超级电容器在车辆应用中的日历寿命的预测老化模型外文翻译资料

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

超级电容器在车辆应用中的日历寿命的预测老化模型

摘要

超级电容器由于具有高功率密度和紧凑的尺寸，已经受到车辆社区越来越多的关注，使得它们成为高性能应用（例如电动/混合动力车辆和铁路运输）的良好候选者。然而，超级电容器由于发生不希望的物理变化而具有有限的寿命。这些变化通常是不可逆的，且会产生电容损耗和性能退化，而与元件的使用无关。大多数可用的老化模型基于电容损耗的特定假设。与这些技术不同，本文考虑不同的电容老化模型，并对其进行比较，以验证其准确性。此外，本文基于引起退化的化学反应提出了用于日历寿命的广义预测老化模型，并将所提出的模型的性能与经典、修正的Eyring定律进行比较。为了更好地展示所提出的预测老化策略和电容损耗模型的有效性，在12个不同的工作温度和偏置电压条件下测试12个超级电容器。实验结果表明，在不同的工作条件下，所提出的预测老化模型的估计精度高。

关键词：超级电容器，电容损耗，日历寿命，预测老化模型

术语：

R:双电层电容器电阻(Omega;) C:双电层电容器电容（F）

t:老化时间（hours） :日历寿命（hours）

:标称寿命（hours） V:施加偏置电压（V）

：额定电压（V） :降低的施加偏置电压（V）

:临界施加偏置电压（V） T:老化温度(K)

:标称温度(K) :降低的温度(K)

:临界温度(K) k:动力学常数

Ea:活化能(Jsdot;molminus;1) RT:平均动能(Jsdot;molminus;1)

Delta;ne;G:标准活化能(Jsdot;molminus;1) :玻尔兹曼常数(Jsdot;Kminus;1)

h:普朗克常数(kg/s) :电解液的蒸发焓(J)

Delta;S:电极反应的熵变 (Jsdot;Kminus;1) n:电子数量

F:法拉第常数(Csdot;molminus;1) I:充电/放电电流(A)

:均方根电流(A) :减少的RMS电流(A)

:临界RMS电流(A)

1.引文

超级电容器（也称为双电层电容器（EDLC）），被认为是用于峰值功率需求的一个有吸引力的解决方案，例如在加速度和再生制动条件下，由于它们具有更高的功率密度^[1-2]，因而它们能够在短时间内存储和供应大量的电能。与电池不同，超级电容器的特点在于能多次进行充电/放电循环，因而具有更长的寿命^[3-4]。尽管他们见证了成功，他们的性能仍严重依赖于他们的健康状态^[5]。超级电容器的寿命是直到寿命终止（EOL）所经过的时间，其被定义为组件缺乏实现其预先确定的功能的能力。实际上，当电容或内部电阻超出制造商的规格时，确定EOL。这些指示器代表超级电容器的老化指示器，它们的阈值取决于实际应用。在电动车辆应用中，当其电阻值达到标称值的两倍或/和其电容降到标称电容的80％时，我们考虑超级电容器寿命终止^[6-8]。超级电容器的偏置电压和工作温度是造成超级电容器寿命降低的其中两个主要因素。一些研究表明高温和偏置电压对超级电容器老化的影响^[9-11]。

为了量化超级电容器的可靠性，已经报道了关于老化模型在加速老化参数方面的许多研究。由Bohlen等人提出。文献[12]利用经典的Eyring定律开发了一个基于启发式电容损耗模型的日历-老化模型。在本文中，假定电容在恒压和恒温下随老化时间线性减小。为了研究热休克，由Gualous等人提出。文献[13]侧重于温度的影响，建立一个只考虑温度变化的日历-老化模型。所开发的老化模型基于Arrhenius定律，并且仅针对一个施加的偏压进行验证。考虑到充电/放电影响，由Kreczanik 等人提出。文献 [14]根据电压，温度和RMS电流量化了充电/放电老化模型。因此，基于使用恒定氧化还原速率的经典Eyring定律开发了日历-老化模型。另一方面，热模型用于研究当前对EDLC温度变化的影响，并且开发用于充电/放电老化的日历-老化模型。针对海洋能源应用，由Kovaltchouk等人提出。文献[15]修改了经典的Eyring定律以估计老化时间，以获得在高温下完全放电的EDLC老化的自适应模型。

