金朝勇1，張炳力2，徐小東1，徐德勝2，談健2

（1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230001；2.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009）

摘要：超級電容是近年發(fā)展起來的一種新型儲能單元，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。在分析超級電容結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)超級電容的本身特性并結(jié)合超級電容試驗數(shù)據(jù)建立了超級電容的數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立了超級電容的Matlab／simulink模型，并對其進行了仿真研究。

引言

超級電容[1，2]在汽車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，不僅適合用作汽車發(fā)動機起動、動力轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的輔助能源，而且還可以與電池、燃料電池等結(jié)合用作電動汽車的輔助能源，從而達到提高電池壽命、彌補燃料電池比功率不足、最大限度地回收制動能量等效果。隨著超級電容技術(shù)的迅速發(fā)展，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。在介紹超級電容的結(jié)構(gòu)，并在研究超級電容充放電、內(nèi)阻等特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)建立了超級電容的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)超級電容的數(shù)學(xué)模型建立了超級電容的Matlab／simulink模型，并進行了仿真，對仿真結(jié)果進行分析，為超級電容以后在汽車中的應(yīng)用提供參考。

1超級電容的結(jié)構(gòu)

常用的碳電極的雙電層電容器結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示，雙電層超級電容是懸在電解質(zhì)中的兩個非活性多孔板，電壓加載到兩個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。雙電層電容的大小與電極電位和比表面積的大小有關(guān)，常常使用高比表面積的活性碳作為雙電層電容器的電極材料來增加電容量。

2超級電容的建模

2.1超級電容的等效電路

如圖2所示，超級電容可以等效為一個理想電容器C和較小阻值的電阻Res（等效串聯(lián)阻抗）串聯(lián)，同時與一個較大阻值的電阻Rep（等效并聯(lián)阻抗）并聯(lián)。

通電狀態(tài)下，通過并聯(lián)內(nèi)阻Rep的放電電流Is稱為漏電流，它影響超級電容的長期儲能性能，并聯(lián)內(nèi)阻Rep通常很大，有幾10kΩ。采用大電流充電時，由于超級電容串聯(lián)等效電阻Res的存在，會使超級電容的充電效率一定程度的降低，因此需要考慮充電電流對超級電容的工作效率的影響，Res通常很小，一般只有幾10kΩ。

3超級電容的simulink模型與仿真

3.1超級電容的simulink模型

根據(jù)上面的數(shù)學(xué)模型，以某超級電容實驗數(shù)據(jù)建立超級電容的MATLAB／Simulink模型[5]，如圖3所示。模型以充放電功率和溫度為輸入量，電壓、電流、SOC值為輸出量。對該模型進行等功率充放電仿真。

3.2超級電容simulink模型的仿真[6]

假定模型的工作溫度恒定在25℃，電容工作電壓上限為1.4V，下限為0.8V，電容初始SOC值為0.8，對模型輸入一個循環(huán)等功率充放電，如圖4所示。模型輸出的電壓值、SOC值和電流值變化曲線如圖5、圖6和圖7所示。

圖5為超級電容的電壓變化曲線，超級電容電壓隨著放電由初始的1.28V降到了0.95V左右，隨著充電的進行，電壓逐漸回升，最后回到1.25附近，電壓變化近似呈線性關(guān)系。由圖6可以看出，超級電容的SOC值隨著放電下降，隨著充電上升，其近似于呈線性關(guān)系，SOC由初始的0.8降到0.25左右，由于超級電容的內(nèi)阻存在阻耗，SOC值最終回到0.76附近。圖7為超級電容的電流變化曲線，隨著放電的進行，SOC值逐漸下降電壓降低，由于是等功率充放電，所以放電時電流逐漸上升。充電時情況剛好相反，充電時隨著SOC值上升電壓升高，電流逐漸減小，其具體變化如圖7所示，超級電容的電流變化近似呈線性關(guān)系。

4結(jié)論

超級電容是一種非常具有應(yīng)用前景的新型能源，本文對超級電容的結(jié)構(gòu)功能特性進行了研究，并通過模型的建立與仿真，驗證了超級電容的充放電特性，為超級電容的應(yīng)用提供了參考。

參考文獻

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