超级电容性能试验及仿真模型研究

超级电容性能试验及仿真模型研究

储能装置是影响混合动力车辆（hv）性能的重要部件。目前,混合动力车辆的储能装置主要有蓄电池和超级电容,超级电容作为一种新型的能量储备装置,具有功率密度、安时效率、能量效率高,内阻小,循环寿命长,工作温度范围宽,充放电迅速等优点,这些特点使超级电容更加符合混合动力系统对储能装置性能的要求。但超级电容也有局限性,如能量密度较低、工作电压随电容波动大、制造成本较高等。随着超级电容能量密度的增长以及成本的降低,超级电容在汽车领域将得到进一步的应用。为了研究超级电容在混合动力车辆中的应用,需要了解超级电容的工作特性。本研究通过超级电容参考容量试验、恒电流充放电试验、脉冲功率特性(HPPC)试验,分析研究了超级电容的基本性能,并建立超级电容仿真模型。1综合能耗试验和分析1.1evt500—试验对象与试验设备试验对象为Maxwell功率型超级电容BMOD0063F—P125—B01,基本参数见表1。试验设备EVT500—500—80IGBT分为测试台架和主机控制两部分,能测试电子储能装置充放电性能,可模拟汽车道路功率需求工况来测试储能装置动态性能。测试设备持续最大测试功率为80kW,电流工作范围为-500~500A,最大工作电压为500V,数据采集频率可达100Hz,设备测量精度为±0.1%。1.2试验方法及验点为了解超级电容工作特性,进行了4个性能试验:参考容量试验、恒流充放电试验、脉冲功率特性试验和自放电试验。试验方法参考FreedomCAR超级电容测试手册制订。1.2.1抗静电容量试验参考容量试验是为了了解超级电容容量特性,确定实际标称电容值和新的5C值。进行本试验需要先求出厂家提供的5C数据,计算公式为Q=C1(Umax-Umin)/3600。(1)式中,Q为单位安时,C1为标称容量,Umax,Umin为最大和最小工作电压。该试验步骤如下:1)把电容充满,即将超级电容充至125V,断开,静置1h;2)以计算的5C放电,从125V恒流放电到62.5V;3)断开,静置1h,再次充满超级电容到电压达到125V。参考容量试验确定超级电容实际的标称容量,同时计算得出新的5C电流值。标称电容值是影响超级电容车用用量的一个重要参数,新的5C值则是进行后续试验的标准值。1.2.2充放电电流条件下超级电容内阻特性恒流充放电试验能得到超级电容的安时效率、能量效率和内阻,试验数据是超级电容建模的重要依据。同时恒流充放电试验能为后续试验提供数据支持。为得到恒流充放电试验相关数据,需要分析超级电容3组特性:不同充放电电流条件下超级电容的电容量特性;不同充放电电流条件下超级电容的充放电效率特性;不同充放电电流条件下超级电容的内阻特性。该试验步骤如下:1)以新的5C电流值将超级电容充满至电压达到125V,再以125V电压钳制充电(恒压充电)0.5h,断开,静置10s;2)以新的5C电流值放电,从125V放电到62.5V,断开,静置10s;3)以5C电流值充电到125V,断开,静置10s;4)重复步骤2)与步骤3)3次。根据表1提供的最大持续工作电流Imax,再以电流0.1Imax,0.25Imax,0.5Imax,0.75Imax,Imax代替上面步骤2)与步骤3)的5C值进行充放电试验。1.2.2.放电电流对超级电容容量的影响试验得到的不同放电电流条件下超级电容的电容量特性见图1。从图1可看出,在不同充放电电流下,超级电容的电容量值稍有变化,在放电范围内,超级电容的容量随放电电流的增加而减小,但降低很少,最大值与最小值相差不到2%。因此,在混合动力选择超级电容容量时,电容量可以看成定值。