超级电容状态估计和高效充电算法研究

作     者：耿梦影 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高金辉

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：超级电容器 电压均衡 状态估计 参数识别 充电效率 

摘      要：人类对于能源的掌握和利用始终伴随着科技文明的进步而发展,特别是进入近现代以后,工业化进程加快,人类的各项生产活动对于能源的依赖性更是有增无减,能源短缺成为了中国乃至全世界所共同面临的最大挑战之一。随着化石燃料的日益耗竭,以及其消费对环境的有害影响,研究人员正把注意力集中在绿色解决方案上,如可再生清洁能源和新储能技术。目前,太阳能、风能等可再生的新能源的研究已经取得累累硕果,但是对新储能技术方面的研究还有待进一步的研究。超级电容器的研究与使用历史大约可以追溯到20世纪末,作为一种新型储能器件,其优点众多:例如高功率密度、环保、工作温度范围宽、免于后期维护等,因此被广泛应用新能源发电系统、轨道交通、军事设备等诸多领域,成为了当今世界能量技术领域备受瞩目的研究热点。怎样可以更好的提升能量效率成为了迫在眉睫的问题,本文针对上述问题,对超级电容器的状态估计和高效充电算法展开研究。由于超级电容单体工作电压较低,大概是1 V-3 V,因此在具体的系统中应用时,为了满足系统的电压要求,通常会将多个超级单体串联,构成超级电容器组使用。本文选取多单体串联超级电容器组作为研究对象,在多单体的串联超级电容器组里,各个单体之间由于生产工艺等因素的限制会造成容值、等效内阻和漏电流等参数的差异,从而导致引整个储能系统在充放电过程中出现电压不平衡的现象,给整个系统带来极大的安全隐患,甚至可能导致整个储能系统出现故障。针对这一问题,本文对目前常用的几种电压均衡方法进行了介绍,并对比分析了不同方法的优缺点。另外,在超级电容循环充放电使用的过程中,会发生老化,性能也会变差,因此,对储能系统中每个超容单体的健康状态（State of Health,SOH）进行在线估计是非常有必要的。现有的充电控制方法并没有明确地设计成能源效率最大化,这对超级电容器来说是至关重要的。首先,在超级电容器中存储的能量相同的情况下,能源效率最大化意味着从电源中消耗的能量更少,从而使充电系统更加环保绿色。其次,能源效率最大化意味着能源损失更小,从而减轻了供热,提高了系统的可靠性。为了实现这个目的,本文提出了一种适用于超级电容器的高效充电方法。指导思想是通过分析得出充电过程中能量效率最大化的充要条件,并通过对超级电容器SOH状态进行实时估计,然后用估计参数值代替其标称值进行充电决策计算。进行了Simulink/Matlab仿真实验,验证了高效充电算法的有效性和优越性。