基于超级电容的电梯能量回收系统的研究
超级电容原理及应用
超级电容原理及应用摘要随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。
在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。
电池技术的缺陷Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。
众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。
同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。
超级电容器的特点和优势超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。
同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。
除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。
所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。
因此，必须采用恒流或恒压充电器。
１０年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约１～２美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。
在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。
关键词电子技术;超级电容器;综述;原理;应用AbstractAlong with society economy of development, people for green energy and ecosystem environment more and more concern, the super capacitor be 1 kind to newly keep ability spare part, because it have no can act for of the superiority be more and more valued by people.In some demand the Gao the design of the power, high-efficiency solution, engineer already beginning adoption super capacitor to replace tradition of battery.The blemish of battery techniqueThe new battery of the Li ion, NiMH etc. can provide the energy of a credibility storage project, and already extensive in a lot of realm usage.Know to all, the chemistry battery pass electricity chemical reaction, creation the farad electric charge transfer to storage electric charge of, the service life be shorter, and be subjected to temperature influence bigger, this also similarly adoption the lead sour battery(storage battery) of design face of difficulty.In the meantime, big electric current would direct influence the life span of thesebatteries, therefore, for request longevity life, Gao credibility of some application, these show according to the battery of chemical reaction various shortage.The characteristics and advantage of super capacitorThe principle not new technique of super capacitor, familiar super capacitor mostly is double electricity layer structure, compared with the electrolysis capacitor, this kind of super density and power density of the capacitor energy all very Gao.Together tradition of the capacitor and two battery compare, super capacitor storage electric charge of ability ratio common capacitor Gao, and have to refresh and discharge speed quick, efficiency Gao, free from pollution to environment, circulation life span long, usage temperature scope breadth, the safety Gao Deng3's characteristics.In addition to fast charge with turn on electricity, the another main characteristics of super capacitor be a low resistance.So, when a super capacitor drive all turn on