超级电容系统在电动汽车上的应用

中国汽车工程学会 2003学术年会 SAE-C2003P016 73 超级电容系统在电动汽车中的应用 孙立清 陈 伟 王仁贞 袁 学 北京理工大学 [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 蓄电池 超级电容 DC/DC 超级电容 电机控制器 驱动电机 车 轮 车 轮 74 SAE-C2003P016 中国汽车工程学会 2003学术年会 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: L Ucp B R DC-DC SW1 SW2 C C D1 D2 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。 中国汽车工程学会 2003学术年会 SAE-C2003P016 75 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 放电特性 充电特性 时 间(s) 电容电压(V) 电容电流(I) 电池电压(V) 时 间(s) 电容电压(V) 电容电流(I) 电池电压(V) 0 360 0 440 0 240 0 440 10 330 95 440 10 260 66 440 22 300 101 440 14 280 67 440 30 280 105 440 20 300 65 440 50 260 127 440 40 320 65 440 60 240 136 440 61 340 64 440 75 220 150 440 83 360 59 440 127 380 40 440 放电特性曲线 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 时间 电 压 、 电 流 电容电压 电容电流 输出电压 充电特性曲线 0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 时间 电 流 、 电 压 电容电压 电容电流 电池电压 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。 76 SAE-C2003P016 中国汽车工程学会 2003学术年会 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 加速至 V 有超级电容 无超级电容 V (km/h) S (m) T (s) S (m) T (s) 0 0 0 0 0 5 2.5 2.82 2 2.17 10 7.3 5.07 6.9 4.57 15 13.8 6.97 14.3 6.72 20 22.5 8.77 22.1 8.32 25 33.2 10.47 33.1 10.12 30 47.9 12.42 49.4 12.27 35 67.1 14.57 70.9 14.67 40 97.9 17.57 95.7 17.12 45 134.8 20.72 139.1 20.92 50 185.3 24.62 198.2 25.47 55 238.4 28.32 272.5 30.62 60 310.9 32.98 344.3 35.17 65 411.8 38.93 453.3 41.57 70 523.3 45.08 596.9 49.37 75 698.8 53.98 780.4 58.67 80 895.8 63.3 1039.3 70.92 中国汽车工程学会 2003学术年会 SAE-C2003P016 77 加速时间曲线 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 速度(km/h) 时 间 ( s ) 加电容 无电容 加速距离曲线 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 速度(km/h) 距 离 ( m ) 加电容 无电容 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, 2002 2 Andrew Burke. Ultracapacitors: why, how, and where is the technology，Journal of Power Sources 91 2000 37~50 3 Nobuyuki Kasuga，Nobuhito Ohnuma. Ultra-Capacitor and Battery Hybrid EV with High Efficiency Battery Load Leveling System，EVS15 （CD-ROM），1995 4 C.C.Chan. The Present Status and Future Trends of Electric Vehicle. FIRST CIRCULAR OF CHINA-JAPAN ELECTRIC VEHICLE JOINT CONFERENCE, 2001.11.9~10 5 Mark Cohen，Richard Smith. Here and Now. Ultracapacitors are a Standard Option，EVS 19 Busan, 2002 超级电容系统在电动汽车中的应用 1 介绍 2 系统布局 3 超级电容和DC/DC 变换器系统 4 控制策略 5 实验结果 6 结论 返回目录