超级电容快速在线参数辨识及状态估计

传统的超级电容三支路RC等效电路模型在快速充放电过程中并不能很好地描述超级电容充放电特性,且三支路RC等效电路模型参数在线辨识困难。为了提高快速充放电工况下超级电容状态估计和参数辨识的准确性,提出了基于简化模型和EKF的状态估计和参数辨识方法。首先,通过对快速充放电工况下模型简化可行性分析,在满足精度要求的前提下将三支路RC模型简化为二支路RC模型;其次,将模型参数也作为状态变量加入到状态方程中,采用EKF算法实现超级电容状态量和模型参数的同时在线估计;最后,采用一节50 F的超级电容在恒流充电、恒电阻放电的工况下验证了所提方法的有效性。实验结果表明,基于简化模型的状态估计和参数辨识方法在不降低估计精度的情况下加快了估计速度。     

锂电池RC等效模型参数的温度影响

以锂电池RC等效模型为基础,研究不同环境温度下对RC等效模型参数的影响。在不同温度的环境下,分别对锂电池进行充放电实验,标定锂电池容量,研究温度对锂电池放电能力的影响;取充放电过程中电压的平均值,计算开路电压,研究温度对开路电压的影响;通过采集的充放电数据,辨识不同温度下锂电池欧姆内阻、极化内阻、等效电容和时间常数,研究其温度影响。随着环境温度的上升,锂电池容量和等效电容上升趋于缓慢,开路电压和时间常数变化不大,欧姆内阻与极化内阻下降趋于缓慢。     

带可变遗忘因子递推最小二乘法的超级电容模组等效模型参数辨识方法

为了准确地辨识风力发电机变桨系统后备电源中超级电容模组等效模型的参数,解决由于"数据饱和"现象所产生增益下降过快的缺点,建立超级电容模组三分支等效电路模型,提出一种带可变遗忘因子的递推最小二乘法(RLS)的超级电容模组等效电路模型参数辨识方法,然后建立超级电容模组多方法参数辨识的Simulink仿真模型,并进行仿真与分析.结果表明:该方法充电后静态阶段的综合误差为0.19％,比电路分析法的综合误差降低了6.92％,比分段优化法的综合误差降低了0.09％.整个充放电过程的综合误差为1.22％,比电路分析法降低了9.5％,比分段优化法降低了1.6％.带可变遗忘因子的RLS法比电路分析法和分段优化法拥有更高的辨识精度.     

基于超级电容的双向DC-DC变换器控制研究

针对轨道交通1 500 V系统再生制动能量利用,研究了基于超级电容储能的输入串联多相并联双向DCDC变换器的控制及其系统能量管理策略。采用输入串联、多支路并联的拓扑结构降低了功率器件电压应力和电流应力及减小了无源滤波器件的体积,同时降低了1 500 V系统对储能元件超级电容的耐压及模组均压控制的要求,使得系统的可靠性更高。针对该拓扑结构的特点,结合工程实际应用,考虑超级电容容值参数差异性及大内阻的特点,以超级电容的能量利用最大化为优化目标,对其充放电过程中超级电容电荷状态误判及系统输入输出侧均压控制策略进行了优化设计。最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。     

超级电容剩余容量估计研究

超级电容高功率密度、快速充放电性能可满足电机瞬时功率需求,为混合动力汽车提供稳定的电源供给。剩余容量是判断超级电容在混合动力汽车中使用年限的关键,提出了超级电容剩余容量估计方法。研究了超级电容等效电路,分析等效电路参数,推导开路电压和参数间关系,计算超级电容荷电状态,获得混合动力汽车用超级电容荷电状态的可控范围。构建75%荷电状态变化模型,求得容量退化因子系数,通过平方积分法得到超级电容容量退化因子,由此估算超级电容剩余容量。实验验证了该方法能有效计算超级电容的容量退化因子和剩余容量。剩余容量估计方法的提出为超级电容的使用寿命提供了判断依据。     

超级电容器内阻测试方法研究

内阻是超级电容器的重要性能参数,在直流放电内阻测试方法中,测试设备的充放电转换时间是影响测试结果的重要因素。通过改进测试方法,可以有效消除测试设备的充放电转换时间对测试结果的影响,为评价超级电容器的内阻提供了一种新的测试方法。     

混合电动汽车辅助储能系统的研究

针对混合电动汽车在城市交通中频繁加速减速的特点,设计了基于超级电容储能的电动汽车辅助储能系统,选择两相交错式半桥拓扑双向DC/DC变换器作为超级电容的充放电电路.重点设计双向DC/DC变换器对超级电容的充放电控制,采用平均电流控制的两个电感电流内环和一个电压外环的控制策略,并对电动汽车辅助储能系统进行了Simulink仿真,从而有效验证了超级电容在电动汽车中应用的优势.     