electricity, it performance small electric resistance characteristic, if there is no restriction, it would the Ye take possibility of source electric current.Therefore, have to the adoption Heng flow or constant pressure charger.10 year ago, super capacitor every year can sell go to seldom of amount,and price cost a lot, about USD 1~2/method pull, now, super capacitor alreadyBe standard product large quantity quantity supply market, the price alsoconsumedly lower, average USD 0.01~0.02/method pull.In the last few years in,the super capacitor have already started get into a lot of application realm,such as consume realms such as electronics, industry and transportation industryetc..KEY WORD electron technology;supercapacitors;review;principles;applications目录第一章绪言 (1)第二章超级电容器的原理及结构 (1)第一节超级电容器结构 (1)第二节工作原理及超级电容器储能系统...... (3)第三节主要特点 (4)第三章超级电容器特性 (5)第一节额定容量 (5)第二节额定电压 (5)第三节额定电流 (6)第四节最大存储能量 (6)第五节能量密度 (6)第六节功率密度 (6)第七节等效串联电阻 (6)第八节阻抗频率特性 (7)第九节工作与存储温度 (7)第十节漏电流 (7)第十一节寿命 (7)第十二节循环寿命 (7)第十三节发热 (8)第四章等效电路模型 (8)第五章超级电容器使用实例 (11)第六章超级电容器使用注意事项...... (18)第七章如何选择超级电容器超级电容器的两个主要应用...... .. (18)第八章结论 (20)谢辞 (21)参考文献 (22)第一章绪言电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。
超级电容应用电路
超级电容应用电路
超级电容是一种能够快速存储和释放大量电荷的电子元件，它具有高能量密度、长寿命、高功率密度等优点。
超级电容的应用范围非常广泛，下面是一些常见的超级电容应用电路。
1. 能量存储：超级电容可以用于能量存储，例如在太阳能电池板、风力发电机等可再生能源系统中，超级电容可以存储电能，以备不时之需。
2. 峰值功率辅助：在一些需要高功率输出的应用中，例如电动工具、闪光灯等，超级电容可以提供峰值功率辅助，以满足瞬间高功率需求。
3. 电源备份：超级电容可以作为电源备份，在主电源故障或停电时提供临时电力支持，以保证系统的正常运行。
4. 能量回收：在一些需要频繁制动或减速的应用中，例如电梯、起重机等，超级电容可以回收制动能量，并在需要时释放出来，以提高能源利用率。
5. 滤波：超级电容可以用于滤波，例如在电源电路中，超级电容可以平滑电压波动，提高电源质量。
6. 记忆备份：超级电容可以用于存储数据或程序，例如在计算机、嵌入式系统等中，超级电容可以作为备用电源，在主电源故障时保证数据不丢失。
总之，超级电容具有许多优点和应用前景，它可以提高系统的可靠性、效率和性能，在未来的电子技术中将会发挥越来越重要的作用。
锂离子电池超级电容器混合系统的能量管理
第50卷㊀第6期2020年㊀㊀12月电㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLYVol.50,No.6Dec.,2020作者简介:陈钰涵(1999-),男,湖北人,武汉理工大学国际教育学院本科生,研究方向:锂离子电池管理,新能源汽车;朱文超(1993-),男,湖北人,武汉理工大学汽车工程学院博士生,研究方向:余热回收技术,锂离子电池管理;杨㊀扬(1990-),女,湖北人,武汉理工大学汽车工程学院博士生,研究方向:锂离子电池管理,氢电混合储能;谢长君(1980-),男,湖北人,武汉理工大学自动化学院教授,博士生导师,研究方向:先进储能技术,新能源汽车控制技术,本文联系人㊂基金项目:国家自然科学基金(51977164),湖北省技术创新重大项目(2018AAA059)㊃科研论文㊃DOI:10.19535/j.1001-1579.2020.06.001锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理陈钰涵1,2,朱文超1,3,杨㊀扬1,3,谢长君1,3(1.武汉理工大学自动化学院,湖北武汉㊀430070;㊀ 2.武汉理工大学国际教育学院,湖北武汉㊀430070;㊀3.武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉㊀430070)摘要:为使锂离子电池与超级电容器合理地配合工作,提出基于逻辑门限的能量管理策略与改进的模糊控制的能量管理策略;再将两种管理策略复合,确定最终的能量管理策略㊂用Matlab /Simulink 对以上3种能量管理策略进行仿真分析,设计的能量管理策略可在系统能耗基本不变的基础上,发挥超级电容器的辅助作用,合理分配能量,降低电池损耗,延长电池的使用寿命㊂在城市道路循环(UDDS )和欧洲经济委员会(ECE )工况下,电池损耗相比于单一能源分别降低43.4%和46.3%㊂关键词:锂离子电池;㊀超级电容器;㊀混合动力;㊀能量管理策略;㊀模糊逻辑控制;㊀仿真分析中图分类号:TM912.9,TM533㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1579(2020)06-0511-05Energy management of Li-ion battery /supercapacitor