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1、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Classified Index: TM151.3U.D.C: 621.3Dissertation for the Master Degree of EngineeringRESEARCH ON MODEL AND CHARACTERISTICS OF SUPERCAPACITORCandidate: YaoYuyingSupervisor: Prof. Xu Dian

2、guoAssociate Supervisor: Associate Prof. Zhang DonglaiAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Power Electronic and Motion ControlAffiliation: Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence: December, 2004Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology摘 要卫星、坦克等军用设备和电动车、公交车

3、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

4、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 AbstractThe assistant or back-up energy supply systems of most military equipments (sucn as satellites and tanks) and civil vehicles (such as electric vehicles and buses) are mainly provided by storage batteries

5、. When starting up the cars, a big current is required quickly from storage batteries, and if this situation repeats for many times, capacitance of the batteries will decrease seriously. So they must be maintained or replaced periodically and an extra cost is needed. In the cold areas and winter tim

6、e, temperature has such a heavy influence on storage batteries that they cant work normally. On the contrary, supercapacitors have such a better performance than traditional storage batteries of fast charging and discharging, high efficiency and reliability, free maintainance that they are suitable

7、to spaceflights, aviation aircrafts and vehicles working in a terrible environment. Howerver, supercapacitors are new enery storage devices that their characteristics are not very clear, so they cant be used widely.This thesis aims at establishing a practical electrical parameter model for the super

8、capacitor through experiments and simulations, analyzing the possibility and conditions of supercapacitor resonance, and providing some theoretical proof for designing satellites and superhigh power pulse sources of new arms based on a thorough analysis of the effect that supercapacitors parameters

9、have on the power sources. At the same time, a calculative method for batteries- supercapacitor combinatorial system is given to estimate the performance and reliability of the cars.In this thesis, the main electrical parameters of supercapacitors are measured and tested, for further applications, t

10、he charging and discharging processes of the supercapcitors are discussed in details. Totally speaking, the thesis includes the following parts:(1) A real electrical parameter model of the supercapacitor is established and the probability and conditions of supercapacitor resonance are analyzed by me

11、ans of simulations and experiments. (2) To meeting the application cases, charging methods and efficiency of supercapacitors are discussed in the thesis. The charging speed and safety problems are solved by designing a high current constant-current power supply device.(3) A simple, low-cost and reli

12、able module is designed for the supercapacitor to avoid over-voltage and assure a higher energy storage efficiency when multiple supercapacitors are connected in series.(4) According to the characteristics of supercapacitors and requirements of the application systems, an assigning and combining met

13、hod is provided in this thesis so that supercapacitors can be used with storage batteries or as a standby power supply system.The conclusions in this thesis drawn from experiments and simulations indicate the characteristics and rules of the supercapacitors which are important theoretical basis for

14、their applications and the storage battery-supercapacitor system optimum method is of valuable worth for power supply system design.Keywords supercapacitor, equivalent model, resonance, storage battery 目 录摘 要 IAbstract I第1章 绪论 11.1 课题背景 11.2 本课题研究的目的及意义 11.3 国内外相关技术发展现状 21.3.1 国外超级电容的生产及发展状况 21.3.2

15、国内超级电容的研究现状 41.3.3 超级电容的应用研究现状 51.3.4 超级电容在应用中需要解决的问题 81.4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 102.1 引言 102.2 电容器的性能指标和特点 102.2.1普通电容器的性能指标 102.2.2普通电容的类型及各自的特点 112.2.3 超级电容的主要性能参数 122.2.4超级电容的分类 142.3超级电容等效串联内阻（ESR）的测量 152.3.1超级电容的等效模型 152.3.2 测量超级电容ESR的方法 152.4 超级电容放电实验和漏电流的估算 202.4.1实验过程及结果分析 212.4.2影响超级

16、电容放电速度的因素 242.4.3 建立电参数模型 262.5 本章小结 26第3章 超级电容谐振与充电特性研究 283.1 引言 283.2 RLC谐振电路的特点 283.2.1 RLC谐振电路的特点 283.2.2谐振电路振荡频率和品质因数定义 293.3 超级电容串联谐振可能性与谐振条件研究 293.3.1 串联谐振仿真实验方法 303.3.2 串联谐振仿真实验结果 313.4 超级电容并联谐振可能性与谐振条件研究 323.4.1 并联谐振仿真实验方法 323.4.2 并联谐振仿真实验结果 343.5 超级电容串联均压与保护电路设计 343.5.1 超级电容串联均压的必要性分析 343.

17、5.2 超级电容串联均压的途径 363.5.3 超级电容串联保护电路设计 373.6本章小结 38第4章 超级电容充电器设计 404.1 引言 404.2电容器的充电方法的选择 404.3 超级电容充电器硬件系统设计 414.3.1 PWM控制器芯片UC3842 414.3.2 IR2117驱动芯片 424.4 超级电容充电器软件系统设计 464.4.1 MC68HC908GP32单片机的资源 464.4.2上位机和下位机之间的通信协议 464.4.3 上位机用户程序的功能 484.5 本章小结 49第5章 超级电容在应用中的计算方法 505.1引言 505.2 超级电容计算方法的原理分析 5

18、05.2.1 超级电容的放电过程分析 505.2.2超级电容应用系统中的主要性能参数 535.3 超级电容用作后备电源的计算方法实例分析 535.3.1 超级电容型号已知的解决方案 545.3.2 超级电容型号未知的解决方案 555.4 超级电容和蓄电池的并联组合的计算方法 565.4.1 蓄电池的等效模型简介 565.4.2 影响蓄电池的容量的因素 575.4.3蓄电池和超级电容并联组合的计算方法 585.5 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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、荷的最大容量。(2) 等效串联内阻ESR（Equivalent Series Resistance）：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(21)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（22）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

24、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.2-1 Equivalent model of supercapacitor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.2-2 Experiment circuit of measuring ESR(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-

25、3 Experiment circuit of measuring ESR由公式(2-5)计算出等效串联电阻ESR20。(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.2-6 Experiment circuit of measuring ESR2.3.2.4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

26、滤波器的等效电路 图2-8 ESR仿真原理图Fig.2-7 Equivalent circuit of first-order filter Fig.2-8 Schematic of ESR simulating2.4 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2-3 600F的电容不同放电时段的等效并联电阻Table 2-3 EPR of 600F supercapacitor at

27、 different time放电时间(h) 0-10 10-20 20-30 34-45 60-80 120-140等效并联电阻() 130 347 366 428 451 658图2-12 三个不同容量的超级电容放电曲线比较Fig.2-12 Discharging curves comparison of three different supercapacitors表2-4 50F的电容在各个时段的等效并联电阻Table 2-4 EPR of 50F supercapacitor at different time放电时间(h) 0.55 0.55-10 10-20 23-33 33-4

28、3等效并联电阻() 219 1854 9000 8780 11250放电时间(h) 92-102 162173 190200 240250 287297等效并联电阻() 12183 14694 21660 32114 492142.4.2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.2-14 Effect of constant voltage time on leakage current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

29、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3.2 RLC谐振电路的特点3.2.1 RLC谐振电路的特点3.2.1.2 RLC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-

30、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.3-1 Schematic diagram of series connection resonance simulation3.3.2 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4.3.1 PWM控制器芯片UC3842 4.3.2 IR2117驱动芯片4.3.2.1 驱动芯片IR2117的主要功能特点 IR2117是