制动能量回收系统中超级电容充放电特性研究

超级电容作为一种新型环保储能元件,被广泛应用于能量回收系统中,但其模组参数和充放电特性将影响储能系统的控制性能。论文根据系统要求,计算和选取了经济型超级电容模组,理论建模分析了超级电容的充放电特性,采用先恒流后恒压的充电和变负载放电方式,搭建了制动能量回收储能系统的超级电容充放电实验系统。实验验证了充电电流越大充电时间越短和放电电流能够自动匹配负载大小的充放电规律,同时验证了电流设定值对放电规律的影响。     

基于失效机理的超级电容加速退化研究

超级电容寿命的研究一直都存有争议,影响因素分析不清,实验应力等级设计无依据等.通过分析超级电容结构、工作原理和失效机理,得出超级电容寿命影响因素有温度、充放电电压、循环次数,且相互影响.通过理论分析得出超级电容寿命加速方程有5个待解参数,退化模型至少需要6个应力等级.通过分析超级电容性能退化轨迹,得出其参数需不等间隔测量,前期测试次数多,后期测试次数少.最后通过实验,验证了模型的有效性,为超级电容加速退化实验提供了指导.     

一种新型双电层超级电容器模型及其应用

提出了一种新型双电层超级电容器模型——改进2阶RC模型,该模型由瞬时、电压自调整、自放电3条支路组成,考虑了温度、端电压对超级电容器运行特性的影响,能够准确描述充放电过程中电压的非线性变化以及充放电之后的自调整特性。在详细介绍模型结构的基础上,给出一套通过恒流充电实验快速确定模型参数的辨识方法,具有较强的工程实用性。将此模型应用到超级电容器均压电路的设计中,采用单飞渡电容法均压策略,取得了良好的效果。     

一种新型超级电容器组电压均衡系统设计

超级电容器单体端电压不高,对于大功率储能系统,为了满足容量和电压的需要,通常将多个超级电容器串联使用。单体性能参数存在一定的分散性,导致串联超级电容器组的电容电压不平衡。根据超级电容器的成组方式以及充电特性,设计了一种低能耗方式的电压均衡系统。该系统由信号采集电路、下位机、均衡开关电路,以及上位工控机组成,能够实现串联超级电容器充电时的电压采集、开关电路控制,使得超级电容器单体在充电时保持电压的一致性,从而实现超级电容器组容量的最大化利用。     

超级电容器储能控制技术研究

提出了双向DC-DC变换器在超级电容器充放电过程中的控制方法,能够解决绝大多数需要对超级电容器充放电的场合。在PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件中构建超级电容器的充放电电路模型,通过对无补偿时双向控制模型分析,采用PI或者PID补偿环节实现系统的稳定,并进行仿真验证。为减小充电电流脉动,进一步提出对超级电容器进行多重充电的思路,给出仿真结果。仿真系统的稳定和良好的仿真结果说明所提出的方法可行。     

Novel bifunctional converter‐based supercapacitor energy storage module with active voltage equalizing technology

A bifunctional converter module for supercapacitor energy storage based on an input‐series‐output‐series (ISOS) circuit is proposed in this paper. Compared to the existing topologies, the proposed circuit acts both as a supercapacitor cell voltage equalizer and as an output voltage regulator. During the charging process, series‐ connected flyback converters transfer energy from fully charged cells to the string via a bypass. Therefore, the fully charged cells maintain the rated terminal voltage, and the charging speed of the rest of the cells increases. During the discharging process, the output voltage of the module can be regulated with the same set of converters. The working principles during the discharging/charging processes are analyzed. The designs of the flyback converter and the control system are presented. A prototype consisting of three submodules is implemented. Experimental results verify the effectiveness of the proposed topology. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

超级电容器用于建立强脉冲磁场的可行性研究

为解决爆炸磁流体发电机应用设计中储能高压脉冲电容器存在的一些缺点,提出了一种以超级电容器替代高压脉冲电容器作为储能器件建立强脉冲磁场的设计方案。在给出脉冲放电回路中超级电容器的等效电路模型、超级电容器模块的设计原则和储能系统管理方案后,对超级电容器模块振荡放电和非振荡放电两种类型进行了分析计算。超级电容器模块和高压脉冲电容器模块的放电电流仿真波形和模块参数的对比结果表明,在产生同样大的脉冲电流下,超级电容器模块放电持续时间更长,在体积和重量上有一定的优势,用于建立强脉冲磁场是可行的。     

