簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 黃韋融
Wei-Rong Huang
論文名稱： 超級電容非線性老化行為模式之建模
Modeling of the Nonlinear Aging Behavior of Ultracapacitors
指導教授： 姜嘉瑞
Chia-Jui Chiang
口試委員: 蔡大翔
Dah-Shyang Tsai
吳建勳
none
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 119
中文關鍵詞： 超級電容 、老化模型 、交流阻抗分析
外文關鍵詞： Ultracapacitor, Aging Model, Alternative Current Impedance Spectroscopy
相關次數： 點閱：312  下載：7 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  •  上一筆

    • 本論文研究目的為建立一結合超級電容(Ultracapacitor)等效電路及熱動態之超級電容老化模型。模型參數鑑別乃利用交流阻抗分析 (Alternative Current Impedance Spectroscopy, ACIS)實驗，以最小平方法求出超級電容在不同工作電壓與不同環境溫度之老化實驗下之等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance)、恆定相位元件大小(Constant Phase Element Magnitude,CPE Magnitude)及指數(Constant Phase Element Exponent,CPE Exponent)、電解質電阻(Electrolyte Resistance)。
    以不同數學模型描述不同參數在老化過程中之變化，建立超級電容老化參數模型。之後藉由超級電容充放電實驗與模擬結果進行比較，驗證模型的精確度。模擬實驗驗證利用不同充放電行程，在常溫下對不同老化程度之超級電容進行驗證，實驗量測值包含溫度及電壓，之後將實驗量測值與模型比對，並得到良好的結果。

    The purpose of this thesis is to establish a dynamic an Ultracapacitor model,including equivalent circuit model, a thermal dynamic model and an aging model. Model parameter identification is conducted based on Alternative Current Impedance Spectroscopy (ACIS) experiment and least squares method to obtain the Ultracapacitor equivalent series resistance (ESR), constant phase element magnitude (Adl), electrolyte resistance (Rel) and constant phase element exponent (r) at various voltages and temperatures. Various mathematical models are applied to describe the aging process of parameters. The Ultracapacitor aging model is then validated against voltage and temperature measurements under various charge/discharge cycles at nature heat dissipation condition.
    All the experiment results indicated that the Ultracapacitor aging model is capable of predictions the dynamic behaviors of Ultracapacitor after various periods of aging process.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 1 緒論 1 1.1 研究背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 等效電路模型文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.2 熱效應模型文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.3 儲能元件老化模型文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 研究目的與方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 研究貢獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 實驗設備與軟體介紹 11 2.1 元件介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 電容器介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 超級電容器原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 硬體設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 可程式直流電源供應器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 直流電子負載機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3 可程式恆溫試驗機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.4 電阻式溫度感應器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.5 霍爾元件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.6 阻抗分析儀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.7 數據擷取系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3 實驗設備軟體 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.1 MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.2 Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Real-Time Windows Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 超級電容模型 28 3.1 交流阻抗分析法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 超級電容等效電路模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3 超級電容之熱動態模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 超級電容之老化模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 模擬及實驗結果 46 4.1 超級電容加速老化與交流阻抗實驗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 超級電容等效電路參數鑑別 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2.1 不同數學模型擬合Adl之結果比較 . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.2 不同數學模型擬合Rs^-1之結果比較 . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.3 不同數學模型擬合Rel^-1之結果比較 . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.4 使用t^a 數學模型推估等效時間之參數結果 . . . . . . . . . . . . 69 4.3 超級電容熱模型參數鑑別 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4 模型驗證及模擬分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4.1 超級電容器單一循環定電流7A 充電行程在自然散熱情況下 (室溫) 之模擬驗證 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4.2 超級電容器NYCC 駕駛行程在自然散熱情況下 (室溫) 之模擬驗證 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5 結論與未來展望 85 5.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 未來展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 附錄 (不同數學模型擬合超級電容老化參數結果) 87 參考文獻 105