1.2.2.放电时的效率试验测得的不同充放电电流条件下的安时效率以及能量效率见图2和图3。由图2可以看出,超级电容安时效率大于98%,几乎没有安时损失,此时超级电容充放电有较好的可逆性。在0.25Imax充放电时,有超过100%的效率。分析原因:1)电流的控制精度误差;2)放电时,超级电容温度上升,但是温控散热风扇没有工作,参考容量随温度增加而增大,从而使放电安时增加。由图3可知,超级电容的能量效率较高,在最大放电电流范围之内,能量效率最低为88.8%,对比电动车用磷酸铁锂电池能量效率数据(磷酸铁锂最高效率为85%),超级电容的能量效率较好。良好的能量效率使超级电容在混合动力系统使用过程中减少能量损耗,从而可以有效地提高混合动力系统的经济性。1.2.2.循环在电压和内阻中的应用根据阶跃法原理测试超级电容内阻。当电容处于平衡状态时,如果工作电流突然变化,而电容两端的电流没有改变,电容在电流突然变化时则可以看成开路,内阻有电流通过从而造成电压的突然升高或降低。所以电容内阻(RE)为RE=ΔU/ΔI。(2)式中,RE为内阻,ΔU为电压变化值,ΔI为电流变化值。通过试验测量和计算得到超级电容的充电和放电内阻(见图4与图5)。在相同工作电压和额定容量情况下,由图4和图5数据对比电动车用磷酸铁锂电池内阻数据(额定电压和额定容量分别为3.2V和11A·h的磷酸铁锂电池内阻在30~70mΩ之间),超级电容充放电内阻不到磷酸铁锂电池内阻的1%。因此,超级电容在混合动力应用中具有更高的工作效率,混合动力车辆具有更好的动态协调效果。1.2.3放电深度与脉冲功率关系HPPC试验能确定不同放电深度Dod下超级电容的脉冲功率和开路电压。脉冲功率的测试为超级电容在混合动力运行于最佳充放电深度提供依据,同时脉冲功率也是反映超级电容特性的重要参数。开路电压与Dod的关系能够确定超级电容荷电状态(Soc)的初始值,修正安时积分法对超级电容Soc的计算值。HPPC试验包括最大HPPC和最小HPPC两个试验。最小HPPC试验步骤如下:1)以5C放电到62.5V,静置1h,满充到125V,断路静置0.5h;2)以50A放电5s,断路静置50s,以37.5A充电5s;3)考虑步骤2)放电容量,再加上5C恒流放电,直到原来容量的10%,断路静置0.5h;4)重步骤2)与步骤3)9次,或者直到电压小于62.5V。把最小HPPC试验的放电电流换成150A,充电电流换成0.75×150A进行最大HPPC试验,由此测得放电深度Dod与开路电压关系(见图6与图7)。由图6与图7可知,Dod与开路电压为线性关系。Dod表征的为超级电容电量Q的值,超级电容电量公式为Q=CU。(3)同时由图1可看出,超级电容容量变化较小,C可以看成一个定值,从而Dod和开路电压呈线性关系。为得到放电深度与脉冲功率关系式,需要对脉冲功率进行计算,计算公式为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分别为放电和充电开路电压,Rdis,Rcha分别为放电和充电内阻。经过试验和计算得到放电深度和脉冲功率关系(见图8与图9)。由图8和图9可知,脉冲放电功率随放电深度的增加而减弱,这是因为超级电容的电压随放电深度的增加而呈线性下降,在最低工作电压时,脉冲功率已经无法测量,也就是说,在Dod没有达到100%时,电压已经低于最低工作电压,而脉冲充电功率正好相反,脉冲充电功率随着放电深度的增加而增强,超级电容电量较饱和时,脉冲充电功率很小。由图8和图9分析可知,当放电深度较大时,脉冲放电功率较小;当放电深度较小时,脉冲充电功率较小。