电化学超级电容器建模研究现状与展望

电化学超级电容器简称超级电容器,作为一种新型的储能装置在电力系统中具有广阔的应用前景。建立一个能精确反映实际工作特性的模型对于超级电容器的合理使用、性能优化和系统仿真具有重要的研究意义。本文介绍了超级电容器的基本工作原理,综述了现有的各种超级电容器模型,详细分析了各种模型的特点和适用范围,针对在工程中应用最多的等效电路模型进行了实验验证,并对实验结果和模型结构进行了深入探讨,通过分析超级电容器建模研究现状和存在的不足,展望了超级电容器建模研究的发展趋势和研究重点。     

混合型水系超级电容器建模及其参数辨识

论文在深入分析混合型水系超级电容器工作机理的基础上,提出并建立一种可描述其充放电外特性的等效电路模型。首先对混合型水系超级电容器各组成元件进行单独建模;然后综合构成其整体等效电路模型;随后详细讨论了模型参数的辨识方法,推导了参数辨识的模型结构,并采用限定记忆递推最小二乘法辨识模型参数;最后利用实验数据对所建立的模型进行仿真分析和验证。实验和仿真结果证明了本文所建立模型的准确性。     

基于改进最小二乘法的超级电容器特征参数辨识

准确辨识超级电容器特征参数值是分析超级电容器电气特性和估计其健康状态的重要研究基础。为克服采用阻抗谱分析法辨识特征参数所需激励信号幅值过小,且不能反映研究对象真实工况以及难以实现在线辨识特征参数的缺点,文中采用递推最小二乘法解决此问题。基于实验分析结果发现直接采用该算法辨识出的参数值与真实值差异较大,因此在深入分析辨识算法的基础上,对最小二乘法的辨识结构加以改进。实验和仿真分析结果表明,基于改进后的最小二乘法辨识得到的超级电容器特征参数值更加准确和可信。     

基于单亲遗传算法的超级电容器等效电路模型参数辨识方法

为了能够准确反映超级电容器的动态特性,需要建立其等效电路模型。考虑超级电容器双电层中扩散层对器件动态特性的影响,建立了包含能够反映电荷再分配过程分支的等效电路模型。采用改进的单亲遗传算法对模型中的各个元件参数进行了辨识。为了验证所建立的超级电容器等效电路模型和元件参数辨识方法的有效性,在Simulink环境下搭建了仿真模型,并对模型进行了充电、静置以及放电实验,同时对所选用超级电容器进行了相同工况下的实测实验。实验结果显示仿真模型输出电压与实测值的最大相对误差为8.41%,出现在放电阶段。在静置阶段,仿真输出的误差要明显低于充电阶段和放电阶段。3个阶段的平均相对误差大约在3%。     

电化学超级电容器研究进展

电化学超级电容器是近年来发展的一种新型能量储存装置。根据储能原理有双电层电容器和法拉第准电容器两种类型。介绍了其原理、应用及研究进展,并阐述了以碳材料、金属氧化物和导电聚合物为电极材料的电化学超级电容器以及混合类型电容器的基本情况。     

一种电动车辆用牵引型水性电解液超级电容器模型

针对电动车辆使用的牵引型活性炭电极水性电解液超级电容器,根据其实际工作电压范围内的脉冲充放电特性建立了四阶RC网络等效电路模型,考虑到充放电过程不精确可逆,将充电与放电过程分开来建模,并给出了一种新的模型参数辨识方法。对模型仿真的结果与实际电容器的充放电特性曲线进行了比较,结果表明,所建立的等效电路模型对于超级电容器脉冲充放电特性的拟合精度是令人满意的,符合实车应用。     

活性炭超级电容器电极的电化学行为

以商用活性炭为电极材料,组装成对称型超级电容器。采用恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法研究正负极的电化学行为。结果发现,正极电位范围占电容器总电压的61%以上,电阻占电容器总电阻的66%以上;在不同扫描速率下,负极电容特性稳定,比容量达到了264.2F/g,而正极则仅为114.3F/g;在低频区负极出现"电荷饱和",负极中储存的电容量可得到利用,而正极未出现"电荷饱和"现象;负极电极过程为阻挡层扩散控制,而正极为有限层扩散控制;负极自放电速率大于正极,超级电容器自放电速率由负极决定。     

基于粒子群优化的超级电容器模型结构与参数辨识

为了分析超级电容器的动态特性,并准确估计荷电状态、健康状态等信息,需要建立超级电容器模型。提出以系统辨识方法作为建模手段,为克服广义误差准则不能保证模型输出误差最小的缺点,采用输出误差准则并推导出对应的非线性目标函数。应用粒子群优化算法对该目标函数进行优化求解,并获得模型参数。针对结构辨识问题,采用最终输出误差准则计算结构判别指标,通过比较该指标值确定模型最佳阶次。实验和仿真结果表明,所提模型能精确描述超级电容器的动态特性,建模方法可行。     

非对称型电化学超级电容器的研究进展

非对称型电化学超级电容器是一种介于超级电容器和二次电池之间的新型储能元件,它同时具备超级电容器和二次电池的特性,即高的比能量和比功率、良好的快速充放电能力和循环性能。综述了非对称型电化学超级电容器的工作原理和研究进展。     

发展中的电化学电容器

详述了电化学电容器的特点:可高倍率充放电,充放循环寿命远大于可充电电池,它在充放电过程中产生的热效应小于电池充放电过程中产生的热效应。讨论了各种类型的电化学电容器:双电层电容器、吸附作用产生的准电容、混合电化学电容器、导电聚合物氧化还原超电容器和复合电极电化学电容器。阐述了超级电容器的各种应用;指出它是具有发展前景的一种能量贮存利用装置。     

