基于模型的牵引型超级电容器组均衡控制技术研究

摘要

储能设备无论是在先进能源技术领域还是在现代交通、武器装备、通讯设备、工业装卸以及日常生活生产中都起着非常重要的作用。超级电容器作为一种新型的储能器件以其所具有的比功率高、充电速度快、循环寿命长等优点在许多领域都有广泛的应用，尤其是在近年来掀起研发热潮的电动汽车上更是备受关注。无论是作为短途电动车的唯一能源，还是作为混合动力车的辅助能源，超级电容器都是优选器件之一。如何合理地使用超级电容器，最大限度地发挥其性能是该领域研究的热点。
　　由于超级电容器单体性能的差异，在串联充放电的过程中会产生单体剩余电量SOC（State-Of-Charge）变化速率不一致的问题，表现在单体电压变化的不均衡。如果不进行均衡管理，容量小的单体就会过充或过放，这将对超级电容器的循环使用寿命产生严重影响；同时容量大的又得不到充分利用。本文主要针对这一问题进行了研究。
　　研究了超级电容器等效电路模型。通过分析活性炭电极/水系电解液超级电容器充放电动态特性，建立了其外特性逼近等效电路模型。采用多参数联合求解的方法，使模型参数具有较高的精度。同时研究了模型参数的变化规律。所建模型可对超级电容器的应用性能进行仿真分析，也可用于超级电容器SOC预测，并对串联超级电容器组的均衡管理具有指导意义。
　　研究了超级电容器SOC预测方法。对超级电容器SOC与其开路稳态电压的关系进行了研究，得到了超级电容器SOC与其开路稳态电压的最小二乘曲线拟合关系式。在超级电容器等效电路模型基础上，提出了基于状态空间的超级电容器开路稳态电压预测方法。从而实现了基于状态空间的超级电容器SOC预测。该方法与超级电容器的自放电无关，不存在长期使用累积误差。
　　研究了串联超级电容器组快速均衡技术及其控制算法。分析了基于Buck-Boost变换器均衡方法的能量转移均衡过程。提出了升降压变换式飞渡电容均衡新方法，给出了电路参数的设计方法，研究了相应的均衡控制算法。该均衡方法电路结构简单，既避免了纯Buck-Boost变换器法在压差最大的两个单体相距较远时均衡效率低、速度慢的问题，又解决了纯飞渡电容法受飞渡电容与超级电容器组单体压差限制的问题。
　　最后，根据电动公交车的性能要求，从系统工作的可靠性和有利于均衡管理两方面考虑，对电动公交车超级电容器储能系统及其串并联结构进行了优化设计。由于单体串联数量众多，为提高均衡速度，采取两级分布式均衡技术方案，研制了车载超级电容器组均衡管理系统，实验结果表明，该系统对于长串超级电容器组具有良好的均衡效果，达到了保护超级电容器、提高其有限容量利用率的目的。

目录

基于模型的牵引型超级电容器组均衡控制技术研究

RESEARCH ON MODEL BASEDEQUALIZATION CONTROL TECHNOLOGYFOR TRACTIVE SUPER-CAPACITOR STACKS

摘 要

Abstract

目 录

绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器特点

1.2.2 应用研究发展状况

1.3 超级电容器模型

1.3.1 双电层容量计算模型

1.3.2 等效电路模型

1.4 现有电池SOC检测方法分析

1.5 串联超级电容组均衡技术

1.5.1 能量消耗型均衡

1.5.2 能量转移型均衡

1.6 本文的主要研究内容

第2章 牵引型超级电容器等效电路模型的建立

2.1 引言

2.2 牵引型超级电容器的动态特性分析及模型的建立

2.2.1 超级电容器动态特性分析

2.2.2 反映动态特性的模型的建立

2.3 模型参数辨识

2.3.1 等效串联电阻的辨识

2.3.2 分支一和分支二参数的辨识

2.3.3 分支三参数的辨识

2.3.4 分支四参数的辨识

2.3.5 电阻RL的辨识

2.3.6 可变参数的系数辨识

2.3.7 参数辨识结果

2.4 模型校验

2.5 本章小结

第3章 牵引型超级电容器SOC预测

3.1 引言

3.2 安时法的研究

3.2.1 安时法的原理及其改进

3.2.2 超级电容器放电库仑效率的测试

3.2.3 采用安时法预测SOC的结果与分析

3.3 超级电容器SOC与开路稳态电压关系的研究

3.4 基于状态空间的开路稳态电压预测

3.4.1 基于等效电路模型的开路稳态电压分析

3.4.2 状态预测

3.5 采用状态空间法预测SOC的结果与分析

3.6 本章小结

第4章 超级电容器组动态均衡控制技术

4.1 引言

4.2 升降压变换式飞渡电容均衡技术 及理论分析

4.2.1 电路结构的提出及工作原理描述

4.2.2 能量转移分析

4.2.3 均衡过程电流控制分析

4.3 升降压变换式飞渡电容均衡电路参数确定及控制算法

4.3.1 电路工作参数及电感和飞渡电容的确定

4.3.2 控制算法

4.4 仿真与实验研究

4.4.1 仿真研究

4.4.2 实验结果分析

本章小结

第5章 超级电容电动客车储能系统优化及监控技术

5.1 引言

5.2 电动客车用超级电容器 储能系统的设计

5.2.1 超级电容器数量的确定

5.2.2 超级电容器组串并联结构设计

5.2.3 超级电容器组性能测试

5.3 超级电容器组管理系统

5.3.1 两级分布式均衡技术

5.3.2 硬件实现方案

5.3.3 实验及分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历