車用鋰離子超級電容的性能實(shí)驗(yàn)與建模研究

肖 璆， 艾賢策， 朱建新

(上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240)

車用鋰離子超級電容的性能實(shí)驗(yàn)與建模研究

肖 璆， 艾賢策， 朱建新

(上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240)

研究了一種用于深度混合動力車的新型高比能量鋰離子超級電容器。對該新型超級電容器在充放電實(shí)驗(yàn)平臺依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和鋰離子超級電容器的基本原理，建立了適用于該新型超級電容器的仿真模型，并在模擬工況下驗(yàn)證了仿真模型的有效性。建立的鋰離子混合超級電容器模型具有較高的精度，可用來對該新型超級電容器進(jìn)行估計(jì)和故障診斷，具有較強(qiáng)的工程價(jià)值。

鋰離子超級電容；性能實(shí)驗(yàn)；模型；仿真；混合動力

超級電容作為一種新型的儲能裝置，具有高比功率、高效率、較低的內(nèi)阻及很長的使用壽命，因此很適合用在混合動力車上作為儲能裝置。由于傳統(tǒng)的超級電容比能量較低，目前超級電容通常應(yīng)用于輕度混合車上，相關(guān)的研究表明超級電容可很好地提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。

與輕度混合動力車相比，深度混合動力車有更好的經(jīng)濟(jì)性和動力性，為了將超級電容應(yīng)用于深度混合動力車上，本文對一種新型的高比能量的鋰離子混合型超級電容進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和鋰離子混合超級電容器的基本原理，本文建立了適用于該新型超級電容器的仿真模型，并在模擬工況下驗(yàn)證了模型的有效性。結(jié)果表明，建立的鋰離子混合超級電容器模型具有較高的精度，可用來對該新型超級電容器進(jìn)行剩余電量估計(jì)和故障診斷，具有較強(qiáng)的工程價(jià)值。

1 鋰離子超級電容的基本原理

傳統(tǒng)的超級電容器主要依靠雙電層和物理靜電吸附來儲存能量。本文研究的新型高比能量超級電容為鋰離子混合型超級電容，它兼有傳統(tǒng)超級電容和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)。該鋰離子混合超級電容的工作原理如圖1，它通過組合鋰離子氧化還原電極和活性炭電極，依靠Li+在正極上的嵌入脫嵌的氧化還原反應(yīng)和負(fù)極上的吸附脫附反應(yīng)存儲能量。常用的鋰離子氧化還原電極材料有LiMn2O4、LiTI2(PO4)3等。鋰離子超級電容器常用的電解液有水性電解液LiSO4及有機(jī)電解液LiPF6等。其中水性電解液電阻較低，但電壓窗口小，從而導(dǎo)致比能量不高，而有機(jī)電解液雖然有較高的電壓窗口，但是導(dǎo)電性相對較差[1]。

圖1 鋰離子混合超級電容器原理示意圖

本文研究的鋰離子超級電容器的單體工作電壓范圍為2.7～4.0 V，電容容量達(dá)9 000 F。實(shí)驗(yàn)用的超級電容包一共90個(gè)單體，分為6組，每組15個(gè)單體。其標(biāo)稱容量為100 F，最大持續(xù)工作電流為200 A，循環(huán)壽命可達(dá)30 000次以上。

2 鋰離子超級電容HPPC實(shí)驗(yàn)

2.1 混合脈沖功率性能實(shí)驗(yàn)(HPPC)

圖2是通過混合脈沖功率性能實(shí)驗(yàn)(HPPC)得到的鋰離子超級電容的開路電壓()與剩余電量()間的對應(yīng)關(guān)系。傳統(tǒng)的超級電容的-關(guān)系近似為直線，由于鋰離子超級電容器中包含電池特性，因此其-關(guān)系為如圖2所示的向上凸的曲線。

圖2 HPPC測試下開路電壓與間的關(guān)系

圖3為鋰離子超級電容器最小HPPC實(shí)驗(yàn)得到的脈沖充放電功率能力與放電深度間的關(guān)系。從圖2和圖3中可見，鋰離子超級電容在較高時(shí)具有較為單一的電容特性，當(dāng)較低時(shí)則表現(xiàn)出一定的電池特性。由于鋰離子超級電容器電池特性的影響，其脈沖充放電內(nèi)阻在較低時(shí)會發(fā)生變化，相比較高點(diǎn)，此時(shí)的內(nèi)阻會增大，在圖3中表現(xiàn)為功率曲線存在某種程度的彎曲。

圖3 HPPC實(shí)驗(yàn)下脈沖功率與放電深度的關(guān)系

2.2 鋰離子超級電容的極化效應(yīng)