超级电容器储能的节能系统研究

交流电机变频调速系统已经在工农业生产中得到了广泛的应用,但是大部分的变频调速系统采用了能耗制动的方式,造成了能量的巨大浪费。采用超级电容器储能的节能系统,能够在电机制动时回收制动能量,从而实现了能量的节约。提出一种基于规则的能量管理方法,根据变频调速系统中直流母线的电压来决定超级电容器储能的节能系统的工作状态。采用PSIM仿真软件分析超级电容器储能的节能系统在变频调速系统中的作用。实验中采用一个可编程控制的电机来代替实际的负载。仿真和实验结果都表明,超级电容器储能的节能系统能够在电机制动时回收制动能量,从而验证了这种节能方案的可行性和基于规则的能量管理方法的有效性。     

使用等值导纳进行电力系统小世界特性识别

提出基于等值导纳的电力系统小世界特性识别新指标。针对已有小世界模型大多基于最短路径假设,与电力系统实际不甚相符的问题,根据潮流“可分性”假设,采用戴维宁等值阻抗作为节点间距离的度量,将系统的全局和局部等效导纳作为识别小世界特性的新指标,并给出具体实现流程。与已有指标相比,该指标物理背景更符合电力系统实际,且实现算法具有多项式的时间复杂度,更适用于大规模系统分析。具体算例表明所提指标在电力系统小世界特性识别方面和已有模型同样有效,且可以解决某些已有模型不能正确解释的问题。对西北电网的分析表明了所提指标在实际应用中的有效性。     

锂离子电池建模与参数识别

锂离子电池作为最新一代的绿色高能充电电池受到越来越多的关注,成为诸多领域的核心储能部件。为了更好地发挥电池管理系统的作用,基于电化学机理提出一种新的电池等效电路模型,模型中同时考虑了热行为描述,模型参数通过激励响应分析的方法获取。通过实验证明该模型能够较精确地描述电池充放电行为,并且由于其较高的计算效率和精确度,将该模型嵌入到电池管理系统中将使电池管理更加有效。     

基于三次样条插值法的储能锂电池建模与参数辨识

针对锂电池低荷电状态时输出变化大和模型参数辨识困难问题,提出一种基于三次样条插值法的建模与参数辨识方法。首先建立了含SOC动态的三阶3RC-3D等效电路模型,分析了低SOC时应用最小二乘法对不同模型参数进行辨识产生的误差。在此基础上,结合三次样条插值法的拟合特性和合适的边界条件,构造了三次样条插值函数,在SOC≤10%区间进行了模型各参数辨识,并拟合出了模型参数变化曲线。最后,将辨识后的模型参数曲线与混合脉冲功率特性HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)试验的实际测量值进行了对比。从比较结果看,本文所提的辨识方法减小了参数辨识误差,提高了模型精度,验证了在SOC≤10%区间应用三次样条插值法进行锂电池模型参数辨识的有效性。仿真结果表明,基于三次样条插值辨识方法建立的三阶3RC-3D等效电路模型能够高精度地跟踪锂电池输出外特性。     

独立光伏系统的超级电容和蓄电池混合储能系统研究

对于独立光伏发电系统,通常需要储能系统来保证供电的稳定性和持续性。为了吸收光伏电池发出的脉动功率,从而抑制直流母线的电压波动,并满足向负载提供短时大功率的需求。提出了采用超级电容器和蓄电池混合储能方案,并进行了充放电仿真分析,验证了超级电容的蓄电池充放电特点,提出了充放电控制策略。     

Novel Modeling and Design of a Dual Half Bridge DC-DC Converter Applied in Supercapacitor Energy Storage System

Abstract—This article concerns the application of the isolated symmetry half-bridge bidirectional DC-DC converter in a supercapacitor energy storage system. The guideline to calculate the zero-voltage switching resonance elements is proposed. Meanwhile, a novel state-space averaged model contains duty cycle as control variable is developed. With the model, a phase-shifted plus feed-forward control system is proposed, which can stabilize the primary side voltage of the transformer and reduce the leakage inductor current when supercapacitor voltage declines. Simulation results of the model have been obtained and studied. The proposed design guideline and control strategy is verified by a 500-W prototype.     

超级电容器在电力驱动系统中应用

超级电容器问世已有二十几年,至今被广泛应用在智能化仪器仪表中,被人们所认知。大容量超级电容器在现代电力驱动系统中的应用是近几年刚刚出现的新技术。本文作者为了推动超级电容器在电力驱动系统的应用范围,将根据自己的工程实践向读者展示超级电容器在电力驱动系统中的应用原理和实际效果。     

调速系统电液伺服系统建模原理与实测参数辨识

电液伺服系统是原动机调速系统的三大组成部分之一,其模型的合理性和参数的精度对调速系统的整体精度会有显著影响。为解决电液伺服系统这一单输入、单输出的高阶系统的参数辨识问题,首先对电液伺服系统的建模原理进行分析;结合装置的物理结构,分析其建模原理,并据此进一步提出参数的确定方法。通过分解推导电液伺服卡、伺服阀、油动机和线性可变差动变压器(linear variable differential transformer,LVDT)的建模原理,并根据模型特点,提出一种包含大阶跃和小阶跃的参数实测方法,以实现电液伺服系统的参数实测;最后基于实测数据,对模型参数的仿真结果进行校验,说明了参数辨识方法的正确性。