超级电容的实际电参数模型与特性研究.doc

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1、工学硕士学位论文超级电容的实际电参数模型与特性研究姚雨迎哈尔滨工业大学2004年12月-国内图书分类号：TM151.3国际图书分类号：621.3工学硕士学位论文超级电容的实际电参数模型与特性研究硕士研究生：姚雨迎导师：徐殿国教授副 导 师：张东来副教授 申 请 学 位：工学硕士学科、专业：电力电子与电力传动所在单位：深圳研究生院答辩日期：2004年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Classified Index: TM151.3U.D.C: 621.3Dissertation for the Master Degree of EngineeringRESEARC

2、H ON MODEL AND CHARACTERISTICS OF SUPERCAPACITORCandidate:YaoYuyingSupervisor:Prof. Xu DianguoAssociate Supervisor:Associate Prof. Zhang DonglaiAcademic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty: Power Electronic and Motion ControlAffiliation: Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence:December

3、, 2004Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology - 20 -摘 要卫星、坦克等军用设备和电动车、公交车等民用交通工具的辅助电源主要是但由于超级电容是一种新的储能元件，国内外的研究还存在很多空白和未知的领域，从而限制了超级电容的广泛应用。本课题研究的目的在于为提供理论依据，为考察提供参考依据。本文通过实验测量了，仿真分析了，并了解了超级电容的基本特性，在对超级电容的充放电做进一步研究的基础上，给出实际系统中超级电容的计算方法。本文的研究内容主要包括以下几个方面：(1) 采用的方法，分析，建立，并研究。(2) 研

4、究，采用方法设计，提高，满足了的需求。(3) 通过设计，解决问题。(4) 根据特性，分析，给出计算方法。本文中由实验和仿真得到的结论反映了超级电容的实际电参数模型和应用特性，为超级电容在复杂系统中的进一步应用提供了理论基础；超级电容与蓄电池并联组合的计算方法对降低电源成本、延长蓄电池的寿命、优化系统设计具有一定的参考价值。关键词 超级电容；等效模型；谐振；蓄电池 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThe assistant or back-up energy supply systems of most military equipments (sucn as satellites

5、 and tanks) and civil vehicles (such as electric vehicles and buses) are mainly provided by storage batteries. When starting up the cars, a big current is required quickly from storage batteries, and if this situation repeats for many times, capacitance of the batteries will decrease seriously. So t

6、hey must be maintained or replaced periodically and an extra cost is needed. In the cold areas and winter time, temperature has such a heavy influence on storage batteries that they cant work normally. On the contrary, supercapacitors have such a better performance than traditional storage batteries

7、 of fast charging and discharging, high efficiency and reliability, free maintainance that they are suitable to spaceflights, aviation aircrafts and vehicles working in a terrible environment. Howerver, supercapacitors are new enery storage devices that their characteristics are not very clear, so t

8、hey cant be used widely.This thesis aims at establishing a practical electrical parameter model for the supercapacitor through experiments and simulations, analyzing the possibility and conditions of supercapacitor resonance, and providing some theoretical proof for designing satellites and superhig

9、h power pulse sources of new arms based on a thorough analysis of the effect that supercapacitors parameters have on the power sources. At the same time, a calculative method for batteries- supercapacitor combinatorial system is given to estimate the performance and reliability of the cars.In this t

10、hesis, the main electrical parameters of supercapacitors are measured and tested, for further applications, the charging and discharging processes of the supercapcitors are discussed in details. Totally speaking, the thesis includes the following parts:(1) A real electrical parameter model of the su

11、percapacitor is established and the probability and conditions of supercapacitor resonance are analyzed by means of simulations and experiments. (2) To meeting the application cases, charging methods and efficiency of supercapacitors are discussed in the thesis. The charging speed and safety problem

12、s are solved by designing a high current constant-current power supply device.(3) A simple, low-cost and reliable module is designed for the supercapacitor to avoid over-voltage and assure a higher energy storage efficiency when multiple supercapacitors are connected in series.(4) According to the c

