一种超级电容器的缩比模型设计方法

摘要

一种超级电容器的缩比模型设计方法，属于航空电气系统领域。采用超级电容器并网二阶模型，根据相似原理，考虑超级电容器的电气性质及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量，设置相应的相似常数，这些相似常数通过控制方程联系，最终得到超级电容器二阶模型总的缩比公式和模型，依据缩比后的二阶模型选型后试验预测实际电气系统中超级电容的充放电特性。

说明书

技术领域

本发明属于航空电气系统领域，特别涉及一种超级电容器的缩比模型设计方法。

背景技术

超级电容器是一种新型的储能装置，具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、放电脉冲电流大等特点，并且能在需要提供瞬时大功率支持、负荷频繁波动的系统中提高系统的可靠性和稳定性。先进的军事作战体系要求飞行器具备搭载高能武器设备的能力，但传统机载能源不能满足高能武器接近兆瓦级的能源需求，使用超级电容器供能则是解决这一问题的重要途径。

由于超级电容充放电时的非线性特征，难以进行精确的计算，目前超级电容器常用的理论模型有一阶模型、二阶模型等。虽然目前已有一些针对小容量超级电容电气特性的试验，但是实际用于高能武器设备的大容量超级电容器相关数据缺乏。

由于包含实际高能武器设备的电气系统造价昂贵且系统复杂，对整个系统进行进行实物研究代价高甚至难以操作，需要针对超级电容器设计缩比模型进行试验研究。通过对缩比模型的试验，可以用于预测实际电气系统中超级电容器的充放电特性，对超级电容器的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种超级电容器的缩比模型设计方法，即根据超级电容器的结构特点，基于缩比相似理论，设计一种超级电容器的缩比模型，可以降低成本与试验难度，便于进行更深入的试验研究。

本发明所采用的技术方案是：

一种超级电容器的缩比模型设计方法，采用超级电容器并网二阶模型，根据相似原理，考虑超级电容器的电气性质及缩比模型应用场合，针对研究目标设定需要控制的典型物理量，设置相应的相似常数，这些相似常数通过控制方程联系，最终得到超级电容器二阶模型总的缩比公式和模型，依据缩比后的二阶模型选型后试验预测实际电气系统中超级电容的充放电特性。

作为优选，所述的超级电容器二阶模型总的缩比公式，其具体实现包括以下步骤：

步骤1：根据超级电容器二阶模型得到相关电气特性方程：

其中，u

步骤2：确定超级电容器二阶模型中的各参数。根据实际超级电容器的主要参数进行二阶模型的参数辨识，得到二阶模型中各参数的对应关系式：

其中，ΔV为恒电流充电时初始时刻充电电源的电压值，ΔT为充电至电压基本稳定所需的时间，T为根据实际工况确定的电压自调整支路的时间常数，U

步骤3：设缩比因子用k来表示，根据相似理论，推导出超级电容器二阶模型中关键参数的缩比公式：

其中，

作为优选，所述的缩比模型考虑缩比后超级电容器的容量变为原来的1/k，并且缩比后超级电容器额定电压保持不变，则缩比后超级电容器二阶模型中的电压自调整支路电容和瞬间支路电容变为原来的1/k，超级电容器电容变为原来的1/k。

缩比后超级电容器二阶模型中电压自调整支路的串联电阻变为原来的k倍，超级电容器等效内阻变为原来的k倍。

缩比后超级电容器二阶模型中自放电支路中的电阻值变为原来的k倍，超级电容器漏电流变为原来的1/k。

缩比后超级电容器总电流变为原来的1/k。

本发明的的有益技术效果体现在以下方面：采用本发明所提出的缩比模型设计方法，设计出的缩比模型可以有效的反映原模型的电气特性，可以利用其选型后进行试验研究，降低试验成本，缩短试验周期，对于带有超级电容器的大型电气系统的研究具有较好的经济效益。

附图说明

图1为超级电容器结构图。

图2为超级电容器二阶模型示意图。

图3为缩比模型设计实施流程图。

图4为二阶模型电压充电特性曲线对比图。

图中：1电解液，2隔膜，3电极板。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，超级电容二阶模型如图所示，该模型由3条支路构成，R

本实施例实施流程图参见图2，具体采用以下步骤。

步骤1：根据实际超级电容器主要性能参数，进行实际超级电容器二阶模型的参数辨识。选取某一实际超级电容器主要性能参数如表1。

表1超级电容器主要性能参数

参数辨识具体结果如下：

步骤2：根据实际超级电容器具体使用条件，确定缩比限制条件，使用缩比模型进行转换。缩比公式如下：

本实施例中选取缩比因子k为10，选用的缩比限制条件为缩比后超级电容器的容量变为原来的1/10，缩比后超级电容器额定电压保持不变，缩比后时间常数保持不变。各参数对应的缩比因子取值如下：

表2各参数对应的缩比因子

通过保证各物理量的缩比关系来保证缩比模型的准确性，缩比后二阶模型中的瞬间支路电容和电压自调整支路电容变为原来的1/10，瞬间支路串联电阻和电压自调整支路串联电阻变为原来的10倍，自放电支路中的电阻值变为原来的10倍。具体参数变化如下：

表3二阶模型参数

步骤3：通过缩比后的二阶模型选择的相对应的用于试验的超级电容器的主要参数如表4。

表4缩比后超级电容器主要性能参数

最后对缩比后选型的超级电容器进行试验，通过缩比系数10反映实际超级电容器在电气系统中的电气特性。

为验证缩比模型设计方法的有效性，借助AMESIM对充电电流3A，额定电压27V的超级电容缩比前后的二阶模型充电特性进行对比分析，得到二阶模型电压充电特性曲线对比图如图4，原模型和缩比模型基本一致，验证了缩比模型设计方法的有效性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。