本發(fā)明涉及一種基于粒子濾波的贗電容型超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：超級(jí)電容器是近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)備電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，超級(jí)電容器具備達(dá)到法拉級(jí)別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍；與化學(xué)電池相比，超級(jí)電容器具有較高的比功率。因此超級(jí)電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，其優(yōu)越的性能得到各方的重視，目前發(fā)展十分迅速。贗電容型超級(jí)電容器是一類(lèi)重要的超級(jí)電容器類(lèi)型，其電極材料可發(fā)生高度可逆的氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的贗電容，其主要電極材料是導(dǎo)電聚合物(聚苯胺和聚吡咯等)和過(guò)渡金屬氧化物(二氧化釕、二氧化錳等)。由于贗電容型超級(jí)電容器可逆的化學(xué)吸附/脫附過(guò)程不僅發(fā)生在電極表面而且可以深入其體相，因此其電容量和能量密度高于雙電層電容器。贗電容型超級(jí)電容器電極材料在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng),導(dǎo)致電極活性物質(zhì)減少和材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使得比容量降低，循環(huán)壽命性能惡化。此外，贗電容型超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔膜質(zhì)量、環(huán)境溫度、截止電壓、電極材料的粘結(jié)強(qiáng)度等因素也會(huì)引起其性能衰減，減低使用壽命。意外的超級(jí)電容器壽命終結(jié)可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生失效，因此應(yīng)對(duì)超級(jí)電容器壽命情況進(jìn)行科學(xué)的估計(jì)和預(yù)測(cè)，以進(jìn)一步指導(dǎo)超級(jí)電容器的運(yùn)行和維護(hù)，構(gòu)建超級(jí)電容器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理系統(tǒng)。從已報(bào)道的資料來(lái)看，通過(guò)開(kāi)展不同溫度條件下的加速老化試驗(yàn)，基于Arrhenius模型可預(yù)測(cè)超級(jí)電容器壽命。高溫加速老化方法假設(shè)活化能和指前因子為常數(shù)，與溫度無(wú)關(guān)，但超級(jí)電容器的實(shí)際性能衰減情況復(fù)雜，因此Arrhenius方法預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際壽命存在較大偏差，無(wú)法滿足大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的可靠性與安全性需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于粒子濾波的贗電容型超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)措施：本發(fā)明提供一種基于粒子濾波的贗電容型超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：S1，建立贗電容型超級(jí)電容器的容量退化模型：其中，Ck表示第k次循環(huán)的充電容量，△tk為循環(huán)k和循環(huán)k+1的擱置時(shí)間間隔，ηC為庫(kù)侖效率因子，β1,β2為容量退化模型的待定參數(shù)；S2，利用粒子濾波算法良好確定模型中的待定參數(shù)β1,β2，從而建立粒子濾波狀態(tài)方程；S3，確定超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中的粒子數(shù)目N、粒子濾波模型中的過(guò)程噪聲ωk和觀測(cè)噪聲vk的協(xié)方差P和R以及超級(jí)電容器循環(huán)使用壽命結(jié)束的判定值K；S4，利用粒子濾波算法對(duì)超級(jí)電容器的循環(huán)使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括以下步驟：S41，粒子集初始化，k＝0，對(duì)于i＝1，2，…N，由先驗(yàn)概率的分布p(x0)生成采樣粒子S42，重要性采樣，對(duì)于i＝1，2，…N，采樣并設(shè)置S43，計(jì)算權(quán)重，S44，歸一化粒子權(quán)重，S45，執(zhí)行系統(tǒng)重采樣，計(jì)算有效樣本數(shù)當(dāng)Neff≥Nthres，則否則根據(jù)重要性權(quán)重進(jìn)行重采樣κi＝l，得到重采樣后