13、haracteristics of supercapacitors and requirements of the application systems, an assigning and combining method is provided in this thesis so that supercapacitors can be used with storage batteries or as a standby power supply system.The conclusions in this thesis drawn from experiments and simulat

14、ions indicate the characteristics and rules of the supercapacitors which are important theoretical basis for their applications and the storage battery-supercapacitor system optimum method is of valuable worth for power supply system design.Keywords supercapacitor, equivalent model, resonance, stora

15、ge battery目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 本课题研究的目的及意义11.3 国内外相关技术发展现状21.3.1 国外超级电容的生产及发展状况21.3.2 国内超级电容的研究现状41.3.3 超级电容的应用研究现状51.3.4 超级电容在应用中需要解决的问题81.4本文主要研究内容9第2章超级电容实际电参数模型的建立102.1 引言102.2 电容器的性能指标和特点102.2.1普通电容器的性能指标102.2.2普通电容的类型及各自的特点112.2.3 超级电容的主要性能参数122.2.4超级电容的分类142.3超级电容等效串联内阻（ESR）的测量

16、152.3.1超级电容的等效模型152.3.2测量超级电容ESR的方法152.4 超级电容放电实验和漏电流的估算202.4.1实验过程及结果分析212.4.2影响超级电容放电速度的因素242.4.3 建立电参数模型262.5 本章小结26第3章超级电容谐振与充电特性研究283.1 引言283.2 RLC谐振电路的特点283.2.1 RLC谐振电路的特点283.2.2谐振电路振荡频率和品质因数定义293.3 超级电容串联谐振可能性与谐振条件研究293.3.1 串联谐振仿真实验方法303.3.2 串联谐振仿真实验结果313.4 超级电容并联谐振可能性与谐振条件研究323.4.1 并联谐振仿真实验方

17、法323.4.2 并联谐振仿真实验结果343.5 超级电容串联均压与保护电路设计343.5.1 超级电容串联均压的必要性分析343.5.2 超级电容串联均压的途径363.5.3 超级电容串联保护电路设计373.6本章小结38第4章超级电容充电器设计404.1 引言404.2电容器的充电方法的选择404.3 超级电容充电器硬件系统设计414.3.1 PWM控制器芯片UC3842414.3.2 IR2117驱动芯片424.4 超级电容充电器软件系统设计464.4.1 MC68HC908GP32单片机的资源464.4.2上位机和下位机之间的通信协议464.4.3 上位机用户程序的功能484.5 本章

18、小结49第5章超级电容在应用中的计算方法505.1引言505.2 超级电容计算方法的原理分析505.2.1 超级电容的放电过程分析505.2.2超级电容应用系统中的主要性能参数535.3 超级电容用作后备电源的计算方法实例分析535.3.1超级电容型号已知的解决方案545.3.2超级电容型号未知的解决方案555.4 超级电容和蓄电池的并联组合的计算方法565.4.1蓄电池的等效模型简介565.4.2 影响蓄电池的容量的因素575.4.3蓄电池和超级电容并联组合的计算方法585.5 本章小结60结 论61参考文献63攻读硕士期间发表的论文67哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明68哈尔滨工业大学

19、硕士学位论文使用授权书68致 谢69第1章 绪论1.1 课题背景本课题来源于，项目名称是。1.2 本课题研究的目的及意义本课题研究的目的和意义在于，从而.，达到的目的。1.3 国内外相关技术发展现状1.3.1 国外超级电容的生产及发展状况目前,在超级电容产业化方面，美国、日本、俄罗斯处于领先地位，几乎占据了整个超级电容市场。这些国家的超级电容产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势3。1.3.2 国内超级电容的研究现状1.3.3 超级电容的应用研究现状1.3.3.1 超级电容做混合型电动机车的启动或加速用辅助电源 目前，大部分内燃机车.1.3.3.2 超级电容是方便可靠的储能设备 超级

