一种超级电容的等效电路模型及构建方法技术

本发明专利技术公开了一种超级电容的等效电路模型，涉及电池管理系统技术领域，包括超级电容、内阻开关控制模块、非线性等效电路模型模块、端电压模块和迟滞电压补偿模块，并依次串联连接。本发明专利技术公开了一种超级电容的等效电路模型构建方法，包括S100、充电放电测试，S200、参数辨识，S300、实际工况参数验证。能够准确的拟合超级电容的充电放电特性，解决了现有的超级电容模型由于精度低和实时性差导致的SOC估计误差较大的问题。差较大的问题。差较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种超级电容的等效电路模型及构建方法


[0001]本专利技术涉及电池管理系统
，尤其涉及一种超级电容的等效电路模型及构建方法。

技术介绍

[0002]超级电容作为一种新的储能装置，被广泛应用于太阳能和风能发电储能系统、新能源汽车等领域。
[0003]如同传统燃油车的油表，新能源汽车也需要给予使用者剩余里程或剩余电量等信息，且剩余电量或里程信息的准确性也会给使用者提供便利，减少了行驶过程中的里程焦虑，还能尽量避免超级电容的过充过放等影响寿命的行为。新能源汽车中的“油表”需要通过监测到的超级电容输出电流与电压等数据实现对剩余电量的估计，这个过程就是荷电状态(State of Charge，SOC)估计。为了得到剩余行驶里程信息，需要建立汽车使用的超级电容模型，这个模型模拟了超级电容在为汽车提供动力及充电时的特性，通过算法对模型计算可以近似得到剩余里程。对汽车“油量”信息的计算准确性与所建立模型的准确程度有很大相关性，需要模型全面精确的反映超级电容的充电放电行为。影响超级电容模型精度的因素有多种，其中内阻控制与迟滞电压补偿具有较明显的作用。电池模型中的等效电路模型因其复杂度适中且具有较高精确度，常被用作超级电容模型。本专利技术提供一种高精度的超级电容的等效电路模型，具有实际意义。
[0004]中国专利授权号CN107677892B，公告日2019.8.23，公开了一种超级电容的等效电路模型结构及验证方法。等效电路模型结构主要由受控电流源、虚拟开关、快速电阻、慢速电阻、漏电电阻、可变电容、固定电容等元件组成。该专利技术存在缺点，模型未对开路电压迟滞效应进行补偿，这将导致SOC估计中产生更多误差；固定电阻不能精确模拟在超级电容充电放电过程中的内阻变化。
[0005]中国专利授权号CN110208704B，公告日2021.8.6，公开了一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法和系统。该专利技术存在缺点，在不同倍率电流放电实验时皆采用同一种内阻
‑
SOC函数，这将导致在电流大小不同时内阻与实际值的偏差较大，影响模型精度。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于开发一种储能电池的等效电路模型及构建方法。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是开路电压迟滞效应和忽略了不同电流充电放电时内阻变化不同而产生的误差。
[0008]本专利技术的一个实施例中，提供了一种超级电容的等效电路模型，含内阻控制与迟滞补偿的等效电路模型结构，包括：
[0009]超级电容，提供电池的电压及容量；
[0010]内阻开关控制模块，提供精确的内阻变化规律以提高模型精度；
[0011]非线性等效电路模型模块，模拟超级电容的老化、极化；
[0012]端电压模块，连接超级电容与外部，保证超级电容充电放电；
[0013]迟滞电压补偿模块，由状态方程预测，利用电压装置对迟滞电压在电路中进行补偿，减少对模型精度造成的影响；
[0014]超级电容、内阻开关控制模块、非线性等效电路模型模块、端电压模块和迟滞补偿模块依次串联连接。
[0015]进一步地，在上述实施例中的超级电容的等效电路模型中，电压关系如为：
[0016]U
OC
＝U
ter
+U1+U
H
+U
C0
+U0ꢀꢀꢀ
(1)
[0017]其中U
OC
为超级电容的等效电路模型的开路电压，U
ter
为端电压，U1为极化电阻R1和极化电容C1并联部分两端电压，U
H
为迟滞电压，U
C0
为积分电容两端电压，U0为内阻开关控制模块电压。
[0018]可选地，在上述任一实施例中的超级电容的等效电路模型中，端电压模块为负载时，为放电模式，电流从超级电容的正极流向负极；端电压模块为电源时，为充电模式，电流从电源正极流向负极。
[0019]专利技术人在对超级电容模型进行具体研究前，获取了SOC与开路电压(Open circuit voltage，OCV)关系函数。在SOC的整个范围内，对应SOC处充电时开路电压高于放电时开路电压。这是因为内阻在充电时电压叠加到开路电压，而放电时相反的减少开路电压，通过静置就可使充电、放电开路电压趋近，可发现迟滞电压是真实存在的。
