随着城市轨道交通再生制动技术的快速发展,超级电容(Supercapacitor, SC)以其充放电速度快和循环寿命长等优点得到了广泛应用。利用超级电容储能系统回收列车的再生制动能量,可有效地降低列车的运行能耗,减小牵引网直流侧网压波动。
城轨列车具有运行密度大、站间距离短、起停频繁等特点,导致超级电容储能系统频繁充放电,因此需要对其寿命问题予以考虑。超级电容的性能会受工作温度、电压、电流的影响逐渐退化,高温会促进电解液的活性,加速电化学反应和热分解,当超级电容两端电压接近电解液的分解电压时,超级电容会迅速老化,而电流与其稳定自发热温升有关。
单体性能的衰减会影响整个储能系统的储能特性。因此,为了提高整个储能系统的安全性和可靠性,需要准确地估计超级电容单体的寿命指标等效串联内阻(Equivalent Series Resistance, ESR)和容量C,以监测当前的健康状态(State of Health, SOH)。
目前,有很多方法估计超级电容的容量C和内阻ESR,包括离线方法和在线方法。
综合以上方法,本文选用IEC标准对超级电容等效电路模型参数进行辨识。
为了研究超级电容的寿命特性,国内外很多学者针对不同应用场合对超级电容进行加速寿命测试,并建立了寿命预测模型。
基于以上分析发现,现有的文献中没有针对城轨交通储能系统应用的加速寿命测试,且所建立的寿命模型是否适用于城轨交通应用还有待验证。因此,本文在考虑电压、电流和温度的前提下,建立一种新的适用于城轨交通应用的超级电容健康状态估算模型,并基于北京地铁某实际线路典型工况下的仿真电流曲线对超级电容进行高温循环加速寿命测试。
图1 基于参数反馈的超级电容SOH估算
图5 Arbin测试仪
图6 高低温试验箱
本文在考虑电压、电流和温度的前提下,建立了一种适用于城轨交通应用的超级电容的健康状态估算模型。利用Arbin测试仪对超级电容单体进行恒电流循环充放电测试和80℃高温加速寿命测试,基于测试结果对单体等效电路模型、热模型和寿命估算模型的参数进行了辨识,并建立了实时参数反馈的健康状态估算仿真模型。最后进行了90℃高温加速寿命测试,容量在522个充放电循环后下降为初始值的90.18%。对比实验和仿真结果,估算误差在2%以内,验证了本文所提出模型的准确性和适用性。
另外,本文对超级电容健康状态的研究依据高温测试下一定范围内的实验数据,未涵盖其整个生命周期。在实际应用过程中,随着容量的进一步衰减,超级电容的寿命衰减演化为非线性的情况需要考虑。在后续更深入的研究中,还需要准确辨识内阻ESR的值并考虑加入冷却系统后对超级电容寿命的影响。