20、电容放电速度快、体积小、重量轻，可以为众多电子产品和存储器提供电源或后备电源，同时又可以提供大功率的脉冲电流，可以满足通讯设备对电源的要求。1.3.3.3 超级电容在电力系统中的应用 超级电容在电力系统中的应用主要有以下两个方面：(1)提高供电质量 在电力变配电所系统中，变配电设备主要是由直流电源装置直流屏来提供直流电源的。(2)UPS系统和应急电源 为了解决工厂车间因为停电而带来的经济损失，通常的储能设备是用UPS系统14.。1.3.3.4 超级电容在军用领域有重要用途 卫星等空间飞行器的电源大多是(1)调节飞行器配电系统的电压 电动飞行器配电系统直流线电压是270V，它是由一个400Hz的

21、交流电整流得到的，美国军用标准规定电压波动范围是250V280V。(2)提供军用重型车的动力 美国军方对超级电容用于重型卡车、装甲运兵车以及坦克很感兴趣1。.(3)提供激光设备的电源 激光探测器和激光武器需要大功率脉冲电源，超级电容.1.3.4 超级电容在应用中需要解决的问题(1)超级电容放电时端电压的衰减问题 当超级电容作为直流电源输出给负载时，由于电容的电荷减少，所以其电压也在下降。(2)超级电容器串并联模组的体积优化组合 单体超级电容的耐压比较小，在高压应用中需要许多电容的串联，但是多个电容串联的同时等效串联内阻也要增大，所以(3)超级电容串联均压和过压保护问题 由于单体电容器的容量有差

22、异，所以串联使用时电压分配不平衡。解决这个问题最简单的方法是(4)与蓄电池组合使用的计算方法 一般来说1.4本文主要研究内容在某些领域，。因此，本文主要研究内容有以下几个方面：(1)采用方法，分析，建立，并且研究了.。(2)为了需求，研究，设计，解决了.问题。(3)设计，解决了问题。(4)根据需求，给出方法，解决.的问题。第2章 超级电容实际电参数模型的建立2.1 引言本章从这一目的出发，采用。2.2 电容器的性能指标和特点2.2.1普通电容器的性能指标 2.2.2普通电容的类型及各自的特点2.2.3 超级电容的主要性能参数超级电容的主要性能参数决定于电容器电极、电解液的材质和制造工艺。超级电

23、容的性能参数主要有：(1) 电容容量：超级电容能够存储电荷的最大容量。(2) 等效串联内阻ESR（Equivalent Series Resistance）：当超级电容模拟成电阻、电容、电感的等效模拟电路时，其中串联部分的电阻就是等效串联内阻。(3) 理想存储能量：电容器存储能量的理想值。对于一个最简单的电化学电容器，其理想存储能量可以通过式(21)来计算。E= (2-1)式中 电容器的容量；电容器的工作电压(4) 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大输出功率，计算公式为式（22）所示。P= (2-2)式中 电容器的初始电压；ESR电容器的等效串联内阻2.2.4超级电

24、容的分类2.3超级电容等效串联内阻（ESR）的测量超级电容的ESR。2.3.1超级电容的等效模型超级电容的等效模型如下图2-1所示。图2-1 超级电容的等效模型Fig.2-1 Equivalent model of supercapacitor图中，。2.3.2测量超级电容ESR的方法2.3.2.1利用电压跃变计算ESR 由于电容ESR的影响，电容在充、放电(1)放电电压跃变法 这种方法的原理图如图2-2所示。图2-2 中，输出端子a 接至图2-2 测量ESR的实验电路Fig.2-2 Experiment circuit of measuring ESR(2)充电电压跃变法 此方法的实验原理如

25、图2-3所示。RC恒压电源函数记录仪R1图2-3 测量ESR的实验电路Fig.2-3 Experiment circuit of measuring ESR由公式(2-5)计算出等效串联电阻ESR20。 (2-5)式中 U0开始充电瞬间电容器两端电压，该电压可由函数记录仪记录的充电曲线得到2.3.2.2利用恒流充电计算ESR 利用恒流充电计算ESR的方法按照特点2.3.2.3时间常数法计算ESR 此方法的实验原理如图2-6所示RR0C0UR1K图2-6 测量ESR的实验电路Fig.2-6 Experiment circuit of measuring ESR2.3.2.4基于一阶滤波器的ESR