hybrid systemCHEN Yu-han 1,2,ZHU Wen-chao 1,3,YANG Yang 1,3,XIE Chang-jun 1,3(1.School of Automation ,Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070,China ;2.School of International Education ,Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070,China ;3.School of Automotive Engineering ,Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070,China )Abstract :In order to make the Li-ion battery operate with supercapacitor reasonably,an energy management strategy based on logicthreshold and an energy management strategy improved by fuzzy control were proposed.Two management strategies were combined todetermine the ultimate energy management strategy.The above three energy management strategies were simulation analyzed with Matlab /Simulink,the ultimate energy management strategy could effectively play the auxiliary role of supercapacitor,reasonablydistribute energy,reduce the battery energy consumption and prolong the battery service life on the basis of the immobile basicconstant energy consumption.Under Urban Dynamometer Driving Schedule(UDDS)and Economic Commission of Europe(ECE)conditions,the loss of battery was reduced by 43.4%and 46.3%compared to single energy,respectively.Key words :Li-ion battery;㊀supercapacitor;㊀hybrid power;㊀energy management strategy;㊀fuzzy logic control;㊀simulation analysis㊀㊀超级电容器与锂离子电池协同工作,可缓解锂离子电池作为单一动力源的电流峰值输出并降低损耗㊂为充分发挥两者优势,提供更好的性能,要制定有效的能量管理策略㊂确定性规则能量管理策略根据制定的规则,对复合能源进行能量分配,具有较好的控制效果,但未考虑动力源荷电状态(SOC)对能量分配的影响[1]㊂相比之下,模糊逻辑规则能量管理策略可表达一些难以精确描述的规则㊂基于这一特点,文献[2]综合扩展卡尔曼滤波算法与模糊决策算法,减小了电池SOC 估算的误差;文献[3]用模糊控制器控制输出功率,将锂离子电池在不同SOC 下的充放电电流控制在1C 以内,文献[4]运用模糊控制理论开发的能量分配方法,将超级电容器在城市道路循环(UDDS)工况下的使用时间延长了电㊀㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLY㊀第50卷26.5%,制动回收能量提高了5.5%㊂智能优化算法可对能量管理策略进一步优化,并将模型预测㊁人工智能等技术[5-6]引入能量管理中㊂显然,基于优化能量管理策略具有很好的控制效果,但运算量大,实用较困难㊂针对能量管理策略的可行性,为在较小运算量下达到一定的控制效果,本文作者结合逻辑门限与改进模糊控制的能量管理策略,制定基于复合控制的能量管理策略㊂1㊀混合动力系统模型搭建与参数匹配1.1㊀混合动力系统模型从结构及策略复杂度㊁电池保护能力等方面考虑,超级电容器并联双向直流电流(DC)/DC 半主动型拓扑结构的性能较均衡,可作为混合动力系统的拓扑结构,如图1所示㊂实验用SH40AHA 型磷酸铁锂正极锂离子电池(洛阳产)的图1㊀超级电容器并联双向DC /DC 的半主动型混合动力系统Fig.1㊀Semi-active hybrid power system with parallel bi-direc-tional direct current(DC)/DC of supercapacitor标称容量为40Ah,工作电压为2.0~3.6V,标准充放电电流为0.3C ,最大充放电电流分别为3.0C 充电30s 和4.0C 放电30s,工作温度为-25~55ħ,循环寿命为2000次[取80%的放电深度(DOD)]㊂实验用BMOD-0165-P048-B01超级电容器(美国产)的标称电容为165F,容差为20%,额定电压为48.6V,额定比功率为7900W/kg㊁工作温度为-40~65ħ㊂根据系统拓扑结构,可进行系统模型的整体搭建,混合动力系统仿真模型如图2所示㊂图2㊀基于Matlab /Simulink 的混合动力系统仿真模型㊀Fig.2㊀Simulation model of hybrid power system based on Matlab /Simulink1.2㊀混合动力系统参数选定1.2.1㊀汽车动力学模型为满足车辆动力性指标,需对峰值功率进行分析,计算最大需求功率P re max ㊂分别取3种行驶工况,其中,取整车的参数有:整车质量m =450kg,滚动阻力系数f =0.012,传动系统效率ηT =91%,旋转质量换算系数δ=1.03,空气阻力系数C D =0.36,迎风面积A =1.4m 2,空气密度ρ=1.2258kg /m 3㊂①最高行驶速度v max =25m /s 时的等速行驶工况峰值功率P 1需满足P re