[0020]进一步地，在上述任一实施例中的超级电容的等效电路模型中，充电放电开路电压取平均值时的SOC
‑
OCV函数关系为：
[0021][0022]其中OCV
c
为充电开路电压，OCV
d
为放电开路电压，OCV
a
为平均开路电压。
[0023]进一步地，在上述实施例中的超级电容的等效电路模型中，内阻开关控制模块包括开关S、初始内阻R0、小电流幅值补偿内阻R
cd
，大电流幅值充电补偿内阻R
c
、大电流幅值放电补偿内阻R
d
，初始内阻R0、小电流幅值补偿内阻R
cd
，大电流幅值充电补偿内阻R
c
、大电流幅值放电补偿内阻R
d
并联连接，由开关S选择补偿内阻实现内阻的精确控制。
[0024]进一步地，在上述实施例中的超级电容的等效电路模型中，内阻开关控制模块在小电流充电状态和小电流放电状态、大电流充电状态和大电流放电状态时分别选择用初始内阻R0并联小电流幅值补偿内阻R
cd
、大电流幅值充电补偿内阻R
c
、大电流幅值放电补偿内阻R
d
调节，按照当前时刻SOC查表配置内阻，充电时内阻逐渐减小，放电时内阻逐渐增大，设置初始内阻R0电阻值高于超级电容额定内阻。
[0025]进一步地，在上述实施例中的超级电容的等效电路模型中，小电流充电状态和小电流放电状态，并联电阻R0与R
cd
关系为：
[0026][0027][0028]大电流充电状态，并联电阻R0与R
c
关系为：
[0029][0030]R
c
变化范围为：
[0031][0032]大电流放电状态，并联电阻R0与R
d
关系为：
[0033][0034]R
d
变化范围为：
[0035][0036]其中，a、x为常数。
[0037]专利技术人分析，由于开路电压的迟滞效应，即在实时充电放电时同一SOC对应两个开路电压，不符合OCV
‑
SOC函数一一对应关系，影响OCV
‑
SOC关系的准确性。对迟滞电压的补偿是通过在超级电容的等效电路模型中增加迟滞电压补偿模块，迟滞电压补偿模块受到电流及SOC的影响。
[0038]进一步地，在上述实施例中的超级电容的等效电路模型中，迟滞电压补偿模块包括电流继电器KA1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超级电容的等效电路模型，其特征在于，包括：超级电容，提供电池的电压及容量；内阻开关控制模块，提供精确的内阻变化规律以提高所述超级电容的等效电路模型精度；非线性等效电路模型模块，模拟所述超级电容的老化、极化；端电压模块，连接所述超级电容与外部，保证所述超级电容充电放电；迟滞电压补偿模块，由状态方程预测，利用电压装置对迟滞电压在电路中进行补偿，减少对所述模型精度造成的影响；所述超级电容、所述内阻开关控制模块、所述非线性等效电路模型模块、所述端电压模块和所述迟滞补偿模块依次串联连接。2.如权利要求1所述的超级电容的等效电路模型，其特征在于，所述模型电压关系如为：U
OC
＝U
ter
+U1+U
H
+U
C0
+U0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)。3.如权利要求2所述的超级电容的等效电路模型，其特征在于，所述端电压模块为负载时，为放电模式，电流从所述超级电容的正极流向负极；所述端电压模块为电源时，为充电模式，电流从所述电源正极流向负极。4.如权利要求3所述的超级电容的等效电路模型，其特征在于，所述内阻开关控制模块包括开关S、初始内阻R0、小电流幅值补偿内阻R
cd
，大电流幅值充电补偿内阻R
c
、大电流幅值放电补偿内阻R
d
，初始内阻R0、小电流幅值补偿内阻R
cd
，大电流幅值充电补偿内阻R
c
、大电流幅值放电补偿内阻R
d
并联连接，由开关S选择补偿内阻实现内阻的精确控制。5.如权利要求4所述的超级电容的等效电路模型，其特征在于，所述内阻开关控制模块在小电流充电状态和小电流放电状态、大电流充电状态和大电流放电状态时分别选择用所述初始内阻R0并联所述小电流幅值补偿内阻R
cd
、所述大电流幅值充电补偿内阻R
c
、所述大电流幅值放电补偿内阻R
d
调节，按照当前时刻SOC查表配置内阻，充电时内阻逐渐减小，放电时内阻逐渐增大，设置所述初始内阻R0电阻值高于所述超级电容额定内阻。6.如权利要求5所述的超级电容的等效电路模型，其特征在于，所述滞电压补偿模块包括电流继电器KA1、迟滞电阻R
h
、迟滞电容C
h
、电压源、热补偿电阻R
hh
，其中热补偿电阻在所述迟滞电压补偿模块结构电路总回路中电流大于超级电容产品规定的额定充电放电电流时产生补偿作用，补偿因为大电流充电放电时热功率导致的能量耗散对迟滞电压补偿产生的数值误差，sgn(I)G为电压源，所述电流继电器KA1、所述迟滞电阻R
h
、所述迟滞电容C
h
、所述电压源、所述热补偿电阻R
hh
为串联连接，所述继电器KA1触点选择热补偿电阻或不...

【专利技术属性】
技术研发人员：张诚，琚长江，杨根科，熊灿，王禹晨，
申请(专利权)人：上海交通大学宁波人工智能研究院，
类型：发明
国别省市：