哈工大硕士论文模版.docx

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哈工大硕士论文模版

超级电容的实际电参数模型与特性研究

硕士研究生：

导师：

副导师：

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

ClassifiedIndex:

TM151.3

U.D.C:

621.3

DissertationfortheMasterDegreeofEngineering

RESEARCHONMODELANDCHARACTERISTICSOFSUPERCAPACITOR

Candidate:

YaoYuying

Supervisor:

Prof.XuDianguo

AssociateSupervisor:

AssociateProf.ZhangDonglai

AcademicDegreeAppliedfor:

MasterofEngineering

Specialty:

PowerElectronicandMotionControl

Affiliation:

ShenzhenGraduateSchool

DateofDefence:

December,2004

Degree-Conferring-Institution:

HarbinInstituteofTechnology

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

Abstract

Theassistantorback-upenergysupplysystemsofmostmilitaryequipments（sucnassatellitesandtanks）andcivilvehicles（suchaselectricvehiclesandbuses）aremainlyprovidedbystoragebatteries.Whenstartingupthecars,abigcurrentisrequiredquicklyfromstoragebatteries,andifthissituationrepeatsformanytimes,capacitanceofthebatterieswilldecreaseseriously.Sotheymustbemaintainedorreplacedperiodicallyandanextracostisneeded.Inthecoldareasandwintertime,temperaturehassuchaheavyinfluenceonstoragebatteriesthattheycan’tworknormally.Onthecontrary,supercapacitorshavesuchabetterperformancethantraditionalstoragebatteriesoffastcharginganddischarging,highefficiencyandreliability,freemaintainancethattheyaresuitabletospaceflights,aviationaircraftsandvehiclesworkinginaterribleenvironment.Howerver,supercapacitorsarenewenerystoragedevicesthattheircharacteristicsarenotveryclear,sotheycan’tbeusedwidely.

Thisthesisaimsatestablishingapracticalelectricalparametermodelforthesupercapacitorthroughexperimentsandsimulations,analyzingthepossibilityandconditionsofsupercapacitorresonance,andprovidingsometheoreticalprooffordesigningsatellitesandsuperhighpowerpulsesourcesofnewarmsbasedonathoroughanalysisoftheeffectthatsupercapacitor’sparametershaveonthepowersources.Atthesametime,acalculativemethodforbatteries-supercapacitorcombinatorialsystemisgiventoestimatetheperformanceandreliabilityofthecars.

Inthisthesis,themainelectricalparametersofsupercapacitorsaremeasuredandtested,forfurtherapplications,thecharginganddischargingprocessesofthesupercapcitorsarediscussedindetails.Totallyspeaking,thethesisincludesthefollowingparts:

（1）Arealelectricalparametermodelofthesupercapacitorisestablishedandtheprobabilityandconditionsofsupercapacitorresonanceareanalyzedbymeansofsimulationsandexperiments.

（2）Tomeetingtheapplicationcases,chargingmethodsandefficiencyofsupercapacitorsarediscussedinthethesis.Thechargingspeedandsafetyproblemsaresolvedbydesigningahighcurrentconstant-currentpowersupplydevice.

（3）Asimple,low-costandreliablemoduleisdesignedforthesupercapacitortoavoidover-voltageandassureahigherenergystorageefficiencywhenmultiplesupercapacitorsareconnectedinseries.

（4）Accordingtothecharacteristicsofsupercapacitorsandrequirementsoftheapplicationsystems,anassigningandcombiningmethodisprovidedinthisthesissothatsupercapacitorscanbeusedwithstoragebatteriesorasastandbypowersupplysystem.

Theconclusionsinthisthesisdrawnfromexperimentsandsimulationsindicatethecharacteristicsandrulesofthesupercapacitorswhichareimportanttheoreticalbasisfortheirapplicationsandthestoragebattery-supercapacitorsystemoptimummethodisofvaluableworthforpowersupplysystemdesign.