max ȡP 1=v max [(m g f +ρC D Av 2max /2)]/ηT =6.76ˑ103W =6.76kW(1)式(1)中:g 为重力加速度㊂②v a =0~16.67m /s 加速工况车辆7s 加速过程中,速度v a 随时间t 的变化关系有:v a =v end (t /t end )0.5(2)式(2)中:最终速度v end =16.67m /s;终了时间t end =7s㊂求导代入汽车功率平衡方程式中,得到加速过程结束时峰值功率P 2需满足:P re max ȡP 2=v end [m g f +ρC D Av end 2/2+δmv end /(2t end )]/ηT=1.264ˑ104W =12.64kW(3)③20%爬坡度等速爬坡工况取稳定行驶车速v i =13.89m /s,得到匀速稳定爬坡功率P 3需满足:P re max ȡP 3=v i (m g f cos αmax +ρC D Av 2i +m gsin αmax )/ηT =1.49ˑ104W =14.9kW(4)式(4)中:αmax 为道路坡度角,取值为arctan0.2㊂综上所述,可得最大需求功率P re max =14.9kW㊂1.2.2㊀锂离子电池参数选定先计算车辆以v 40=11.11m /s 匀速行驶所需功率P ᶄre :P ᶄre =11.11/ηT (m g f +ρC D A ˑ11.112/2)=1.11ˑ104W =11.1kW(5)锂离子电池组的电能量E bat 为:E bat =P ᶄre L /11.11ˑDOD =1.008ˑ107J =2.8kWh(6)式(6)中:L 为续航里程,取8ˑ104m;DOD 取80%㊂锂离子电池单体的容量Q bat 有:Q bat ȡE bat /U bus(7)式(7)中:U bus 为母线电压㊂计算得Q bat =40Ah,因此选择单体容量为40Ah 的电池满足条件㊂串联的锂离子电池数量N bat 与U bus 的关系为:215㊀第6期㊀陈钰涵,等:锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理N bat U normal =U bus(8)式(8)中:U normal 为电池平台电压㊂计算可得N bat =22㊂1.2.3㊀超级电容器参数选定超级电容器的充放电功率的最大值P cap max 应满足:P cap max ȡP re max -P bat max(9)式(9)中:P bat max 为电池的峰值功率㊂设定锂离子电池的工作电流范围为[0,2],则P bat max 需满足:P bat max ɤU bus I 2C(10)式(10)中:I 2C 为锂离子电池以2C 倍率放电的工作电流,为80A㊂计算可得,P bat max 应小于5.6kW㊂超级电容器输出功率P cap 的表达式为:P cap =U cap I cap(11)式(11)中,超级电容器的工作电流I cap 与电压U cap 的关系表达式为:I cap =C cap d U cap /d t(12)式(12)中:C cap 为超级电容器的电容量㊂超级电容器模组的功率由车辆的最大需求功率决定㊂设定车辆可在最大功率下工作t 1=25s,对式(9)-(12)联立并对两边进行积分,可得超级电容器最大需求电容量C cap max :C cap max =2(P re max -P bat max )t 1/U 2cap max(13)式(13)中:U cap max 为超级电容器串联模组的最大电压㊂由于超级电容器与双向DC /DC 串联,电压由双向DC /DC 的低压侧输入电压决定㊂选定双向DC /DC 低压侧电压输入范围25~50V,因此超级电容器模组电压为25~50V,即U cap max =50V㊂通过计算,得到C cap max 为229.9F㊂选择的超级电容器模组容量为165F,两个超级电容器模组并联可满足条件㊂2㊀混合动力系统能量管理策略2.1㊀基于逻辑门限的能量管理策略基于逻辑门限的能量管理策略,根据系统的需求功率和超级电容器的剩余电量来决定能量分配,控制思想见图3㊂图3㊀逻辑门限的能量管理策略Fig.3㊀Energy management strategy of logical threshold图3中:SOC cap 为超级电容器的荷电状态㊂设车辆续航里程60km,若持续在UDDS 工况下行驶,可循环5次,即行驶1.54h㊂若由锂离子电池提供全部能量,则电池电量经过1.54h 后耗尽,从而计算出P bat max ㊂P bat max =αE bat /T(14)式(14)中:E bat 为2.8kWh,预留系数α取1.1㊂计算可得,UDDS 工况下,P bat max =2kW㊂同理可得,在欧洲经济委员会(ECE)工况下,续航60km,循环120次,行驶6.5h,即P bat max =1.12kW㊂为使制定的能量管理策略能同时满足两种工况,P bat max =2kW㊂另外,选取超级电容器荷电状态的下限SOC cap -L =0.2,上限SOC cap -H =0.9㊂2.2㊀基于模糊控制的能量管理策略模糊控制器采用二入一出结构,即将需求功率P re ㊁超级电容器SOC 作为模糊控制器的输入,具体结构如图4所示㊂图4㊀模糊控制器结构Fig.4㊀Structure of fuzzy controller系统需求功率P re 受到实验台架的限制,峰值功率为6000W,即输入领域为[-6000,6000],经过尺度转换后的输入领域为[-1,1],SOC cap 的输入领域为[0,1]㊂为使车辆可在较激烈的工况下行驶,由超级电容器为锂离子电池提供缓冲能量㊂需要考虑到锂离子电池的输出功率大于系统需求功率的情况,在系统需求功率较小时,锂离子电池同时向系统与超级电容器充电㊂设计比例因子k 输出领域范围为[0,3],提供了锂离子电池为超级电容器充电的通道㊂分别使用各个不同的档位,描述P re ㊁SOC cap 和k 的不同大小状态,具体档位如表1所示㊂表1㊀输入输出变量的语言值Table 1㊀Language values of input and output variables变量语言值(档位)档数P re {NB㊁NM㊁NS㊁O1㊁O2㊁PS㊁PM㊁PB}8SOC