这项工作的学术价值包括一个基于化学反应的EDLC预测老化模型。为此，开发了一个实验装置来收集日历老化数据，用作第二节中描述的其他电容损耗模型的基准。大多数超级电容器的老化模型是基于Eyring定律，并且假设电容损耗随着老化时间线性地变化。为了研究这个假设，在第四节中比较了电容损耗模型。在第五节中，经典的Eyring定律与其修改版本一起提出，用于预测超级电容器的日历老化。这一节的第一部分介绍了由Kreczanick等人开发的经典的Eyring定律。文献 [14]深入分析了模型发展的假设和假说。第五节第二部分描述了修改的Eyring定律的特殊性，由Kovaltchock等人提出。在文献[15]中，分析了该模型的有效性。给出两个模型的实验结果并比较以显示与各种老化条件相比的每个模型的有效性。基于作用于超级电容器的老化机理的化学反应所提出的预测老化模型在第六部分中详细描述。将提出的模型的实验结果与上述两种老化模型进行比较，以突出提出的方法的优势。

2.实验装置

超级电容器的日历老化试验条件包括不同的偏置电压和老化温度[16]。在本文中，将来自Maxwell Technologies的12个不同的350-F BCAP0350超级电容器放置在恒温（55℃，60℃，65℃和70℃）的四个气候室中，并且在三个连续施加的电压 2.8,2.9和3V）。如表1所示，每个超级电容器都经受一种特有的电压 —温度条件。

表1 日历老化配置

A.表征

为了遵循指示器的老化演变，超级电容器通过使用预定义的充电/放电条件测量它们的电阻和电容来周期性地表征。

数据采集系统

有源负载

电源

双电层电容器电池

图1试验台

为此，选择以下协议：

最初（初始状态），每个超级电容器在恒定电流（10A）和环境温度下充电和放电；之后，将每个超级电容器放置在恒温（55℃，60℃，65℃和70℃）和恒定偏压（2.8,2.9和3V）的气候室中一周。应用老化条件的严重性值得注意，相对于其他技术,它显示了提出的模型在正常和极端情况下的有效性；然后，将超级电容器从气候室中取出，并在恒定电流（10A）和环境温度下进行表征。

如图1所示,使用Labview软件下的数据采集板监测测试台。

重复该协议，直到达到对于每个超级电容器都有变化的老化过程的极限，因为它们都经受不同的老化条件。例如:电池1的EOL在2000小时达到。值得注意的是，该过程允许我们根据IEC62391表征协议标准[17]遵循老化指示符的演变，即电阻[数学处理误差]和电容[数学处理误差]，如图2所示。

超级电容器电压

电流

时间

电压

图2 内阻[数学处理误差]和电容[数学处理误差]识别方法

因此，利用下式计算了内阻和电容：

（1）

B.表征结果

这里，日历寿命测试在所有电池上进行，如表1所示。周期性表征结果示于图3。对于所有测试的电池，随着老化时间增加，发现电容降低、电阻增加。电容减小是由于阻碍电极多孔的有机电解质的劣化。至于电阻增加，归因于由于多孔电极结构，固体电解质界面（SEI）层的形成和电解质的导电性[18]导致的分布电阻的增加。如图2所示，随着老化参数的增加，电容和电阻的演变得更快。然而，在EDLC的寿命期间，这些参数对电容和电阻的演变有不同的影响。

偏置电压

老化时间

温度

电阻演变

电容演变

电阻演变

电容演变

图3 老化指标的演变

表2 不同电容损耗模型之间的比较