的粒子集及權(quán)重；S46，獲得超級(jí)電容器容量的狀態(tài)估計(jì)并令k＝k+1，依次重復(fù)執(zhí)行S41-S46步驟，根據(jù)狀態(tài)空間模型對(duì)超級(jí)電容器容量狀態(tài)進(jìn)行迭更新代，并且每一步對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)狀態(tài)估計(jì)值；S5，判斷所述狀態(tài)估計(jì)值是否到達(dá)超級(jí)電容器壽命的閾值，如果已到達(dá)閾值，則計(jì)算循環(huán)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Z；S6，根據(jù)超級(jí)電容器容量的概率密度分布以及容量和超級(jí)電容器循環(huán)使用壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算超級(jí)電容器剩余使用壽命的概率密度分布，并輸出結(jié)果。作為進(jìn)一步改進(jìn)的，在步驟S2中，所述利用粒子濾波算法良好確定模型中的待定參數(shù)β1,β2的步驟包括：S21，確認(rèn)預(yù)測(cè)起始點(diǎn)M,其中，M之前為已知的超級(jí)電容器充放電歷史數(shù)據(jù)；S22，在一定的充放電電流密度、充放電深度、溫度條件下，進(jìn)行M次超級(jí)電容器容量循環(huán)壽命試驗(yàn)；S23，對(duì)超級(jí)電容器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；S24，根據(jù)預(yù)測(cè)起始點(diǎn)M，利用粒子濾波算法對(duì)M之前的超級(jí)電容器容量數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)跟蹤，從而確定所用的超級(jí)電容器經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械奈粗獏?shù)β1,β2，建立粒子濾波狀態(tài)方程。作為進(jìn)一步改進(jìn)的，在步驟S23中，所述對(duì)超級(jí)電容器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理包括：移除離散點(diǎn)。作為進(jìn)一步改進(jìn)的，所述M為10～100。作為進(jìn)一步改進(jìn)的，所述贗電容型超級(jí)電容器的電極材料包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、二氧化錳、二氧化釕以及氧化鎳。本發(fā)明提供的基于粒子濾波的贗電容型超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：其一，可用于贗電容型超級(jí)電容器的壽命預(yù)測(cè)，以進(jìn)一步指導(dǎo)贗電容型超級(jí)電容器的運(yùn)行和維護(hù)，構(gòu)建基于贗電容型超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理；其二，可用于贗電容型超級(jí)電容器的研發(fā)，迅速評(píng)價(jià)贗電容型超級(jí)電容器壽命性能，節(jié)省壽命評(píng)價(jià)時(shí)間，縮短開(kāi)發(fā)周期。附圖說(shuō)明無(wú)具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。建立贗電容型超級(jí)電容器參數(shù)模型：隨著贗電容型超級(jí)電容器充放電次數(shù)的增加，超級(jí)電容器正負(fù)極的電活性材料變少，電解質(zhì)濃度降低，極板附近生成物堆積等，使得超級(jí)電容器容量逐漸減少。超級(jí)電容器容量的減少以庫(kù)倫效率ηc來(lái)描述，其中ηc表示放電容量和充電容量之比。超級(jí)電容器充放電的電流強(qiáng)度、放電深度、工作溫度都是影響庫(kù)倫效率ηc的重要因素。超級(jí)電容器在充放電過(guò)程和結(jié)束后其內(nèi)部電荷有重新分布、均勻化的過(guò)程，因此超級(jí)電容器在充放電結(jié)束后電壓有自充電過(guò)程，增加了下一個(gè)循環(huán)中的可用容量。這種自充電過(guò)程可用指數(shù)分布表示，因此超級(jí)電容器的容量退化過(guò)程滿足：Ck+1=ηCCk+β1exp(-β2Δt)]]>其中，Ck表示第k循環(huán)的充電容量，△tk為循環(huán)k和循環(huán)k+1的擱置時(shí)間間隔，ηC為庫(kù)侖效率因子，β1,β2為容量退化模型的待定參數(shù)。假定待定模型參數(shù)β1,β2是時(shí)變的，同時(shí)容量Ck受到過(guò)程噪聲影響。基于粒子濾波的贗電容型超級(jí)電容器容量退化狀態(tài)空間模型為下式，用以描述參數(shù)β1,β2和容量Ck的變化：β1,k+1=β1,k+ω1,kβ2,k+1=β2,k+ω2,kCk+1=ηCCk+β1,kexp(-β2,kΔt)+ω3,k]]>同時(shí)，容量Ck的量測(cè)值為：C~k=Ck+vk.]]