cap{NH㊁NM㊁NL㊁PL㊁PM㊁PH}6k{NB㊁NM㊁NS㊁O㊁PS㊁PM㊁PB㊁PPB}8表1中,各档位分别表示各变量由小到大的不同状态,并采用三角形隶属度函数作为输入输出变量隶属度函数㊂随后,按照所需功率分配方式,确定输入档位与输出档位的对应关系,制定控制规则,具体如表2所示㊂表2㊀模糊控制器的控制规则Table 2㊀Control rules of fuzzy controllerP re SOC capNH NM NL PL PM PH NB NB NB NM NM NM NS NM NB NB NM NM NS O NS NB NB NM NS O PS O1NB NM NS O PS PM O2PPB PPB PB PM PS O PS PB PM PS PS O NS PM O NS NS NM NM NB PBNS NM NMNB NB NB2.3㊀基于复合控制的能量管理策略逻辑门限和改进型模糊控制策略能较好地进行能量分315电㊀㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLY㊀第50卷配,但效果取决于系统需求功率的正负㊂结合两者的优缺点,构造基于复合控制的能量管理新策略,发挥两者的优势,取得更好的控制效果,具体结构如图5所示㊂图5㊀复合控制器的结构Fig.5㊀Structure of composite controller㊂㊀㊀模糊控制器控制规则和输入输出变量隶属度函数分别如表3㊁图6所示㊂表3㊀改进后模糊控制器的控制规则Table 3㊀Control rules of improved fuzzy controllerP re SOC capNHNM NL PLPM PH NBPPB PBPM O O NS NM PB PM PS O O NSNS PB PM O O NS NM O PS O ONS NSNM PS O O NS NSNM NM PM NS NS NSNM NB NB PBNSNMNM NMNB NB 图6㊀改进后模糊控制器输入变量的隶属度函数Fig.6㊀Membership function of the improved system demand power,the remaining power of the supercapacitorand the scale factor of the Li-ion battery outputpower图7㊀UDDS 和ECE 工况下电池的输出功率P bat ㊀Fig.7㊀Output power of battery(P bat )under UDDS and ECEconditions图8㊀UDDS 和ECE 工况下的超级电容器输出功率P cap ㊀Fig.8㊀Output power of supercapacitor(P cap )under UDDS and ECE conditions415㊀第6期㊀陈钰涵,等:锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理3㊀能量管理策略仿真结果分析在基于Matlab /Simulink 的混合动力系统仿真模型中嵌入复合控制器,设置锂离子电池和超级电容器的初始SOC 分别为0.8和1㊂为了更好地比较两种不同能量管理策略的优劣,以瞬态的UDDS 工况和稳态的ECE 工况作为行驶工况㊂为方便对比仿真结果,工况的循环时间都设置为1400s㊂仿真结果如图7-9所示㊂图9㊀UDDS 和ECE 工况下的荷电状态(SOC)Fig.9㊀State of charge(SOC)under UDDS and ECE conditions从仿真结果可知:当P re >0时,复合控制策略对锂离子电池的输出控制作用均优于逻辑门限控制策略与模糊控制策略㊂在UDDS 和ECE 工况下,复合控制策略中锂离子电池的正向最大输出功率分别为3276W 和2414W,低于改进模糊控制策略中的3963W 和2596W㊂在逻辑门限中,虽然锂离子电池的输出功率可控制在2020W 以内,但在系统需求功率较低时表现不佳,且不能随系统需求功率灵活变化㊂总体来说,复合控制策略控制效果优于其他两种控制策略㊂当P re <0时,复合控制策略中电池反向充电功率明显低于逻辑门限与改进模糊控制策略,因此复合控制器在减小锂离子电池的放电功率的同时,能降低锂离子电池的充电频率㊂在进行制动能量回收时,优先给超级电容器充电,既能保证超级电容器处于高能状态,又可避免锂离子电池频繁充放电㊂由此说明,复合控制策略能够更好地分配功率输出㊂为了对控制效果进行定量分析,比较不同能量管理策略下电池的损耗与系统能耗的情况,结果见表4㊂表4㊀两种工况下电池损耗及系统能耗Table 4㊀Battery loss and system energy consumption under twooperating conditions能量管理策略电池损耗/%系统能耗/Wh UDDSECEUDDSECE单一能源 2.28ˑ10-2 1.44ˑ10-2348.12233.05逻辑门限 1.56ˑ10-2 1.13ˑ10-2356.45234.07改进模糊控制 1.52ˑ10-20.96ˑ10-2359.44236.16复合控制1.29ˑ10-20.78ˑ10-2354.41235.48从表4可知,在UDDS 工况中,复合控制策略的电池损耗比逻辑门限策略和改进模糊控制策略分别减少了17.1%和15.1%;系统能耗也有所降低㊂在ECE 工况中,复合控制策略的电池损耗比逻辑门限低41.9%,比改进模糊控制低19.2%;系统能耗比逻辑门限略有上升,比改进模糊控制略有下降,说明复合控制能量管理策略能够结合两者优势,在提升控制效果㊂与单一能源相比,虽然系统能耗略有提升,但复合控制的能量管理策略在两种工况下,电池损耗分别降低43.4%㊁46.3%,表明混合动力系统可延长电池寿命㊂4㊀总结本文作者对锂离子电池与超级电容器的混合动力系统展开研究,将逻辑门限的能量管理策略与模糊控制的能量管理策略相结合㊂仿真结果表明,基于复合控制的能量管理策略能够发挥两者各自的优势,取得更好的控制效果㊂在UDDS 和ECE 两种工况下,正向最大功率分别由改进模糊控制策略的3963W 和2596W 降低到3276W 和2414W,都能够实现超级电容器 削峰填谷 的作用,且电池损耗在两种工况下相比于单一能源也分别降低了43.4%㊁46.3%,效果好于逻辑门限和改进模糊控制策略,实现了设计期望的效果㊂此外,该能量管理策略简单易于实现,在车用动力源中具有较强的实用性㊂参考文献:[1]㊀JAAFAR A,AKLI C R,SARENI B,et al .Sizing and energy mana-gement of a hybrid locomotive based on flywheel and accumulators[J].IEEE Trans Vehicular Technol,2009,58(8):3947-3958.