    [1] 百度百科, 疲勞強度,http://baike.baidu.com/view/530903.htm.
    [2] 李宜達, 控制系統設計與模擬, 第 1-1 1-2 頁. 全華科技圖書股份有限公司, 2003.
    [3] 佳榮能源科技股份有限公司　, 　 http://www.ultra-pack.com/tw/.
    [4] 林怡慶, 2009, 超級電容器技術發展與應用趨勢分析 (PART1).ARTC 財團法人車輛測試研究中心.
    [5] 祝毓, 二次電池技術的發展及其比較. 電池工業,2009.
    [6] 康維 (B. E. Conway), 陳艾、 吳孟強、 張緒禮、 高能武等譯, 電化學超級電容器-科學原理及技術應用. 化學工業出版社, 2005.
    [7] 張永瑞、 謝錦隆, 再生能源 HCPV.SOFC 高功率電力調控系統研製報告技術, 核能研究所,2009.
    [8] 張智星, MATLAB 程式設計與應用, 第 1-2 1-5 頁. 清蔚科技股份有限公司.
    [9] 曹楚南、 張鑒清, 電化學阻抗譜導論. 科學出版社, 2002.
    [10] 梁卓中、 徐慶瑜, 結構疲勞分析簡介,http://www2.cna.edu.tw/961213/month/cnadata/mm/19-6/19-6-7.htm.
    [11] 鄭文欽, 含熱效應之超級電容等效電路模型, 碩士論文,100年, 台北.
    [12] 蕭文龍, 多變量分析最佳入門實用書:SPSS+LISREL(SEM). 碁峰資訊, 2007.
    [13] R. K‥otz and M. Carlen, “Principles and applications of electrochemical capacitors,” Electrochimica Acta, vol. 45, pp. 2483–2498, 2000.
    [14] A. G. Pandolfo and A. F. Hollenkamp, “Carbon properties and their role in supercapacitors,” Journal of Power Sources, vol. 157, pp. 11–27, April 2006.
    [15] M. Specialties, resistance Temperature Detectors:PT-100.
    [16] E. Barsoukov and J. R. Macdonald, “Impedane spectroscopy theory, experiment and applications,” Wiley-Interscience.
    [17] D. U. S. Oliver Bohlen, Julia Kowal, “Ageing behaviour of electrochemical double layer capacitors part ii. lifetime simulation model for dynamic applications,” Journal of Power Sources, vol. 173, 626-632 2007.
    [18] T. Group, tPLS-100F-Electric Double Layer Capacitor (EDLC): PowerBurstR Ultracapacitor.
    [19] R. E. Sonntag, C. Borgnakke, and G. J. V. Wylen, “Fundamentals of thermodynamics,” SIXTH EDITION, 2009.
    [20] S. R. F. Belhachem and B. Davat, “A physical based model of power electric double-layer supercapacitors,” Industry Applications Conference IEEE, vol. 5, pp. 3069–3076, 2000.
    [21] R. L. Spyker and R. M. Nelms, “Classical equivalent circuit parameters for a double-layer capacitor,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 36, pp. 829–836, 2000.
    [22] L. Zubieta and R. Bonert, “Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 36, January-February 2000.
    [23] D. K. S. Buller, E. Karden and R. W. D. Doncker, “Modeling the dynamic behavior of supercapacitors using impedance spectroscopy,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 38, pp. 1622–1626, November-Decembe 2002.
    [24] A. B. H. Gualous, D. Bouquain and J. M. Kaffmann, “Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature,” Jourual of power Sources, vol. 123, pp. 86–93, 2003.
    [25] M. H. R. K‥otz and R. Gallay, “Temperature behavior and impedance fundamentals of supercapacitors,” Journal of Power Sources, vol. 154, pp. 550–555, 2005.
    [26] D. L. J. Schiffer and D. U. Sauer, “Heat generation in double layer capacitors,” Journal of Power Sources, vol. 160, pp. 765–772, February 2006.
    [27] E.Peled, J.Electrochem.Soc., vol. 126, pp. 2047–2051, 1979.
    [28] R. H.J.Ploehn, P.Ramadass, J.Electrochem.Soc., vol. 151, pp. 456–462, 2004.
    [29] S. C. H. T. J. T.Yoshida, M.Takahashi, J.Electrochem.Soc., vol. 153, pp. 576–582, 2006.
    [30] P. P. K. R. M.Broussely, S.Herreyre, J.Power Sources, vol. 97.
    [31] T. H. Kohei Honkura, Ko Takahashi, “Capacity-fading prediction of lithium-ion batteries based on discharg curves analysis,” J.Power Sources, vol. 196, pp. 10 141–10147, 2011.
    [32] D. U. S. Oliver Bohlen, Julia Kowal, “Ageing behaviour of electrochemical double layer capacitors part i. experimental study and ageing model,” Journal of Power Sources, vol. 172, pp. 468–475, 2007.
    [33] J. V. S. K. F. H. P. D. D. U. S. Madeleine Ecker, Jochen B. Gerschler, “Development of a lifetime prediction model for lithium-ion batteries based on extended accelerated aging test data,” Journal of Power Sources, vol. 215, pp. 248–257, 2012.
    [34] P. S. T. A. D. E. R. Alvun J. Salkind, Craig Fennie, “Determination of state-of-change and state-of-health of batteries by fuzzy logic methodology,” Journal of Power Sources, vol. 80, pp. 293–300, 1999.
    [35] Y.-P. C. Kong Soon Ng, Chin-Sien Moo and Y.-C. Hsieh, “Enhanced coulomb counting method for estimating state-of-charge and state-of health of lithium-ion batteries,” Applied Energy, vol. 86, pp. 1506–1511, 2009.
    [36] T. P. Chao Hu, Gaurav Jain and T. Gorka, “Method for estimating capacity and predicting remaining useful life of lithium-ion battery,” Applied Energy.
    [37] T. Group, http://www.tecategroup.com/.
    [38] MathWorks, http://www.mathworks.de/.
    [39] T. M. Inc., 2004, real-time windows target user’s guide.
    [40] S. L. J.-S. Lai and M. F. Rose, “High energy density double-layer capacitors for energy
    storage applications,” IEEE Aes Magazine, vol. 77, pp. 14–19, 1992.

    QR CODE