26、计算方法用超级电容和电阻组成一阶滤波器电路如图2-7所示，仿真电路原理图如图2-8所示。n5 图2-7 一阶滤波器的等效电路 图2-8 ESR仿真原理图Fig.2-7 Equivalent circuit of first-order filter Fig.2-8 Schematic of ESR simulating 2.4 超级电容放电实验和漏电流的估算2.4.1实验过程及结果分析用一个+5V直流电压源对600F/2.7V，300F/2.7V、50F/2.7V的三个超级行充电，可以得到600F、50F、300F超级电容的等效并联电阻分别如表2-3、表2-4、表2-5所示。表2-3 600F

27、的电容不同放电时段的等效并联电阻Table 2-3 EPR of 600F supercapacitor at different time放电时间(h)0-1010-2020-3034-4560-80120-140等效并联电阻()130347366428451658图2-12 三个不同容量的超级电容放电曲线比较Fig.2-12 Discharging curves comparison of three different supercapacitors表2-4 50F的电容在各个时段的等效并联电阻Table 2-4 EPR of 50F supercapacitor at differen

28、t time放电时间(h)0.550.55-1010-2023-3333-43等效并联电阻()21918549000878011250放电时间(h)92-102162173190200240250287297等效并联电阻()12183146942166032114492142.4.2影响超级电容放电速度的因素图2-14给出了一超级电容在充电至额定电压1V时并恒压保持图2-14 恒压时间对漏电流的影响Fig.2-14 Effect of constant voltage time on leakage current这种现象的原因可作如下解释：电极/溶液界面双电层由2.4.3 建立电参数模型2.

29、5 本章小结通过多次实验和仿真，对超级电容的实际电参数模型有了深入的理解，从而可以得出以下结论：(1) 由于超级电容充电没有到达其额定电压而且没有恒压保持一段时间，所以。(2) 如果。(3) 利用第3章 超级电容谐振与充电特性研究3.1 引言3.2 RLC谐振电路的特点3.2.1 RLC谐振电路的特点3.2.1.2 RLC并联谐振电路的特性 当外来频率加于一RLC并联谐振电路时,它有以下特性：(1)当外加频率(2)当外加频率(3)当外加频率3.2.2谐振电路振荡频率和品质因数定义RLC串联谐振的振荡频率是23： (3-1)RLC并联谐振的振荡频率是23： (3-2)谐振回路的品质因数Q（也称谐

30、振系数）反映的是谐振电路的性能23，定义为， (3-3)式中 谐振角频率； 串联谐振电路的特性阻抗，=3.3 超级电容串联谐振可能性与谐振条件研究3.3.1 串联谐振仿真实验方法 串联仿真实验所采用的电路原理如图3-1所示。图3-1中n112图3-1. 串联谐振仿真电路原理图Fig.3-1 Schematic diagram of series connection resonance simulation3.3.2 串联谐振仿真实验结果 根据以上的仿真结果，可以得出：(1) 超级电容是(2) 从仿真看来，3.4 超级电容并联谐振可能性与谐振条件研究 3.4.1 并联谐振仿真实验方法 3.4.

31、2 并联谐振仿真实验结果 3.5 超级电容串联均压与保护电路设计3.5.1 超级电容串联均压的必要性分析3.5.2 超级电容串联均压的途径(1)电阻均压电路 这种方法是(2)齐纳二极管稳压电路 这种方法(3)电力电子buck-boost 电路 解决电容矩阵电压平衡问题3.5.3 超级电容串联保护电路设计3.6本章小结本章问题，得出以下结论：(1)由于超级电容(2)要第4章 超级电容充电器设计4.1 引言4.2电容器的充电方法的选择 4.3 超级电容充电器硬件系统设计4.3.1 PWM控制器芯片UC3842 4.3.2 IR2117驱动芯片4.3.2.1 驱动芯片IR2117的主要功能特点 IR

