要了解超級電容的工作特性。本研究通過超級電容參考容量試驗、恒電流充放電試驗、脈沖功率特性(HPPC)試驗,分析研究了超級電容的基本性能,并建立超級電容仿真模型。1綜合能耗試驗和分析1.1evt500—試驗對象與試驗設(shè)備試驗對象為Maxwell功率型超級電容BMOD0063F—P125—B01,基本參數(shù)見表1。試驗設(shè)備EVT500—500—80IGBT分為測試臺架和主機控制兩部分,能測試電子儲能裝置充放電性能,可模擬汽車道路功率需求工況來測試儲能裝置動態(tài)性能。測試設(shè)備持續(xù)最大測試功率為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)備測量精度為±0.1%。1.2試驗方法及驗點為了解超級電容工作特性,進行了4個性能試驗:參考容量試驗、恒流充放電試驗、脈沖功率特性試驗和自放電試驗。試驗方法參考FreedomCAR超級電容測試手冊制訂。1.2.1抗靜電容量試驗參考容量試驗是為了了解超級電容容量特性,確定實際標(biāo)稱電容值和新的5C值。進行本試驗需要先求出廠家提供的5C數(shù)據(jù),計算公式為Q=C1(Umax-Umin)/3600。(1)式中,Q為單位安時,C1為標(biāo)稱容量,Umax,Umin為最大和最小工作電壓。該試驗步驟如下:1)把電容充滿,即將超級電容充至125V,斷開,靜置1h;2)以計算的5C放電,從125V恒流放電到62.5V;3)斷開,靜置1h,再次充滿超級電容到電壓達(dá)到125V。參考容量試驗確定超級電容實際的標(biāo)稱容量,同時計算得出新的5C電流值。標(biāo)稱電容值是影響超級電容車用用量的一個重要參數(shù),新的5C值則是進行后續(xù)試驗的標(biāo)準(zhǔn)值。1.2.2充放電電流條件下超級電容內(nèi)阻特性恒流充放電試驗?zāi)艿玫匠夒娙莸陌矔r效率、能量效率和內(nèi)阻,試驗數(shù)據(jù)是超級電容建模的重要依據(jù)。同時恒流充放電試驗?zāi)転楹罄m(xù)試驗提供數(shù)據(jù)支持。為得到恒流充放電試驗相關(guān)數(shù)據(jù),需要分析超級電容3組特性:不同充放電電流條件下超級電容的電容量特性;不同充放電電流條件下超級電容的充放電效率特性;不同充放電電流條件下超級電容的內(nèi)阻特性。該試驗步驟如下:1)以新的5C電流值將超級電容充滿至電壓達(dá)到125V,再以125V電壓鉗制充電(恒壓充電)0.5h,斷開,靜置10s;2)以新的5C電流值放電,從125V放電到62.5V,斷開,靜置10s;3)以5C電流值充電到125V,斷開,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值進行充放電試驗。1.2.2.放電電流對超級電容容量的影響試驗得到的不同放電電流條件下超級電容的電容量特性見圖1。從圖1可看出,在不同充放電電流下,超級電容的電容量值稍有變化,在放電范圍內(nèi),超級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,在混合動力選擇超級電容容量時,電容量可以看成定值。1.2.2.放電時的效率試驗測得的不同充放電電流條件下的安時效率以及能量效率見圖2和圖3。由圖2可以看出,超級電容安時效率大于98%,幾乎沒有安時損失,此時超級電容充放電有較好的可逆性。在0.25Imax充放電時,有超過100%的效率。分析原因:1)電流的控制精度誤差;2)放電時,超級電容溫度上升,但是溫控散熱風(fēng)扇沒有工作,參考容量隨溫度增加而增大,從而使放電安時增加。由圖3可知,超級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%,對比電動車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%),超級電容的能量效率較好。良好的能量效率使超級電容在混合動力系統(tǒng)使用過程中減少能量損耗,從而可以有效地提高混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性。1.2.2.循環(huán)在電壓和內(nèi)阻中的應(yīng)用根據(jù)階躍法原理測試超級電容內(nèi)阻。當(dāng)電容處于平衡狀態(tài)時,如果工作電流突然變化,而電容兩端的電流沒有改變,電容在電流突然變化時則可以看成開路,內(nèi)阻有電流通過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。通過試驗測量和計算得到超級電容的充電和放電內(nèi)阻(見圖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)對比電動車用磷酸鐵鋰電池內(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,超級電容在混合動力應(yīng)用中具有更高的工作效率,混合動力車輛具有更好的動態(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?zāi)艽_定不同放電深度Dod下超級電容的脈沖功率和開路電壓。脈沖功率的測試為超級電容在混合動力運行于最佳充放電深度提供依據(jù),同時脈沖功率也是反映超級電容特性的重要參數(shù)。開路電壓與Dod的關(guān)系能夠確定超級電容荷電狀態(tài)(Soc)的初始值,修正安時積分法對超級電容Soc的計算值。HPPC試驗包括最大HPPC和最小HPPC兩個試驗。