[2]㊀曹以龙,陈成成,江友华,等.基于EKF-模糊动态补偿的铅酸电池SOC 估计[J].电池,2019,49(6):511-514.[3]㊀姚堤照,谢长君,曾甜,等.基于多模糊控制的电电混合汽车能量管理策略[J].汽车工程,2019,41(6):615-624.[4]㊀尹炳琪,马彬,杨朝红,等.融合地形信息的车载复合电源控制方法研究[J].电源技术,2020,44(1):116-120.[5]㊀杨业,张幽彤,张彪,等.基于等效因子优化的插电式混合动力客车自适应能量管理策略[J].汽车工程,2020,42(3):292-298.[6]㊀吴进军,颜丙杰,方继根,等.插电式混合动力汽车的次优能量管理策略[J].中国机械工程,2019,30(11):1336-1342.收稿日期:2020-08-28515。
超级电容的结构和工作原理
超级电容的结构和工作原理超级电容器又称双电层电容器、黄金电容、法拉第电容，是一种新型的储能原件，它兼有物理电容器和电池的特性，能提供比物理电容器更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命，并且这种电容器己在工业领域实现产业化和实际应用。
如在考虑到环保需要而设计开发的电动汽车和复合电动汽车的动力系统中，若单独使用电池将无法满足动力系统的要求，然而将高功率密度电化学电容器与高能量密度电池并联组成的混合电源系统既满足了高功率密度的需要，又满足了高能量回收的需要。
高能量密度、高功率密度的电化学电容器正在成为人们研究的热点。
1.（3）：对使外部2.由于储能机理的不同，人们将超级电容器分为：(1)基于高比表面积电极材料与溶液问界面双电层原理的双电层电容器；(2)基于电化学欠电位沉积或氧化还原法拉第过程的赝电容器。
赝电容与双电层电容的形成机理不同，但并不相互排斥。
大比表面积准电容电极的充放电过程会形成双电层电容，双电层电容电极(如多孔炭)的充放电过程往往伴随有赝电容氧化还原过程发生，实际的电化学电容通常是两者共存的宏观体现，要确认的只是何者占主要的问题。
实践过程中，人们为了达到提高电容器的性能，降低成本的目的，经常将赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合使用，制成所谓的混合电化学电容器。
混合电化学电容器可分为两类，一类是电容器的一个电极采用赝电容电极材料，另一个电极采用双电层电容电极材料，制成不对称电容器，这样可以拓宽电容器的使用电压范围，提高能量密度；另一类是赝电容电极材料和双电层电容电极材料混合组成复合电极，制备对称电容器。
（1）双电层电容器一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。
作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产尘的电容称为双电层电容。
双电层是由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样。
超级电容器工作原理
超级电容器工作原理超级电容器（Supercapacitor），也被称为超级电池、超级电容、超级电容器等，是一种具有高能量密度和高功率密度的电子元件。
它的工作原理是基于电荷分离和电化学反应。
一、电荷分离超级电容器由两个电极、电解质和隔离层组成。
电极通常由活性炭、金属氧化物或导电高分子材料制成。
当电容器处于未充电状态时，正负极之间的电荷是平衡的。
当外部电源连接到电容器的正负极上时，正极吸收电子，负极释放电子，从而导致电荷分离。
这种电荷分离的过程非常快速，使得超级电容器具有高功率密度。
二、电化学反应电解质在电荷分离的同时，也发生了电化学反应。
电解质通常是由溶液或凝胶形式的离子液体组成。
当电解质中的离子与电极接触时，发生电化学反应。
这个反应过程中，离子在电极表面形成了一个电化学双层，即电荷层。
电化学双层的形成使得超级电容器具有高能量密度。
三、储能和释能过程在充电过程中，外部电源通过正极将电子注入到电容器中，同时电解质中的离子也被吸附到电极表面。
这个过程中，电容器的电荷和能量都在增加。
在放电过程中，电容器的正负极之间的电荷流动，电解质中的离子回到溶液中。
这个过程中，电容器的电荷和能量都在减少。
超级电容器的充放电速度非常快，可以在几秒钟内完成。
四、优势和应用领域超级电容器具有以下优势：1. 高功率密度：能够在短时间内释放大量的能量，适用于需要高功率输出的应用，如电动汽车的启动。
2. 长寿命：相对于传统电池而言，超级电容器的循环寿命更长，可以进行数万次的充放电循环。
3. 快速充放电：充电和放电速度快，可以在短时间内完成储能和释能过程。
4. 宽温度范围：超级电容器的工作温度范围较广，适用于各种环境条件下的应用。
超级电容器在许多领域有广泛的应用，包括：1. 交通运输领域：用于电动汽车的启动、制动能量回收和辅助动力系统。
2. 工业领域：用于储能系统、UPS电源、电网稳定和峰值削减。
3. 可再生能源领域：用于储能系统，平衡可再生能源的不稳定输出。
电动机的能量回收与再利用策略优化
电动机的能量回收与再利用策略优化随着全球对环境保护意识的提高以及对能源资源的日益紧张，电动机的能量回收与再利用策略优化成为目前研究的热点。
本文将探讨电动机能量回收的重要性，分析目前常见的能量回收技术，并提出相应的优化策略。
一、电动机能量回收的重要性电动机是现代工业中使用广泛的能量转换设备，其能量利用率直接影响整个工业生产过程的效率和节能效果。
然而，在电动机工作过程中，大量的能量会以热量的形式散失，导致能源浪费和环境污染。
因此，合理高效地回收和再利用电动机的能量成为一项紧迫的任务。
二、常见的电动机能量回收技术1. 制动能量回收技术制动能量回收技术是最常见的一种电动机能量回收方式。
在电动机制动过程中，电动机通过改变工作模式，将部分制动能量转化为电能储存到电池或超级电容器中，并在需要时再次回馈给电动机，减少能量的浪费。
2. 惯性能量回收技术惯性能量回收技术利用电动机工作过程中的惯性能量，将其转化为电能进行储存和再利用。
