發布時間：所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：準確提取參數對超級電容儲能系統安全、可靠、高效運行具有重要意義。為克服測試系統復雜、有效數據點少、在線提取困難等問題，提出一種通過補償內阻消除平衡充放電滯回差異的超級電容參數提取方法。該方法充分利用超級電容在充放電過程中由內阻壓降引起的容值-端
摘要：準確提取參數對超級電容儲能系統安全、可靠、高效運行具有重要意義。為克服測試系統復雜、有效數據點少、在線提取困難等問題，提出一種通過補償內阻消除平衡充放電滯回差異的超級電容參數提取方法。該方法充分利用超級電容在充放電過程中由內阻壓降引起的容值-端電壓曲線不重合的物理特性，從充放電過程的所有數據中準確提取參數，可有效排除動態過程對參數提取精度的影響。理論分析與實驗研究表明所提方法能在不同溫度與電流條件下準確提取超級電容的等效參數，可為系統性能測試、優化控制以及高效運維提供有效支撐。
關鍵詞：超級電容;參數提取;滯回特性;充放電過程
0 引言
超級電容是一種新型的電能存儲裝置，具有功率密度大、充放電效率高、循環壽命長、使用溫度范圍寬、環保等優點[1]。將大功率密度的超級電容與高能量密度的儲能元件(如蓄電池、燃料電池)構成混合儲能系統可互補利用不同元件的性能優勢，廣泛應用于電動汽車、船舶電力推進、制動能量回收和新能源發電等場合[2-11]。
超級電容在工作過程中存在可逆的電解液極化過程，其電阻與電容參數受電壓、溫度、電流等多種因素影響而并非常數。參數變化可能引起充放電效率下降及發熱增加，降低能量利用效率及縮短使用壽命。實際工程中，準確提取超級電容等效參數并研究其特性，對系統優化設計以及安全、可靠、高效運行具有重要意義[12-19]。
國內外學者針對超級電容參數提取方法開展過大量研究，現有方法主要集中在阻抗譜法[14]和暫態壓降法[15-16]。其中阻抗譜法屬于一種離線頻域測試的方法，它采用一套專用設備在離線條件下對超級電容注入不同頻率的諧波并得到一定頻段范圍內的阻抗參數。該方法可獲得超級電容的阻抗譜并建立系統高階詳細模型，但測試設備十分昂貴。暫態壓降法是目前IEC與國家標準規定的超級電容內阻測試方法。該方法利用平衡充放電切換暫態過程中電容電壓的變化量 ΔUSC與電流 ISC之比測量電容內阻 Req，即 Req=ΔUSC/ISC。然而由于充放電切換暫態過程很短且內阻壓降很小，該方法對測量動態性能及精度要求很高。此外，暫態電壓降需根據預設計算起始電壓與計算結束電壓通過線性反推獲取，這對測量設備的精度要求很高。
為克服現有技術的困難，本文從物理特性的角度出發提出一種基于充放電滯回特性的超級電容參數提取方法。該方法可通過超級電容儲能系統平衡充放電測試來獲取電容器參數信息，其中平衡充放電是指采用相同大小的電流對超級電容進行充放電的一種測試方式。理論上而言，在忽略充放電電流切換引起電壓暫降的準穩態條件下超級電容在每次平衡充放電過程中的等效電容 Ceq與其電壓 UC特性(即Ceq = f(UC ))應保持一致。但實際系統中，由于內阻壓降會引起超級電容容值估算偏差，導致充放電過程中電容-端電壓曲線出現滯回現象。基于該物理特性，通過補償內阻壓降來消除滯回特性有望準確獲取電容器內阻與電容參數。為驗證所提方法的可行性與有效性，開展了實驗研究工作，結果表明滯回特性法可準確提取不同工況下的電容等效參數。不同于傳統暫態壓降法僅利用充放電切換前后個別暫態數據點計算內阻參數，本文提出的方法充分利用超級電容充放電過程中的所有數據，并通過消除滯回特性的方式估算電容參數，從原理上可有效避免動態過程及非線性特性對參數提取精度的影響。作為一種準在線測試技術[19]，該方法具有安全、簡便、準確等優點，可為系統性能測試、優化控制及高效運維提供支撐。
1 超級電容充放電滯回特性及產生機理
典型的超級電容等效模型如圖 1所示，圖中 USC 為超級電容端電壓。
容-壓特性是由超級電容電解液電荷擴散效應引起一種物理特性。
分析理論模型可知，超級電容運行過程中，隨著電壓增加，電解液中電荷擴散分布梯度逐漸減小(即雙電層間距離減小)而容值增大。與理想模型不同，實際超級電容存在內阻壓降，端電壓與等效電容壓降并不完全相等。超級電容充放電過程中內阻壓降極性不同，會出現等效電容-端電壓特性(即 Ceq = f(USC))曲線無法重合的滯回現象。典型超級電容充放電過程中的容-壓滯回特性曲線見附錄A圖A1。
在 90 A/25 ℃ 條件下對 2.7 V/3 000 F 超級電容進行充放電測試(實驗系統詳見4.1節)，測得的電容器端電壓與電流波形如附錄 A圖 A1(a)所示。若不能準確補償電容內阻就會引起等效電容電壓與容值的估算偏差，形成充放電過程中的容-壓曲線滯回偏差，據此特性可利用測量得到的端電壓與電流估算超級電容參數。如圖 A1(b)中藍色曲線所示，若忽略電容內阻則會引起充電過程中電容電壓偏大而容值偏小，而放電過程則相反，從而形成容-壓滯回特性;如圖A1(b)中紅色曲線所示，準確補償內阻后可在準穩態條件下有效消除容-壓滯回現象。
2 基于滯回特性的超級電容參數提取法