超级电容在混合动力系统应用时,需要优化超级电容Soc工作范围。HPPC试验能为电容Soc工作范围的优化提供依据,使超级电容工作时保持较强的制动回收能力以及较强的脉冲放电能力。1.2.4u3000静置7h的试验结果超级电容自放电试验目的是测试超级电容存储特性。试验能得到反映超级电容存储特性的3个参数:自放电能量损失、自放电电压下降量和自放电内阻。超级电容在满充状态下,开路静置72h,试验得到的自放电试验电压与时间关系见图10。从图10可以看出,静置72h后电压下降约6V。自放电能量损失计算公式为EL(t)=0.53600C2[U20-U2(t)]EL(t)=0.53600C2[U20−U2(t)]。(6)式中,C2为参考容量,U0为初始电压,U(t)为t时刻电压。由上式计算得到自放电能量损失为15.23W·h,再根据能量损失数值计算出自放电内阻值。2工作过程分析超级电容模型描述超级电容在整车仿真中的工作过程,如工作电流与工作电压关系、工作电流与Soc关系等。本研究参考电池等效电路内阻模型建立超级电容模型(见图11)。2.1超级电容器的建模超级电容车用仿真工作过程是根据超级电容初始开路电压和超级电容需求电流计算超级电容Soc值和工作电压值。2.1.1电容的soc值Soc是超级电容使用过程中的重要参数之一。在混合动力汽车的使用过程中,为了充分利用超级电容电量,提高其使用的安全性,需要能实时准确地估计超级电容的Soc值。估计Soc值方法的有多种,现参考安时积分法计算Soc。Soc=Soc0-∫t0t0ηcI/Qdt,(7)ηc={ηc1,Ι≥0ηc2,Ι＜0ηc={ηc1,I≥0ηc2,I＜0。(8)式中,Soc0为初始时刻Soc值,ηc为超级电容安时效率,ηc1为超级电容放电安时效率,ηc2为超级电容充电安时效率,Q为超级电容容量。ηc1与ηc2由超级电容恒流充放电试验得到,Q由超级电容参考容量试验和式(3)计算得到。2.1.2u3000人工电极内电子线性试验Ut=UC-IRS。(9)式中,Ut为工作电压,UC为开路电压,I为需求电流,RS为内阻,由超级电容充放电试验得到。开路电压由以下推导公式得到。超级电容的电位可表示为dUCdt=-(Ι+ΙLC3)dUCdt=−(I+ILC3)。(10)式中,C3为超级电容的电容量,由超级电容参考容量试验得到。另一方面,漏电电流IL可表示为ΙL=UCRL。(11)式中,RL为自放电内阻,由超级电容自放电试验得到。将式(11)代入式(10)得dUCdt=UCCRL-ΙC。(12)积分上式得UC=[UC0∫t0ΙCet/CRLdt]et/CRL。(13)式中,UC0为初始开路电压。可以使用Soc值估计开路电压的方法修正开路电压值。由图6和图7可知,超级电容开路电压与Soc有线性关系。由电容电量与电压关系可知:当C为定值时,电容的开路电压与Soc应该有线性关系。基于Soc值估计开路电压是电容的特有优势。2.2试验数据分析为验证超级电容模型有效性,进行了稳态工况和动态工况的仿真,并与稳态工况和动态工况下的试验数据进行了对比。稳定工况为恒流50A放电,测试数据与仿真数据见图12。从图12分析得出,稳态工况放电能量误差为3.6%,最大电压误差为-2.5%。动态工况中电流需求为混合动力客车在某城市公交工况下对电容充放电的电流需求,试验数据与仿真数据见图13。从图13分析得出,动态工况放电能量误差为4.7%,最大电压误差为3.3%,可看出超级电容动态跟随性能良好。由以上验证过程可知,参考电池内阻电路模型而建立的超级电容模型具有较好的精度。3超级电容运行特性a)超级电容内阻较小,与相同