車用鋰離子超級電容的性能實驗與建模研究

肖 璆， 艾賢策， 朱建新

(上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240)

車用鋰離子超級電容的性能實驗與建模研究

肖 璆， 艾賢策， 朱建新

(上海交通大學汽車電子技術研究所，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驗平臺依照相關標準進行了性能實驗。根據實驗數據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行估計和故障診斷，具有較強的工程價值。

鋰離子超級電容；性能實驗；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。由于傳統的超級電容比能量較低，目前超級電容通常應用于輕度混合車上，相關的研究表明超級電容可很好地提高車輛的經濟性。

與輕度混合動力車相比，深度混合動力車有更好的經濟性和動力性，為了將超級電容應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行了性能實驗。根據性能實驗數據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，并在模擬工況下驗證了模型的有效性。結果表明，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行剩余電量估計和故障診斷，具有較強的工程價值。

1 鋰離子超級電容的基本原理

傳統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，它兼有傳統超級電容和鋰離子電池的優點。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和負極上的吸附脫附反應存儲能量。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，從而導致比能量不高，而有機電解液雖然有較高的電壓窗口，但是導電性相對較差[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9 000 F。實驗用的超級電容包一共90個單體，分為6組，每組15個單體。其標稱容量為100 F，最大持續工作電流為200 A，循環壽命可達30 000次以上。

2 鋰離子超級電容HPPC實驗

2.1 混合脈沖功率性能實驗(HPPC)

圖2是通過混合脈沖功率性能實驗(HPPC)得到的鋰離子超級電容的開路電壓()與剩余電量()間的對應關系。傳統的超級電容的-關系近似為直線，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系

圖3為鋰離子超級電容器最小HPPC實驗得到的脈沖充放電功率能力與放電深度間的關系。從圖2和圖3中可見，鋰離子超級電容在較高時具有較為單一的電容特性，當較低時則表現出一定的電池特性。由于鋰離子超級電容器電池特性的影響，其脈沖充放電內阻在較低時會發生變化，相比較高點，此時的內阻會增大，在圖3中表現為功率曲線存在某種程度的彎曲。

圖3 HPPC實驗下脈沖功率與放電深度的關系

2.2 鋰離子超級電容的極化效應

對于動力電池，當有電流流過電極時，電池的電化學體系將偏離平衡狀態，電極的電位會偏離原來平衡的電位，這種現象稱為電極的極化。極化效應分為電化學極化、濃差極化以及電阻極化。電化學極化在電池的極化中占主導地位，與鋰離子電池相比，鋰離子超級電容的極化效應很小。極化效應的程度可以通過動力電池由工作狀態變為靜置后的開路電壓變化曲線來獲得。開路電壓到達平衡狀態所需的時間越長，其極化效應越大。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的雙電層電容的特性和原理建立，有的模型參數獲取方式復雜，而且這些模型不能準確描述鋰離子超級電容的特性[2]。本文根據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(20～50℃)內，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。文中的性能實驗都是在常溫下進行，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阻和放電內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，此時充放電電阻的差值在0.02 Ω以內，為了對模型進行簡化，本文近似認為此時充放電內阻相同，均取為放電時的內阻。

表1 模型參數識別結果

4 鋰離子超級電容模型的驗證

鋰離子超級電容的模型在實際工程應用前，需要對所建模型的精度的有效性進行了驗證。結合以上建立的模型，采用圖7所示的算法來驗證鋰離子超級模型，在仿真過程中需要實時地對鋰離子超級電容的性能參數進行修正。

圖7 鋰離子超級電容模型驗證算法

本文首先在室溫下根據該鋰離子超級電容器的模擬工況實驗得到了相應端電壓的變化曲線，然后在同樣的模擬工況下利用鋰離子超級電容模型進行仿真計算。端電壓的實驗結果與同樣工況下的模型仿真計算結果對比如圖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，說明該模型能夠比較好地模擬鋰離子超級電容的動態特性。

5 結論及展望

本文通過HPPC實驗研究了鋰離子超級電容的性能特性，實驗結果表明鋰離子超級電容同時具有超級電容和動力電池的特性。根據相關實驗數據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行剩余電量估計和故障診斷，具有較強的工程價值。本文建立的模型有一定的局限性，為了能夠對低溫和大電流下的鋰離子超級電容的性能進行準確模擬，需要進行更多的性能實驗并建立更加準確的模型。

圖8 模型與實驗的端電壓對比曲線

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

國家高技術研究發展計劃“863”項目（吉利深度混合動力轎車產業化技術攻關）（2011AA11A207）

肖璆（1990—），男，江西省人，碩士，主要研究方向為電動汽車儲能裝置。