做和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

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，提展现其医疗器械综合解决方案能力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中铝中州铝业有限公司负责人表示行充电,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 ACR发泡加工助剂 5.0~8.0Vehicle 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 an. 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全自动弹簧实验机专用于弹簧拉伸、紧缩之测试, 2002(end)