金朝勇1，張炳力2，徐小東1，徐德勝2，談健2

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230001；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥230009）

摘要：超級(jí)電容是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能單元，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。在分析超級(jí)電容結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)超級(jí)電容的本身特性并結(jié)合超級(jí)電容試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立了超級(jí)電容的Matlab／simulink模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。

引言

超級(jí)電容[1，2]在汽車(chē)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，不僅適合用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的輔助能源，而且還可以與電池、燃料電池等結(jié)合用作電動(dòng)汽車(chē)的輔助能源，從而達(dá)到提高電池壽命、彌補(bǔ)燃料電池比功率不足、最大限度地回收制動(dòng)能量等效果。隨著超級(jí)電容技術(shù)的迅速發(fā)展，其在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。在介紹超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)，并在研究超級(jí)電容充放電、內(nèi)阻等特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型建立了超級(jí)電容的Matlab／simulink模型，并進(jìn)行了仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，為超級(jí)電容以后在汽車(chē)中的應(yīng)用提供參考。

1超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)

常用的碳電極的雙電層電容器結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示，雙電層超級(jí)電容是懸在電解質(zhì)中的兩個(gè)非活性多孔板，電壓加載到兩個(gè)板上。加在正極板上的電勢(shì)吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。雙電層電容的大小與電極電位和比表面積的大小有關(guān)，常常使用高比表面積的活性碳作為雙電層電容器的電極材料來(lái)增加電容量。

2超級(jí)電容的建模

2.1超級(jí)電容的等效電路

如圖2所示，超級(jí)電容可以等效為一個(gè)理想電容器C和較小阻值的電阻Res（等效串聯(lián)阻抗）串聯(lián)，同時(shí)與一個(gè)較大阻值的電阻Rep（等效并聯(lián)阻抗）并聯(lián)。

通電狀態(tài)下，通過(guò)并聯(lián)內(nèi)阻Rep的放電電流Is稱(chēng)為漏電流，它影響超級(jí)電容的長(zhǎng)期儲(chǔ)能性能，并聯(lián)內(nèi)阻Rep通常很大，有幾10kΩ。采用大電流充電時(shí)，由于超級(jí)電容串聯(lián)等效電阻Res的存在，會(huì)使超級(jí)電容的充電效率一定程度的降低，因此需要考慮充電電流對(duì)超級(jí)電容的工作效率的影響，Res通常很小，一般只有幾10kΩ。

3超級(jí)電容的simulink模型與仿真

3.1超級(jí)電容的simulink模型

根據(jù)上面的數(shù)學(xué)模型，以某超級(jí)電容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立超級(jí)電容的MATLAB／Simulink模型[5]，如圖3所示。模型以充放電功率和溫度為輸入量，電壓、電流、SOC值為輸出量。對(duì)該模型進(jìn)行等功率充放電仿真。

3.2超級(jí)電容simulink模型的仿真[6]

假定模型的工作溫度恒定在25℃，電容工作電壓上限為1.4V，下限為0.8V，電容初始SOC值為0.8，對(duì)模型輸入一個(gè)循環(huán)等功率充放電，如圖4所示。模型輸出的電壓值、SOC值和電流值變化曲線(xiàn)如圖5、圖6和圖7所示。

圖5為超級(jí)電容的電壓變化曲線(xiàn)，超級(jí)電容電壓隨著放電由初始的1.28V降到了0.95V左右，隨著充電的進(jìn)行，電壓逐漸回升，最后回到1.25附近，電壓變化近似呈線(xiàn)性關(guān)系。由圖6可以看出，超級(jí)電容的SOC值隨著放電下降，隨著充電上升，其近似于呈線(xiàn)性關(guān)系，SOC由初始的0.8降到0.25左右，由于超級(jí)電容的內(nèi)阻存在阻耗，SOC值最終回到0.76附近。圖7為超級(jí)電容的電流變化曲線(xiàn)，隨著放電的進(jìn)行，SOC值逐漸下降電壓降低，由于是等功率充放電，所以放電時(shí)電流逐漸上升。充電時(shí)情況剛好相反，充電時(shí)隨著SOC值上升電壓升高，電流逐漸減小，其具體變化如圖7所示，超級(jí)電容的電流變化近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

4結(jié)論

超級(jí)電容是一種非常具有應(yīng)用前景的新型能源，本文對(duì)超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)功能特性進(jìn)行了研究，并通過(guò)模型的建立與仿真，驗(yàn)證了超級(jí)電容的充放電特性，為超級(jí)電容的應(yīng)用提供了參考。

參考文獻(xiàn)

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