通过改变电动机的工作状态，将惯性能量回收到电池或超级电容器中，以供后续使用。
3. 电动机传动系统能量回收技术电动机传动系统能量回收技术主要是指在电动机与传动系统之间设置能量回收装置，将传动系统过程中的能量回收并再利用。
通过合理设计和调整传动系统的结构和运行方式，实现能量的回收与再利用。
三、优化电动机能量回收策略为了进一步提高电动机能量回收的效率和可行性，还需优化能量回收策略。
以下是几种常见的优化策略：1. 制动能量回收策略优化通过优化制动系统的控制算法和参数设置，提高制动能量回收效率。
例如，利用先进的电子控制技术，在制动开始时及时切换到回收模式，并根据不同的制动情况调整回收电能的比例。
2. 惯性能量回收策略优化通过对电动机的惯性特性进行深入分析，优化转速控制算法和传动系统的设计，提高惯性能量的回收效率。
例如，在电动机运行过程中及时切换到能量回收模式，并合理利用惯性能量的分布特点进行能量的回收与存储。
超级电容器技术简介
超级电容器技术的研究背景及发展现状1. 研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。
进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。
石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。
而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NO x和CO x对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。
开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。
电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。
纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。
“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。
目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。
燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。
单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。
从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。
近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。
电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。
基于超级电容的汽车冷起动辅助电源系统研究
基于超级电容的汽车冷起动辅助电源系统研究随着汽车的普及，人们对汽车的需求也日益增长。
特别是在寒冷的冬季，汽车启动变得越来越困难。
因为电瓶的寿命损耗较大，也缺乏足够的启动电流。
这就诞生出了一种新型的汽车冷起动辅助电源系统，即基于超级电容的汽车冷起动辅助电源系统。
本文将研究这种新型汽车冷起动辅助电源系统的基本原理、优点和未来发展。
超级电容器是一种具有高电容值和低内阻的电子元件。
它的灵敏度和稳定性等特质使得它被广泛应用于电力系统、交通工具、消费电子等领域。
超级电容器的替代能力越来越受到汽车制造商的关注，因为它能够提供超过传统电瓶的峰值电流输出，从而帮助车辆在极端温度下启动。
由于互补性的优点，超级电容器经常被安装在车载电子设备中，以增强其瞬态负载能力或提高其可靠性。
基于超级电容的汽车辅助电源系统就是结合了汽车行业和广泛应用超级电容的研究成果，而设计出的一种新型汽车启动辅助电源系统。
基于超级电容的汽车冷启动辅助电源系统具有独特的优点，最明显的即是在极端温度下仍能提供足够的电力，帮助车辆起动。
此外它还具有如下的优点：首先，它的寿命周期长，使用寿命可达10年，远远超过传统电瓶；其次，它具有超短充电时间，消耗的时间只有几秒钟，极速启动车辆；最后，它还具有耐高温、耐低温、安全性高等特质。
因此，它是替代传统电瓶的最佳选择。
目前，基于超级电容的汽车冷起动辅助电源系统已被广泛应用于大型汽车、公共汽车等领域。
随着技术的不断进步，它将在未来得到更加广泛的应用。
例如，随着液态电池技术的发展，基于超级电容的汽车冷起动辅助电源系统可将更多的电力储存到一小块液态电池中，并能更好地适应高负载和复杂的环境条件。
此外，由于超级电容器体积小、重量轻、寿命长，我们可以预期它的应用将不限于汽车行业。
综上所述，基于超级电容的汽车冷起动辅助电源系统具有明显的优势和潜力。
通过应用计算机仿真技术、电化学实验技术，超级电容器技术将得到进一步提升，成为其中的核心技术。
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电梯 上行 ， 轿 厢 重 量小 于 电梯 对 重 和 在 电梯 下
行， 轿 厢 重量 大于 对重 时 ， 曳引机 要 释放 大量再 生 能 量 。而 给 电梯 电机 供 电 的整 流 器 电流不 可 逆 ， 因此 造成 释放 的再 生 能量 堆 积 在 供 电母 线上 ， 引 起 电梯 母线 的 电压 升高 。这 升高 的 电压 势 必引起 电梯器件