>其中，ω1,k,ω2,k,ω3,k,vk為相互獨(dú)立的零均值高斯噪聲，服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，且相互獨(dú)立，為k循環(huán)時(shí)的容量量測(cè)值。令：X=x1x2x3,Xk=x1,kx2,kx3,k=β1,kβ2,kCk,Yk=C~k,ωk=ω1,kω2,kω3,k,D=001]]>則，容量退化模型的狀態(tài)方程為：Xk+1=f(Xk)+ωkYk=DXk+vk]]>其中，f(X)=x1x2ηCx3+x1exp(-x2Δt).]]>粒子濾波的贗電容型超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)程序利用粒子濾波算法良好的狀態(tài)跟蹤能力確定模型中的未知參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器循環(huán)壽命的預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性。預(yù)測(cè)的具體步驟如下：預(yù)測(cè)起始點(diǎn)M的確認(rèn)：M之前為已知的超級(jí)電容器充放電歷史數(shù)據(jù)，從M時(shí)開(kāi)始進(jìn)行預(yù)測(cè)算法，估計(jì)以后每一循環(huán)的超級(jí)電容器電容值。超級(jí)電容器循環(huán)壽命試驗(yàn)的執(zhí)行：在一定的充放電電流密度、充放電深度、溫度條件下，進(jìn)行M次超級(jí)電容器容量循環(huán)壽命試驗(yàn)。數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)超級(jí)電容器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如離散點(diǎn)的移除。由于預(yù)處理數(shù)據(jù)量過(guò)大會(huì)增大運(yùn)算量，降低算法效率，所以需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的精簡(jiǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況每L個(gè)點(diǎn)取一點(diǎn)，但要求精簡(jiǎn)后的預(yù)處理數(shù)據(jù)仍可代表數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。確定模型未知參數(shù)：根據(jù)預(yù)測(cè)起始點(diǎn)M，利用粒子濾波算法對(duì)M之前的超級(jí)電容器容量數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)跟蹤，以確定所用的超級(jí)電容器經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械奈粗獏?shù)β1,β2，建立粒子濾波狀態(tài)方程。粒子濾波算法的初始化：確定超級(jí)電容器壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中的相應(yīng)參數(shù)：粒子數(shù)目N，粒子濾波模型中的過(guò)程噪聲ωk和觀測(cè)噪聲vk的協(xié)方差P和R，超級(jí)電容器循環(huán)使用壽命結(jié)束的判定值K。壽命預(yù)測(cè)：利用粒子濾波算法對(duì)超級(jí)電容器的循環(huán)使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，流程如下：粒子集初始化：k＝0。對(duì)于i＝1，2，…N，由先驗(yàn)概率的分布p(x0)生成采樣粒子重要性采樣：對(duì)于i＝1，2，…N，采樣并設(shè)置計(jì)算權(quán)重：歸一化粒子權(quán)重：執(zhí)行系統(tǒng)重采樣，計(jì)算有效樣本數(shù)如Neff≥Nthres，則否則根據(jù)重要性權(quán)重進(jìn)行重采樣κi＝l，得到重采樣后的粒子集及權(quán)重。超級(jí)電容器容量的狀態(tài)估計(jì)令k＝k+1，依次重復(fù)執(zhí)行上述步驟，根據(jù)狀態(tài)空間模型對(duì)超級(jí)電容器容量狀態(tài)進(jìn)行迭更新代，并且每一步對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)狀態(tài)估計(jì)值。結(jié)果判定：判斷狀態(tài)估計(jì)值是否到達(dá)超級(jí)電容器壽命的閾值(單位：F)，如果已到達(dá)閾值，則計(jì)算循環(huán)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Z(單位：循環(huán))。概率密度分布計(jì)算：根據(jù)超級(jí)電容器容量的概率密度分布以及容量和超級(jí)電容器循環(huán)使用壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算超級(jí)電容器剩余使用壽命的概率密度分布，并輸出結(jié)果。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3