[發明專利]一種非固態鋁電解電容等效電路模型及參數辨識方法

有效

• 申請號: 201811058367.3
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109408865B
• 公開（公告）日: 2023-02-07
• 發明（設計）人: 陳曦;席磊;李玉丹
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G06F30/30
• 分類號: G06F30/30
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 吳思高

一種非固態鋁電解電容的等效電路模型及其參數辨識方法，該等效電路模型由代表電容電極表面無窮自相似結構的分數階電容C^α、電容內電解質電阻及附屬導線電阻之和R_Ω以及代表電容電解質內離子復雜運動的分數階電容組成。該等效電路模型的參數辨識方法是一種基于差分進化算法的分數階多目標離線參數辨識方法。本發明所提等效電路模型能夠準確地描述非固態鋁電解電容等效串聯電阻隨工作頻率變化的特性，同時能夠預測在不同工作頻率下電容實際容值的變化趨勢，從而能夠為含有該類元件的電路系統設計與可靠性分析提供參考依據。

技術領域

本發明一種涉及電化學元件的建模與參數辨識領域，尤其是一種非固態鋁電解電容的等效電路模型及其參數辨識方法。

背景技術

目前常用的電容器主要有鋁電解電容、鉭電解電容、鈮電解電容、陶瓷電容和薄膜電容等，由于單位體積容量和性價比方面的優勢，鋁電解電容占據了最大的市場份額，在開關電源中獲得了廣泛的應用。

非固態鋁電解電容由具有致密無孔氧化鋁薄膜表面陽極箔、天然氧化層表面的陰極箔和電解液構成主要部分，以浸泡過電解液的紙質作為陰陽極之間的襯墊，其中陽極由于經過光學和電學兩道腐燭工藝形成凹凸不平的表面，由化成過程生成固定厚度d的Al2O3致密介質層，該層具有單向導電性，其作為陰陽極之間的絕緣層決定了電容的容值和壽命。而陰極只經過了電學腐蝕過程，其表面只有厚度很薄的天然氧化層。因此，通常認為陰陽極的間距即為介質層的厚度。襯墊層載有的電解質滲透到陰陽兩極鋁箔的腐蝕凹槽中，分別形成陽極鋁箔/Al2O3介質層/電解質、電解質/天然氧化層/陰極鋁箔兩個子結構。元件通電后，電解質中陰陽離子部分附著在粗糙多孔的兩極鋁箔表面，構成所謂的Helmholtz層，另一部分游離在電解質中形成擴散層，兩部分共同作用形成元件內部電場。

目前商用鋁電解電容殼體的標稱值是由制造商的技術人員在100/120Hz工作頻率20℃/25℃溫度條件下測試所得的。但是實際上，一方面由于制造工藝的影響，在IEC 60062標準下E3和E6精度的電解電容同型號單個產品實際容值與標稱值誤差通常約20％；而另一方面，由于電解電容的電解質中非均勻的質量傳遞、電極表面不同孔隙結構引起非均勻電流、電位分布不均勻及電解液蒸發造成的離子濃度變化等因素的影響，且介電常數均受頻率的影響，例如當電解電容用于開關變換器時，工作頻率通常是以kHz為單位，因此直接采用電解電容的標稱值進行電路系統的建模與分析時，將導致對電路運行狀態錯誤的估計，造成分析結果的偏差，并進一步導致所設計的電路系統性能降低。以50V 10μF Rubycon PX系列電容為例，通過Wayne Kerr WK65120B精密阻抗分析儀在25℃(100Hz，1MHz)頻帶內實測，其阻抗隨工作頻率變化趨勢如說明書附圖的圖1所示：

基于上述情況，目前有多種鋁電解電容的等效電路模型被提出。在電容制造商TDK和Rubycon提供的技術手冊中，考慮了高頻工作條件下電容的自諧振現象，采用包含等效串聯電感的RLC模型(參考文獻1“TDK.Aluminum Electrolytic Capacitors:Generaltechnical information,2016,