根據超級電容充放電過程中存在的容-壓滯回物理特性，本文提出一種準確提取超級電容等效內阻與容值參數的方法，基本原理如圖2所示。由圖2可知，在平衡充放電過程中，超級電容中電阻壓降的極性隨電流極性交替變化，即充電過程中壓降為正而放電過程中壓降為負，從而產生滯回特性。
3 實驗驗證
本文開展了一系列實驗以驗證基于充放電滯回特性的超級電容參數提取方法的可行性與有效性。
3.1 超級電容測試系統
本文選用奧威 2.7 V/3 000 F 超級電容單體進行充放電測試，被測超級電容基本數據如附錄 B 表 B1 所示。超級電容測試實驗平臺如附錄 B 圖 B1 所示，通過軟件編程可對超級電容進行多種充放電操作，包括恒壓充放電、恒流充放電、恒功率充放電和基于仿真電流數據進行循環充放電等。測試平臺有 CH1、CH2這 2個測試通道，電壓范圍為 0~5 V，電流范圍為 0~500 A。此外，測試平臺可以進行溫升實驗，溫度測試通道共8個，通過溫度傳感器能采集單體的表面溫度和兩極溫度。超級電容測試系統主要參數如附錄B表B2所示。
3.2 不同溫度條件下充放電測試
在不同溫度條件下對奧威 3 000 F 超級電容進行 90 A 平衡充放電測試。利用滯回特性法對實驗數據進行了處理，測得的超級電容內阻與容-壓特性如圖3所示。
為對比驗證滯回特性法的正確性，本文同時采用頻域法[21]提取了超級電容阻抗譜，實驗結果如附錄 B 圖 B2 所示。頻域法測量超級電容阻抗譜的基本原理是對循環充放電的超級電容端電壓 USC 與電流 ISC信號進行快速傅里葉變換(FFT)分析，然后 計算不同頻率下電容的等效阻抗，即 Zeq ( f )= fFFT (USC )/fFFT (ISC )，其中函數 fFFT表示對數據進行 FFT 以得到不同頻率下的幅值，進而得到一定頻段內的超級電容阻抗譜。頻域法測得的阻抗譜下限頻率由循環充放電周期決定，上限頻率則主要受電壓信號高頻測量誤差限制。以圖 B2所示的 90 A 充放電測試結果為例，181 s充放電周期對應的阻抗譜下限頻率為5.5 mHz，上限頻率為5 Hz。阻抗譜可有效反映超級電容參數情況，其中低頻段橫、縱坐標分別近似等于超級電容內阻與等效電容，阻抗譜隨頻率變化趨勢則反映出超級電容充放電過程中因多孔結構引起電荷再分布的動態特性。
相關知識推薦：論文排版怎么弄
不同溫度條件下分別利用滯回特性法與頻域法提取得到的超級電容內阻與容值的結果如表 1 所示，通過對比可得如下結論。
1)利用滯回特性法提取的電容內阻與頻域法結果基本一致，驗證了滯回特性法的可行性與有效性。溫度對超級電容內阻有一定影響，特別當溫度下降到-40 ℃ 時電解液粘度增加導致內阻增大，實驗結果與理論分析一致。
2)不同溫度下超級電容容值存在一定差異，滯回特性法與頻域法結果的偏差量一致(約30 F)。在中高溫區，提取得到的內阻隨溫度先減小后增大，其原因可能與該超級電容在中高溫區的工作特性有關。實際系統中超級電容參數在中高溫區的溫度特性受具體結構、規格、材料等因素影響而呈現一定分散性[19]。
在精度方面，實際系統中滯回特性法應優于頻域法。一方面，頻域法的下限頻率受循環充放電周期限制，在該頻率下提取的超級電容等效參數與直流條件下的理論值不可避免地存在一定誤差;另一 方面，頻域法需要對電壓、電流數據進行 FFT 處理，其精度易受信號平穩性、時間窗口周期性及采樣率等因素影響。
3.3 不同電流條件下充放電測試
本文在室溫環境(25 ℃)開展了不同電流條件下的平衡充放電測試并利用滯回特性法提取了超級電容內阻，結果如表2所示，可以發現超級電容內阻隨著充放電電流的增加而減小。隨著電流增加，超級電容充放電過程中帶電離子游移進入多孔結構與電子電荷形成雙電層電容的過程加快，內阻減小。理論分析驗證了實驗結果的正確性。實際系統中，準確獲取不同電流條件下超級電容內阻可為優化系統充放電策略提供依據。
3.4 動態充放電測試
為進一步驗證滯回特性法的有效性，在25 ℃條件下對奧威 3 000 F 超級電容開展了動態充放電測試，實驗結果如附錄B圖B3所示。由圖B3(a)可知，動態充放電前電容初始電壓為 USC0=2.35 V，根據歷史數據得到的容-壓曲線可以確定初始電容為 Ceq0=2 950 F。在此基礎上采用附錄 A 圖 A2 所示方法可以估算出不同充放電電流條件下電容器等效內阻和容-壓特性。圖 B3(b)中藍色曲線是 90 A 時滯回特性補償后測得的容-壓特性，紅色曲線是 350 A 時滯回特性補償后測得的容-壓特性。進一步分析可知：電流為90 A時，內阻估算結果與圖3所示恒流充放電時結果一致;電流為 350 A時，受充放電頻率等因素影響，內阻下降。實際系統中，開展動態充放電測試可有效提高不同工況下超級電容等效參數提取的效率。
4 結論
本文在研究超級電容充放電特性的基礎上重點分析了容-壓特性滯回現象，并根據該原理提出一種超級電容參數提取新方法。超級電容充放電過程中容-壓滯回特性產生的根本原因是充放電電流產生的電容器內阻壓降極性相反，據此可準確獲取電容器參數信息。不同溫度、電流以及動態充放電實驗結果驗證了該方法的可行性與有效性。