Keywordssupercapacitor,equivalentmodel,resonance,storagebattery

目录

摘要I

AbstractI

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2本课题研究的目的及意义1

1.3国内外相关技术发展现状2

1.3.1国外超级电容的生产及发展状况2

1.3.2国内超级电容的研究现状4

1.3.3超级电容的应用研究现状5

1.3.4超级电容在应用中需要解决的问题8

1.4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10

2.1引言10

2.2电容器的性能指标和特点10

2.2.1普通电容器的性能指标10

2.2.2普通电容的类型及各自的特点11

2.2.3超级电容的主要性能参数12

2.2.4超级电容的分类14

2.3超级电容等效串联内阻（ESR）的测量15

2.3.1超级电容的等效模型15

2.3.2测量超级电容ESR的方法15

2.4超级电容放电实验和漏电流的估算20

2.4.1实验过程及结果分析21

2.4.2影响超级电容放电速度的因素24

2.4.3建立电参数模型26

2.5本章小结26

第3章超级电容谐振与充电特性研究28

3.1引言28

3.2RLC谐振电路的特点28

3.2.1RLC谐振电路的特点28

3.2.2谐振电路振荡频率和品质因数定义29

3.3超级电容串联谐振可能性与谐振条件研究29

3.3.1串联谐振仿真实验方法30

3.3.2串联谐振仿真实验结果31

3.4超级电容并联谐振可能性与谐振条件研究32

3.4.1并联谐振仿真实验方法32

3.4.2并联谐振仿真实验结果34

3.5超级电容串联均压与保护电路设计34

3.5.1超级电容串联均压的必要性分析34

3.5.2超级电容串联均压的途径36

3.5.3超级电容串联保护电路设计37

3.6本章小结38

第4章超级电容充电器设计40

4.1引言40

4.2电容器的充电方法的选择40

4.3超级电容充电器硬件系统设计41

4.3.1PWM控制器芯片UC384241

4.3.2IR2117驱动芯片42

4.4超级电容充电器软件系统设计46

4.4.1MC68HC908GP32单片机的资源46

4.4.2上位机和下位机之间的通信协议46

4.4.3上位机用户程序的功能48

4.5本章小结49

第5章超级电容在应用中的计算方法50

5.1引言50

5.2超级电容计算方法的原理分析50

5.2.1超级电容的放电过程分析50

5.2.2超级电容应用系统中的主要性能参数53

5.3超级电容用作后备电源的计算方法实例分析53

5.3.1超级电容型号已知的解决方案54

5.3.2超级电容型号未知的解决方案55

5.4超级电容和蓄电池的并联组合的计算方法56

5.4.1蓄电池的等效模型简介56

5.4.2影响蓄电池的容量的因素57

5.4.3蓄电池和超级电容并联组合的计算方法58

5.5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的交流电整流得到的，美国军用标准规定电压波动范围是250V－280V。

……

（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（EquivalentSeriesResistance）：

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（2－1）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（2－2）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.2-1Equivalentmodelofsupercapacitor

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.2-2ExperimentcircuitofmeasuringESR

（2）充电电压跃变法此方法的实验原理如图2-3所示。

图2-3测量ESR的实验电路

Fig.2-3ExperimentcircuitofmeasuringESR

由公式（2-5）计算出等效串联电阻ESR[20]。

（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……

图2-6测量ESR的实验电路

Fig.2-6ExperimentcircuitofmeasuringESR

2.3.2.4基于一阶滤波器的ESR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。

图2-7一阶滤波器的等效电路图2-8ESR仿真原理图

Fig.2-7Equivalentcircuitoffirst-orderfilterFig.2-8SchematicofESRsimulating

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2-3600F的电容不同放电时段的等效并联电阻

Table2-3EPRof600Fsupercapacitoratdifferenttime

放电时间（h）0-1010-2020-3034-4560-80120-140

等效并联电阻（Ω）130347366428451658

图2-12三个不同容量的超级电容放电曲线比较

Fig.2-12Dischargingcurvescomparisonofthreedifferentsupercapacitors

表2-450F的电容在各个时段的等效并联电阻

Table2-4EPRof50Fsupercapacitoratdifferenttime

放电时间（h）0.550.55-1010-2023-3333-43

等效并联电阻（Ω）21918549000878011250

放电时间（h）92-102162－173190－200240－250287－297

等效并联电阻（Ω）1218314694216603211449214

2.4.2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.2-14Effectofconstantvoltagetimeonleakagecurrent

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

2.5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

3.2RLC谐振电路的特点

3.2.1RLC谐振电路的特点

3.2.1.2RLC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……

图3-1.串联谐振仿真电路原理图

Fig.3-1Schematicdiagramofseriesconnectionresonancesimulation

3.3.2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

3.4.2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

4.3.1PWM控制器芯片UC3842

4.3.2IR2117驱动芯片

4.3.2.1驱动芯片IR2117的主要功能特点IR2117是