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超级电容系统在电动汽车中的应用电阻炉

时间:2022年08月30日

超级电容系统在电动汽车中的应用

超级电容系统在电动汽车中的应用 2011年12月04日 来源: 摘要:本文就以传统的蓄电池为主供电能源的车辆上,装载辅助能源——超级电容的工作模式下,对车辆驱动行驶的控制策略进行研究。其中,车辆的基本工作状况为城区内工作模式,即频繁的起动、加速和制动。此时方可充分发挥电容的功能特点:比功率大,可以以大电流短期充、放电,从而满足车辆驱动要求。实现这一目标的关键是如何控制电容的工作规律,本文就这一问题展开讨论,以期得到合适的控制策略。关键词:电动汽车 超级电容 控制策略1 介绍电动汽车发展到今天,主要的瓶颈就是蓄电池的问题。传统的蓄电池(如铅酸电池)由于功率密度偏低,不能满足车辆的频繁地起步、加速和制动工况的要求,而且由于加速时浪费了过多的能量,致使车辆的行驶里程也不能满足要求。加装超级电容的车辆就可以有效的解决这一问题,即可以提供较大的驱动电流,满足车辆行驶工况;又可以节省电池的能量,延长车辆的行驶里程,同时减少了蓄电池的频繁充放电的工作状态,提高了蓄电池的使用寿命。但前提是有一套行之有效的控制理论,可以使电容与蓄电池匹配工作。在本文中作者给出了一种行之有效的方案布局,并初步解决了蓄电池和超级电容的匹配工作的问题。其中蓄电池为铅酸蓄电池,共有108 块串联,单体电压为4.25 V,总电压为459V。超级电容工作电压为380~190V,可释放能量为1kW•h,总重量约320kg。2 系统布局本文中蓄电池和超级电容采用如下布局:

图 1

超级电容和基本能量源——蓄电池采用并联的连接方式。电容在正常行驶的时候,不参与工作;但当车辆进行加速或上坡时,电容通过DC/DC 变换器的控制提供短期的大电流,不足的部分与电池共给,两者在经过电机控制器的调控,驱动电机驱动车辆。3 超级电容和DC/DC 变换器系统本课题中采用的超级电容为4 个箱体,每个箱体有68 个单元,工作电压为380~190V,总的重量达约为320kg,单体电压为1.39V,电容为18000F,图2 为超级电容的布置图。

图 2

DC/DC 变换器与蓄电池的连接如图3 所示:

图 3

DC/DC 变换器为升降压型,即:当电容的电压低于蓄电池的端电压时, DC/DC 变换器通过工作电路抬升输出电压,使电容和蓄电池符合匹配工作条件。同时,当电容的容量不足时,蓄电池会向超级电容进行充电,经过DC-DC 变换器的降压电路使得超级电容达到能量饱和状态。在升压模式中,当SW1 在控制周期内开关时,可以从超级电容到电池组输出端传输所需的能量。当SW1 开的时候,能量从电容中取出来,存储在电感L 中,SW1 断开的时候,电感中的能量通过D2 传送到电容C 中,直至到电池输出端。在降压模式中,当SW2 开通的时候,能量从电池组中通过电感L 流向电容,电感储存部分能量,当SW2 关断的时候,电感中的能量L 被传送到电容中去了。下面表1 和图4 为带DC/DC 的超级电容的充、放电输出特性。

表1

图4

4 控制策略为了实现前面所述的目标,关键是对超级电容的控制。而控制策略严重依靠超级电容的尺寸。拥有大的容量,车辆可以以恒定的电池电流行驶(平均电流),在此状况下,电容承担所有的电流偏差(正的或负的)。但这样的话,成本会很高的,所以电容应该尽可能的小一些,同时应当足够大以避免蓄电池出现过高的(或过低的)电压和电流。考虑到电容的成本,总的电容(法拉)必须做到最小,因而需要更加复杂的控制策略。每一个参数——瞬时蓄电池电压、电池荷电状态、瞬时蓄电池电流、电容初始状态,电容电流均需测量。车速也必须加以测量,因为当车辆开始起步时,电容的能量应当处于充盈状态。同理,当车辆在高速行驶的时候,电容应当是空的,以接受突然制动所产生的再生制动能量。车辆在中速行驶的时候,电容处于一种可充电、可放电状态。监控蓄电池的荷电状态,为了确定更有效的控制策略。当电池是充盈状态时,其实不能被充电的,所以超级电容必须有一部分是空的(即有一部分电容要进行放电),反之,当电池的荷电状态偏低,电容的能量应该较一般情况下稍高一些。监控蓄电池的瞬时电压,为了确定DC/DC 变换器在何种状态下工作。当蓄电池上升很快,DC/DC 变换器在降压状态下工作,电容接受一部分给定的能量,此时车辆正在减速或下坡。如前所述,此时电容应当处于可充电状态。反之,当蓄电池电压下降很快,DC/DC 变换器在升压状态下工作,此时车辆正在加速或上坡,电容中的能量被释放出来,电容处于可放电状态,同时若蓄电池的荷电状态偏低,电容的能量应当较一般情况下偏高。5 实验结果在加装了超级电容的车辆上,进行了一系列试验测试,如前所述,超级电容之所以加装,是因为传统的蓄电池(如铅酸电池)由于功率密度偏低,不能满足车辆的频繁地起步、加速和制动工况的要求,而且由于加速时浪费了过多的能量,致使车辆的行驶里程也不能满足要求。加装超级电容的车辆就可以有效的解决这一问题,即可以提供较大的驱动电流,满足车辆行驶工况;又可以节省电池的能量,延长车辆的行驶里程,同时减少了蓄电池的频繁充放电的工作状态,提高了蓄电池的使用寿命。在车辆由静止状态加速到80km/h 时候,有无超级电容工作的工况下,其加速时间和加速距离见下表2和图5。

表2

图5

6 结论适合电动车辆的超级电容已经有初步规模了。加装了这种电容的车辆可以比不加装电容的车辆拥有较好的加速性,并且在复杂的工况下,可以大大改善蓄电池的状态,增加续驶里程。本文中所提及的布局设计,已经被应用到BFC6110 型豪华电动旅游车上。本文所用的数据均取自此型号车辆的测试实验。参考文献1 Sun Liqing,Bai Wenjie,Sun Fengchun. State-of-the-art Electric Vehicle Simulation Technology. EVS 19 Busan, 20022 Andrew Burke. Ultracapacitors: why, how, and where is the technology,Journal of Power Sources 91 2000 37~503 Nobuyuki Kasuga,Nobuhito Ohnuma. Ultra-Capacitor and Battery Hybrid EV with High Efficiency Battery Load Leveling System ,EVS15(CD-ROM),19954 C.C.Chan. The Present Status and Future Trends of Electric Vehicle. FIRST CIRCULAR OF CHINA-JAPAN ELECTRIC VEHICLE JOINTCONFERENCE, 2001.11.9~105 Mark Cohen,Richard Smith. Here and Now. Ultracapacitors are a Standard Option,EVS 19 Busan, 2002(end)

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