對于動力電池，當(dāng)有電流流過電極時(shí)，電池的電化學(xué)體系將偏離平衡狀態(tài)，電極的電位會偏離原來平衡的電位，這種現(xiàn)象稱為電極的極化。極化效應(yīng)分為電化學(xué)極化、濃差極化以及電阻極化。電化學(xué)極化在電池的極化中占主導(dǎo)地位，與鋰離子電池相比，鋰離子超級電容的極化效應(yīng)很小。極化效應(yīng)的程度可以通過動力電池由工作狀態(tài)變?yōu)殪o置后的開路電壓變化曲線來獲得。開路電壓到達(dá)平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越長，其極化效應(yīng)越大。鋰離子超級電容的同一放電倍率(40 A)不同截止SOC值下的開路電壓靜置曲線及同一截止值不同放電倍率下的開路電壓截止曲線，可用圖4和圖5表示。

圖4 同一放電倍率（40 A）不同截止值的開路電壓靜置曲線

圖5 同一（50%）情況下不同放電倍率的開路電壓靜置曲線

3 鋰離子超級電容的建模

目前典型的超級電容模型大部分是基于常規(guī)的雙電層電容的特性和原理建立，有的模型參數(shù)獲取方式復(fù)雜，而且這些模型不能準(zhǔn)確描述鋰離子超級電容的特性[2]。本文根據(jù)鋰離子超級電容的原理和充放電特性，建立如圖6所示模型。

圖6 鋰離子超級電容電路模型

在鋰離子超級電容的工作溫度范圍內(nèi)(20～50℃)內(nèi)，溫度對鋰離子超級電容性能的影響很小，因此模型中沒有引入溫度這一參數(shù)。文中的性能實(shí)驗(yàn)都是在常溫下進(jìn)行，因此本文建立的模型適用于描述大部分工作情況下的鋰離子超級電容的特性。另外，鋰離子超級電容器的充電內(nèi)阻和放電內(nèi)阻在大電流情況下有一定的差別，考慮到車用鋰離子超級電容的工作電流通常在40 A以下，此時(shí)充放電電阻的差值在0.02 Ω以內(nèi)，為了對模型進(jìn)行簡化，本文近似認(rèn)為此時(shí)充放電內(nèi)阻相同，均取為放電時(shí)的內(nèi)阻。

表1 模型參數(shù)識別結(jié)果

4 鋰離子超級電容模型的驗(yàn)證

鋰離子超級電容的模型在實(shí)際工程應(yīng)用前，需要對所建模型的精度的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合以上建立的模型，采用圖7所示的算法來驗(yàn)證鋰離子超級模型，在仿真過程中需要實(shí)時(shí)地對鋰離子超級電容的性能參數(shù)進(jìn)行修正。

圖7 鋰離子超級電容模型驗(yàn)證算法

本文首先在室溫下根據(jù)該鋰離子超級電容器的模擬工況實(shí)驗(yàn)得到了相應(yīng)端電壓的變化曲線，然后在同樣的模擬工況下利用鋰離子超級電容模型進(jìn)行仿真計(jì)算。端電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同樣工況下的模型仿真計(jì)算結(jié)果對比如圖8所示，端電壓的仿真誤差如圖9所示。由圖9可知，模型最大誤差在2%以內(nèi)，說明該模型能夠比較好地模擬鋰離子超級電容的動態(tài)特性。

5 結(jié)論及展望

本文通過HPPC實(shí)驗(yàn)研究了鋰離子超級電容的性能特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鋰離子超級電容同時(shí)具有超級電容和動力電池的特性。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的鋰離子混合超級電容模型具有較高的精度，可用來對該新型超級電容器進(jìn)行剩余電量估計(jì)和故障診斷，具有較強(qiáng)的工程價(jià)值。本文建立的模型有一定的局限性，為了能夠?qū)Φ蜏睾痛箅娏飨碌匿囯x子超級電容的性能進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，需要進(jìn)行更多的性能實(shí)驗(yàn)并建立更加準(zhǔn)確的模型。

圖8 模型與實(shí)驗(yàn)的端電壓對比曲線

圖9 模型的端電壓誤差曲線

[1]李潔，王貴欣.鋰離子混合超級電容器研究進(jìn)展[J].電子元件與材料，2011，30(8)：83-86.

[2]NELMS R M.Modeling double-layer capacitor behavior using ladder circuits[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2003，39(2)：430-438.

Performance experiment and model research of lithium-ion ultracapacitor in vehicles

XIAO Qiu,AI Xian-ce,ZHU Jian-xin

A novel lithium-ion ultracapacitor with high special energy in deep hybrid vehicles was studied. The performance of the ultracapacitor was tested on the discharge/charge test bench according to the related standard. Based on the experiment result and the principle of lithium-ion ultracapacitor, a simulation model of the novel ultracapacitor was built, and the validity of the model was verified in the simulated condition. The lithium-ion ultracapacitor model possesses high accuracy and can estimate SOC and diagnose fault.

lithium-ion ultracapacitor;performance experiment;model;simulation;hybrid power

TM 53

A

1002-087 X(2015)04-0793-02

2014-09-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”項(xiàng)目（吉利深度混合動力轎車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)）（2011AA11A207）

肖璆（1990—），男，江西省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡妱悠噧δ苎b置。