超级电容电动公交车动力系统匹配研究与设计(3)

5) 比较不同充电系统以及整流站和充电站建设的优缺点；研究超级电容电动车行

驶里程与充电站建设以及超级电容匹配的关系，给出最佳超级电容控制策略。

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第二章 超级电容器特性研究

2.1车用超级电容器的结构和储能机理

电动车用超级电容器主要由电极、电解液、集电极、隔离膜、连线极柱、密封材料和排气阀组成，见图2-1。电极的材料、制造技术，电解质的组成和隔离膜的质量对超级电容器的性能有较大的影响。电解质的分解电压决定电容器的工作电压，而工作电压决定着电容器的能量与输出功率。一般水溶液电解液分解电压约为1V，有机电解液约为3V；电极和电解液的材料通常决定着超级电容器的工作原理。

1．电极Electrode2．电解液Electrolyte3．集电极Current collector4．隔离膜Separator 5．连

线极柱Electrode pole6．密封材料Sealed material7．排气阀

图 2-1 电动车用超级电容内部结构

Fig 2-1 Inside structure of supercapacitor

Drain tap

超级电容按电极材料和储能机理主要分为三类[5][6]：1、以活性炭为电极材料，由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容，简称EDLC(Electric DoubleLayer Capacitors)；2、采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容；3、由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。其中，碳是最早用于超级电容的电极材料，也是目前使用最成功、最广泛的电极材料。可用于制作超级电容电极的碳材料有：活性炭粉、碳纤维、碳气

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凝胶、碳纳米管、网络结构模等[10]。

双电层电容充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，但其所储的能量较小；而后两种超级电容的产生机理中伴随电荷传递过程的发生（统称为Faraday“准电容”），比能量明显高于双电层电容，有点类似与二次电池的性质。在混和动力车辆的大容量需求下，兼顾各类电容的特点，将双电层电容和法拉第电容结合，制成不对称电极的混和超级电容，这种电容目前在俄罗斯研究和生产比较广泛，它的负极为活性碳材料，正极则为氧化镍或氧化铅等金属氧化物，超级电容电动车中主要使用这种超级电容。

2.2 超级电容器的特性

由于充电储能和电极结构的自然特性，超级电容器的电特性与常规电介质电容器完全不同。图2-2[9]描述了一种双层电容器的等效电路。该模型根据双层电容器的物理模型来建模超级电容器的电模型，被描述为由几个离散电阻和电容器组成的阶

梯网络传递路线。这样的模型过于复杂，并不适合我们进行最基本的研究。

图2-2超级电容的等效电路（1）Fig 2-2 Equivalent circuitry of supercapacitor (1)

为了简便起见，在较大电流的充放电情况下，超级电容的等效电路可简单的表示为图2-3所示[10]

。

图2-3超级电容的等效电路（2） 图2-4超级电容的等效电路（3） Fig 2-3 Equivalent circuitry Fig 2-4 Equivalent circuitry

of supercapacitor (2) of supercapacitor (3)

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超级电容在使用过程中会涉及到几个关键的参数：本征容量C，最高电压Umax，最低工作电压Umin，串联等效电阻Rs，并联等效电阻RL，放电效率η等。本征容量和最高最低电压决定了超级电容能够存储的能量。超级电容的有效储存能量：

122

w=C(Umax Umin) （2-1）

2设Umin=qUmax，则

22

w=CU(1 q) （2-2）max

q表征了超级电容的放电深度。在蓄电池中，过大的放电深度对蓄电池的寿命会有较大影响。而在超级电容中由于超级电容充放电主要是物理过程，因此它对超级电容的寿命基本上没有什么影响。在实际使用过程中，由于在电压很低时超级电容剩余能量比较少，而且放电效率比较低，因此使用过程中不全部放电，一般q＝1/2。由于RL一般比较大，可达几十千欧，可认为是断路（等效电路如图2-4）。超级电容的充电效率定义为：

1

CUmax2t12

CUmax+∫i2Rsdt

02

超级电容放电效率定义为：

η1=

， （2-3）

t212

CUmax ∫i2Rsdt

η2= (2-4)

2CUmax2

充放电效率：

t212

CUmax ∫i2Rsdt

η=η1η2= (2-5)t12

CUmax+∫i2Rsdt

02

这只是从理论上推导的效率的过程。实际上在充放电过程中，超级电容的容量、

内阻是受充放电电流和温度等因素的影响，都不是定值。而且超级电容一般漏电流和自放电现象比较严重，比如某50000F，1.6V的超级电容漏电流为7~12A，在平衡点上下波动，平均漏电流约为10A。因此其充电电流永远不会为零。在充满电搁置时，会产生自放电，如果该超级电容不能在短期内放电做功，他可能由于长时间的搁置而能量内耗掉，实际上就是放电效率严重下降。因此实际使用过程中需要根据不同的超级电容在不同放电状态（此放电状态应该跟工作状态相似）进行试验，得出放电效率。在实际过程中应该由于试验条件等受限，可以根据厂家提供的数据进

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行初步设计，以后在实践中进行改进。

在超级电容实际充放电过程中，它的等效的RS和RL是动态变化的。RS和RL是影响充放电效率的主要因素。其他影响充放电效率的因素还有充放电电流，温度等。由于从数学模型上导出它的充放电效率比较容易，但是实际过程中模型参数是变化的，因此很难准确得出放电效率的数值。

2.3 车用超级电容设计基本原则

类似于一般的二次电池电路设计，车用超级电容在设计过程中需要满足两个基本的要求：最大功率需求和最大能量需求[3][15]。

1） 功率需求

即是超级电容能够满足瞬时启动，加速，能量回收的需求。而且满足功率需求时，在大电流充放电的情况下，不应该对超级电容的寿命产生影响。一般超级电容生产厂商都表有额定电流值。设计时应该参看这些额定的值，以便使得超级电容工作在高效区域内。超过额定电流的大电流放电会降低放电效率，并且可能使得电容产生过热，影响超级电容的寿命。

2） 能量需求

超级电容目前来说虽然主要是瞬时功率的提供设备，但是在实际使用过程中需要持续一定时间放电，所以就需要提出他的能量设计要求。超级电容可放出的能量

22

为：w=CUmax(1 q)η。设计过程中可以根据此公式初步选择超级电容的容值。放

电效率可以根据厂家提供的额定放电时的效率估算。

3） 其他设计要求a. 内阻Rs

要求内阻越小越好。由式2-5可知，内阻越小，放电效率越高。另一方面，如果内阻过高，大电流放电时会造成热量累积，温度升高，电极材料活性开始衰弱，会使超级电容的寿命降低[10]。一般要求车用超级电容的内阻在一毫欧以下。

b. 漏电流/自放

漏电流是在充放电过程中，双电层离子由于受到电极上异性电荷的静电吸引力和电解液中溶液离子浓度梯度造成的本体迁移力的共同作用而产生的。温度是一个影响漏电流的重要因素，温度升高，漏电加剧[10]。充电停止后，当外界没有 …… 此处隐藏：2454字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……