最小HPPC試驗步驟如下: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試驗的放電電流換成150A,充電電流換成0.75×150A進行最大HPPC試驗,由此測得放電深度Dod與開路電壓關(guān)系(見圖6與圖7)。由圖6與圖7可知,Dod與開路電壓為線性關(guān)系。Dod表征的為超級電容電量Q的值,超級電容電量公式為Q=CU。(3)同時由圖1可看出,超級電容容量變化較小,C可以看成一個定值,從而Dod和開路電壓呈線性關(guān)系。為得到放電深度與脈沖功率關(guān)系式,需要對脈沖功率進行計算,計算公式為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路電壓,Rdis,Rcha分別為放電和充電內(nèi)阻。經(jīng)過試驗和計算得到放電深度和脈沖功率關(guān)系(見圖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,這是因為超級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,脈沖功率已經(jīng)無法測量,也就是說,在Dod沒有達(dá)到100%時,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,超級電容電量較飽和時,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,脈沖放電功率較小;當(dāng)放電深度較小時,脈沖充電功率較小。超級電容在混合動力系統(tǒng)應(yīng)用時,需要優(yōu)化超級電容Soc工作范圍。HPPC試驗?zāi)転殡娙軸oc工作范圍的優(yōu)化提供依據(jù),使超級電容工作時保持較強的制動回收能力以及較強的脈沖放電能力。1.2.4u3000靜置7h的試驗結(jié)果超級電容自放電試驗?zāi)康氖菧y試超級電容存儲特性。試驗?zāi)艿玫椒从吵夒娙荽鎯μ匦缘?個參數(shù):自放電能量損失、自放電電壓下降量和自放電內(nèi)阻。超級電容在滿充狀態(tài)下,開路靜置72h,試驗得到的自放電試驗電壓與時間關(guān)系見圖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時刻電壓。由上式計算得到自放電能量損失為15.23W·h,再根據(jù)能量損失數(shù)值計算出自放電內(nèi)阻值。2工作過程分析超級電容模型描述超級電容在整車仿真中的工作過程,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)阻模型建立超級電容模型(見圖11)。2.1超級電容器的建模超級電容車用仿真工作過程是根據(jù)超級電容初始開路電壓和超級電容需求電流計算超級電容Soc值和工作電壓值。2.1.1電容的soc值Soc是超級電容使用過程中的重要參數(shù)之一。在混合動力汽車的使用過程中,為了充分利用超級電容電量,提高其使用的安全性,需要能實時準(zhǔn)確地估計超級電容的Soc值。估計Soc值方法的有多種,現(xiàn)參考安時積分法計算Soc。Soc=Soc0-∫t0t0ηcI/Qdt,(7)ηc={ηc1,Ι≥0ηc2,Ι＜0ηc={ηc1,I≥0ηc2,I＜0。(8)式中,Soc0為初始時刻Soc值,ηc為超級電容安時效率,ηc1為超級電容放電安時效率,ηc2為超級電容充電安時效率,Q為超級電容容量。ηc1與ηc2由超級電容恒流充放電試驗得到,Q由超級電容參考容量試驗和式(3)計算得到。2.1.2u3000人工電極內(nèi)電子線性試驗Ut=UC-IRS。(9)式中,Ut為工作電壓,UC為開路電壓,I為需求電流,RS為內(nèi)阻,由超級電容充放電試驗得到。開路電壓由以下推導(dǎo)公式得到。超級電容的電位可表示為dUCdt=-(Ι+ΙLC3)dUCdt=?(I+ILC3)。(10)式中,C3為超級電容的電容量,由超級電容參考容量試驗得到。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,由超級電容自放電試驗得到。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為初始開路電壓。可以使用Soc值估計開路電壓的方法修正開路電壓值。由圖6和圖7可知,超級電容開路電壓與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,電容的開路電壓與Soc應(yīng)該有線性關(guān)系?；赟oc值估計開路電壓是電容的特有優(yōu)勢。2.2試驗數(shù)據(jù)分析為驗證超級電容模型有效性,進行了穩(wěn)態(tài)工況和動態(tài)工況的仿真,并與穩(wěn)態(tài)工況和動態(tài)工況下的試驗數(shù)據(jù)進行了對比。穩(wěn)定工況為恒流50A放電,測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)見圖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%。動態(tài)工況中電流需求為混合動力客車在某城市公交工況下對電容充放電的電流需求,試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)見圖13。從圖13分析得出,動態(tài)工況放電能量誤差為4.7%,最大電壓誤差為3.3%,可看出超級電容動態(tài)跟隨性能良好。由以上驗證過程可知,參考電池內(nèi)阻電路模型而建立的超級電容模型具有較好的精度。3超級電容運行特性a)超級電容內(nèi)阻較小,與相同