基于混合储能电压源逆变器平抑微电网功率波动的方法研究

为了平抑间歇性微电源引起的功率波动,研究了基于超级电容和蓄电池的混合储能电压源逆变器（VSI）控制策略,设计了混合储能系统两级能量管理方法。将超级电容作为系统一级缓冲储能优先平抑微电网功率波动。并网运行时配电网作为二级储能,通过控制联络线功率,使超级电容端电压稳定在充放电限值以内,同时维持公共连接点（PCC）母线电压在允许范围内变化;孤岛运行时蓄电池作为二级储能,通过超级电容的缓冲作用减少蓄电池充放电次数,延长蓄电池使用寿命,当超级电容达到充放电警戒值时,精确控制蓄电池以恒功率输出,调节超级电容端电压恢复到正常值。仿真结果验证了方法的有效性。     

基于荷电状态的混合储能系统协调控制策略

为优化混合储能系统运行状态,提出了一种新型混合储能分层协调控制策略,包括上层能量管理与下层混合储能控制。上层能量管理层根据微电网母线电压、频率以及混合储能系统综合荷电状态（SOC_HESS）,利用模糊逻辑算法优化混合储能系统的充放电功率,使得储能设备的荷电状态维持在合理范围。下层混合储能控制层在低通滤波器的基础上根据磷酸铁锂电池和超级电容器各自的SOC,建立分配功率修正算法,优化储能单元的SOC状态。仿真实验证明,所提出的基于荷电状态SOC的分层协调控制,有效地降低了混合储能的SOC的变化范围,防止储能设备的过充或过放。     

一种集成化蓄电池脉冲充放电控制器

市场上的封装电池是由几个具有相同特性的电池单元串联而构成的,因此蓄电池充电器只能对封装电池整体进行控制,无法避免内部单元的过充电,从而降低了蓄电池使用寿命。提出一个对电池最小单元进行最优化控制的充放电控制拓扑,并进行软开关参数设计和整合,对变脉宽脉冲充电方法进行改进,设计了一种简单有效的正负脉冲充电方法,可有效消除充电过程中的极化现象,实现快速充电的同时提高了电池寿命。此外,对提出的拓扑和充电策略设计了便捷可行的均衡方案。最后制作实验样机,验证了拓扑的实用性、控制的有效性以及整体方案的可行性。     

超级电容器充电过程中的双重均压研究

超级电容器作为储能器件在工业领域有着广泛的应用。为提高超级电容器模块的输出特性,延长模块的使用寿命,以面向未来航空航天器瞬时功率的应用需求为基础,文中提出一种安全可靠的超级电容器双重均压技术。通过测量恒流充放电条件下超级电容器的充放电曲线及计算单体特征参数,揭示模块中单体的不一致性。在恒流充电过程中,双重均压电路以Buck-Boost电路为主要电路,开关电阻法电路作为备用电路,使模块实现充电时的动态电压均衡并在充电结束时达到额定电压值且不出现过充现象。双重均压电路解决了超级电容器模块中因单体不一致性所致的电压不均衡问题。     

Features of Charging–Discharging of Supercapacitors

We present the results of experimental investigations of supercapacitors produced by Panasonic using several methods, namely, measurements of temporal dependences of charging–discharging currents, cyclic dc charging, and cyclic voltammetry. The values of the internal resistance, static and dynamic capacitance, as well as their dependences on the bias voltage of the capacitors, have been determined. Measurements have shown that the initial stage of relaxation of current is well approximated by the exponential time dependence, and then transition to a powerlike dependence occurs. This well-known effect is explained on the basis of the allowance for specific transport properties of a porous fractal-type medium. These processes are adequately described by the fractional-differential model of anomalous diffusion. A weak dependence of relaxation curves on the voltage at low values of the latter (<3 V) and the change in the power-law exponent at elevated voltages (>3 V) is explained by the appearance of new percolation paths blocked at low charging voltages due to the presence of high-potential barriers. The internal resistance and the static capacitance have been determined by measuring the voltage across the supercapacitor in the mode of dc charging. These parameters have been shown to depend on the voltage applied to the capacitor. The dependence of the dynamic capacitance on the voltage has been determined using cyclic voltammetry. It has been shown that the capacitance depends not only on the voltage, but also on the prehistory of charging and discharging of the capacitor. Comparison of the experimental results and the published data on the models and equivalent circuits with passive R, L, and C elements allows one to conclude that such models and equivalent circuits can be applied only when explaining a limited number of phenomena, in particular, behavior at small relaxation times.