32、2117是由4.3.2.2 自举电容的计算与选择 由于IR2117是依靠自举电容的充电来(1) 自举电路 Vbs 集成电路(2) 影响自举电源的因素 一般来讲，影响图4-6 IR2117的自举电路Fig.4-6 Bootstrap circuit of IR2117(3) 充电实验结果 采用本文设计的恒流电源对300F/2.7V和 600F/2.7V 图4-7 300F超级电容充电电流图 图4-8 600F超级电容充电电流图 Fig. 4-7 Charging current of 300F Fig. 4-8 Charging current of 600F supercapacitor su

33、percapacitor4.4 超级电容充电器软件系统设计4.4.1 MC68HC908GP32单片机的资源4.4.2上位机和下位机之间的通信协议4.4.3 上位机用户程序的功能4.5 本章小结第5章 超级电容在应用中的计算方法5.1引言5.2 超级电容计算方法的原理分析5.2.1 超级电容的放电过程分析 5.2.2超级电容应用系统中的主要性能参数5.3 超级电容用作后备电源的计算方法实例分析5.3.1 超级电容型号已知的解决方案 5.3.2 超级电容型号未知的解决方案5.4 超级电容和蓄电池的并联组合的计算方法5.4.1 蓄电池的等效模型简介发动机驱动5.4.2 影响蓄电池的容量的因素5.4

34、.3蓄电池和超级电容并联组合的计算方法5.5 本章小结本章。结 论电源是航空飞行器工作和运行的动力，空间处于高真空、强粒子辐射、深冷、温差大的恶劣环境，.本文研究，得到以下几个结论：(1) 在分析基础上，采用，建立了模型。(2) 根据分析了，应用中要充分考虑。(3) 通过.，设计了，实现了，从而满足了的需求。(4) 采用，解决了，提高了，保证了。(5) 根据.需求，分析，给出了计算方法本文中实验和仿真得到的结论反映了.为应用提供了理论基础。本文的研究成果具有良好的通用性，为提供了理论依据；同时，也可以。本文的结论具有重要的理论价值和实际价值。参考文献1 桂长清. 新型贮能单元超级电容器. 电池

35、工业. 2003,8(4):1631652 钟海云, 李荐, 戴艳阳等. 新型能源器件超级电容器研究发展最新动态. 电源技术. 2001,25(5):3693703 B.Siura. Ultra Capacitors Better Than Batteries for Hybrid Electric Vehicles. The battery man. 2001,9:16234 M.K.Kazimierczuk, R.C.Cravens. Application of Super Capacitors for Voltage Regulation in Aircraft Distributed

36、 Power Systems.IEEE.1996: 8358375 雷达萍, 沈长生. 怎样看无线电电路图. 人民邮电出版社, 1998:20226 周志敏. 周纪海. 开关电源实用技术设计与应用. 人民邮电出版社, 2003:2632657 刘慧银, 程建平, 龚光华. Motorola 微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用. 清华大学出版社. 2001: 141, 116118, 7275, 110攻读学位期间发表的学术论文1 姚雨迎, 张东来, 鲍志云, 秦海亮. 超级电容器ESR的测试方法研究. 测控技术. 2005,24(2), 已录用哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑

37、重声明：此处所提交的硕士学位论文 ，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字： 日期： 年 月 日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印

38、件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权哈尔滨工业大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理根据哈尔滨工业大学关于国家秘密载体保密管理的规定，毕业论文答辩必须由导师进行保密初审，外寄论文由科研处复审。涉密毕业论文，由学生按学校规定的统一程序在导师指导下填报密级和保密期限。本学位论文属于 保密，在 年解密后适用本授权书不保密（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日致 谢本文研究工作的顺利完成，首先感谢导师，感谢副导师,感谢对我的论文进行认真评阅以及提出修改意见的各位老师和同学，忠心的感谢您们。论文的撰写过程中还得到了实验室中各位师兄、师姐和其他同学的热情帮助，感谢他们为本文的研究工作所付出的辛勤劳动。在此向辛勤培育我成长的母校、导师和领导们致以由衷的感谢和崇高的敬意。