與傳統方法相比，基于滯回特性的超級電容參數提取方法充分利用充放電過程中所有測試數據，可有效排除超級電容非線性特性影響并提高檢測精度，適用于超級電容儲能系統的性能測試、優化控制、高效運維等不同場合。附錄見本刊網絡版(http：∥www.epae.cn)。——論文作者：黃 鶴1，2 ，肖 飛1 ，楊國潤1 ，麥志勤1
參考文獻：
[1]趙洋，梁海泉，張逸成 . 電化學超級電容器建模研究現狀與展望[J]. 電工技術學報，2012，27(3)：188-195. ZHAO Yang，LIANG Haiquan，ZHANG Yicheng. Review and expectation of modeling research on electro chemical superca⁃ pacitor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2012，27(3)：188-195.
[2] ASHTIANI C，WRIGHT R，HUNT G. Ultracapacitors for automotive applications[J]. Journal of Power Sources，2006，154(2)： 561-566.
[3] BRENNA M，FOIADELLI F，TIRONI E，et al. Ultracapacitors application for energy saving in subway transportation systems [C]∥Proceedings of the 2007 International Conference on Clean Electrical Power. Capri，Italy：IEEE，2007：69-73.
[4] RUFER A，HOTELLIER D，BARRADE P A. Supercapacitor based energy storage substation for voltage compensation in weak transportation networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2004，19(2)：629-636.
[5] 許愛國，謝少軍，姚遠，等. 基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統[J]. 電工技術學報，2010，25(3)： 117-123. XU Aiguo，XIE Shaojun，YAO Yuan，et al. Regenerating energy storage system based on ultra-capacitor for urban railway vehi⁃ cles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25 (3)：117-123.
[6] 蔡國偉，陳沖，孔令國，等. 風電/制氫/燃料電池/超級電容器混合系統控制策略[J]. 電工技術學報，2017，32(17)：84-94. CAI Guowei，CHEN Chong，KONG Lingguo，et al. Control of hybrid system of wind/hydrogen/fuel cell/supercapacitor [J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32 (17)：84-94.
[7] 畢愷韜，安群濤，段建東，等. 基于級聯多電平直流變換器的超級電容儲能系統能量自均衡控制策略[J]. 電工技術學報，2018， 33(8)：1919-1928. BI Kaitao，AN Quntao，DUAN Jiandong，et al. Self balancing control strategy for super capacitor energy storage system based on cascaded multilevel DC-DC converter[J]. Transac⁃ tions of China Electrotechnical Society，2018，33(8)：1919-1928.
[8] 李軒，李永麗，常曉勇 . 基于精確線性化理論的超級電容儲能系統的非線性控制算法[J]. 電工技術學報，2016，31(21)：12-20. LI Xuan，LI Yongli，CHANG Xiaoyong. Nonlinear control algo⁃ rithm for super capacitor energy storage system based on exact linearization theory[J]. Transactions of China Electrotechni⁃ cal Society，2016，31(21)：12-20.