超级电容系统在电动汽车中的应用

小平

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： 来源:http://www.tede.cn

　　图 1 来源:http://tede.cn

　　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。

来源:www.tede.cn

　　图 2

DC/DC 变换器与蓄电池的连接如图3 所示:

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　　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。 来源:www.tede.cn

表1


　　图44 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

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。 来源:输配电设备网

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。 来源:http://tede.cn

表2


图5 来源:http://www.tede.cn

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。

平圆

  楼主，你太牛了！顶！

紫色baby

帖子太棒了，我一定要学习啊，支持……

紫色baby

进来瞧一瞧，呗