ＲＥＮ Ｊ ｉ ｎ ，Ｗ ＥＮ Ｆａ ｎ ｇ，ＺＯＮＧ Ｍｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｏ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ：Ｔｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｐｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ａ ｈ ｙ ｂ ｒ ｉ ｄ ｐｏ ｗｅ ｒ ｓ ｕ ｐｐ ｌ ｙ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｒ ｅ ｇ ｅｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｐａ ｃ — ｉ ｔ ｙ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｃ ｏ ｎｖ ｅ ｒ ｔ ｔ ｈｅ ｐｏ ｗｅ ｒ ｒ ｅ ｌ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｄ ｒ ｏ ｐ ｐｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎｄ ｒ ａ ｐ ｉ ｄｌ ｙ ｓ ｔ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｔ ｉ ｎ ａ ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｃａ ｐａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｉ ｎ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｌ ｏ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｔｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｓ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｃ ａ ｐａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｒ ｅ ｌ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ａ ｓ
１ 总 体 设 计 方 案
１ ． １ 设 计 思 路
动装 置 ， 作 为一 种 对 安 全 、 可 靠 运 行 要 求 极 高 的运 载工 具 ， 超级 电容 的 出现 为 它提 供 了 一 种 安 全 、 绿 色 的新 型 供 电方 式 。 以 电梯 的 安 全 、 绿 色 运 行 为 目标 ， 构 建一 种 能 进 行 能 源 再 生 回收 ， 将 电 梯 运 行
的损 坏 。 传统 的方 法是 用 大功 率 电阻把 电机产 生 的再 生
中的能 量 转 化 为 超 级 电 容 中 的 电能 进 行 储 存 ， 并
作 为 电梯 运 行 过 程 中 的后 备 保 护 动 力 电 源 ， 组 成
一
个 混 合 动 力 系统 ， 在不 增 加 额 外 能 源 （ 如 自备 发
电机 ， 大 型 蓄 电池 等 ） 的情况 下 ， 对 电梯 的运 行 提 供更 加 安 全 的保 障 。 超 级 电容 器 既 有 静 电 电容 器 的 高 放 电功 率 优 势， 又像 电池 一样 具有 较大 电荷 储存 能力 ， 充 放 电循 环 寿命 长 ， 功 率密 度 大 ， 高温 ｌ 生能好 ， 容量 配置 灵 活 ， 是 理想 的绿 色环 保 电 源 ， 目前 国 内外 对 它 的应 用 研 究 正蓬 勃展 开 。利用 超级 电容 器优 异 的蓄能 和释 放 功能 ， 组 成各 类拖 动 装 置 中的 能 源再 生 混 合 供 电系 统 有着 非 常广泛 的应 用前 景 ¨ 。
自动控 制
Ｚｉ Ｄｏｎ ｇ Ｚｈｉ １ ｇ Ｋｏｎ
Ｉ… ２ Ｄ Ｊ 。 年 … 第 ’’’ 期 ’ ， ’
基 于 超 级 电 容 的 电 梯 能 量 回收 系 统 的 研 究
任 瑾， 文 方， 宗 明超
５ ５ ０ ０ ２ ５ ） （ 贵 电容 器 Ｄ Ｃ—Ｄ Ｃ 变换 ｄ ｓ Ｐ Ｉ Ｃ ３ ０ Ｆ Ｐ ＷＭ 控 制
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ２ ０ １ ． ５
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ： １ ０ ０ ２— ６ ８ ８ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４— ０ ０ ３ ５— ０ ４
Ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｖａ ｔ ｏ ｒ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ｒ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｕ ｐｅ ｒ— — ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏｒ
摘
要： 对构建具有 能源再 生能力的电梯混合供 电系统提 出合 理可行 的方案 ， 实现 电梯 正常运 转时 ， 将 电梯 下降的
释放 能量转换 为电能快速存储在超级 电容 器中； 当电梯正 常供 电系统 突发故 障而无法工作时 ， 将超级 电容器 中能量
释 放 用 以 作 为 电梯 应 急 时 刻 后 备 电 源 。
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ：ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ； ＤＣ — ｔ ｏ — ＤＣ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｔｅ ｒ ｒ； ｄ ｓ ＰＩ Ｃ３０Ｆ； ＰＷ Ｍ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ
０ 引 言
电梯 ， 作 为 一 种 在 运 动 中耗 能 巨 大 的 电力 拖
ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｃ ｋ—ｕ ｐ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｌ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｕ ｆ ｆ ｅ ｒ ｓ ｓ ｕ ｄ ｄ ｅ ｎ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｎ ｎ ｏ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ．