（机械电子工程专业论文）基于超级电容的车辆制动能量回收系统的仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 车辆的制动能量至今还是一种没有被很好地开发利用的能量，特别使对 于需要频繁起动和制动的市区行驶的公共汽车以及地铁、轻轨等，制动能量 回收有着很大的潜力。目前车辆制动能量回收的方法有液压储能、飞轮储能 和电化学储能等等。电化学储能是一种很具有发展前途的方案，它具有结构 简单，操作方便，可靠性好，制动能量回收率高的优点。目前研制的纯电动 车和混合动力汽车普遍采用这种方法来实现制动能量再生。 随着科技的进步，近年来出现了一种新的元器件超级电容。这种新 型的电子器件有着比蓄电池高1 0 倍以上的功率密度和i 0 0 倍阻上的充放电速 率。利用超级电容可以迅速地吸收和释放制动再生能量。 本文采用超级电容器作为储能装置，提出了一种新型的制动能量回收系 统。文章首先分析研究了车辆制动能量回收中的一般性问题，并给出了电动 汽车和地铁车辆制动时的动力学模型，应用s i m u l i n k 仿真得出车辆在不同的 制动初速度和末速度时可回收利用的能量，进而计算出超级电容基准容量。 在本文中我们以直流电机驱动系统的制动能量回收系统为研究对象，介 绍了与之相关的d c d c 的变换规律、超级电容的特性、车辆制动特性以及 直流电机发电特性等等，并根据这些规律推导出了d c d c 变换器的控制规 律，以及制动能量回收系统的数学模型。最后利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 和 s i m p o w e r s y s t e m s 两个工具箱，分别给出了地铁车辆和电动汽车制动能量回 收系统的仿真模型和仿真结果，并对仿真结果进行了详细地分析。 关键词：超级电容；制动能量回收；d c d c 变换器；仿真 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 1 页 a b s tr a c t b r e a k i n ge n e r g yh a s n tb e e nw e l lu s e db yn o w , a n dt h er e c o v e r i n go ft h e b r e a k i n ge n e r g yi sp o t e n t i a le s p e c i a l l yf o rc i t yb u sa n ds u b w a yv e h i c l e ，w h i c h n e e dt os t a r ta n db r e a kf r e q u e n t l y m a n yw a y sa r eu s e dt or e c o v e rt h eb r e a k i n g e n e r g y ，s u c ha st h eh y d r a u l i cw a y , f l y w h e e la n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lw a y t h e e l e c t r o c h e m i c a lw a yi st h em o s tp r o m i s i n go n e ，a n di ti sr e l i a b l e ，e a s yt oo p e r a t e ， a n dh a sas i m p l es t r u c t u r ea n dh i 【g h e rr e c o v e rr a t eo ft h eb r e a k i n ge n e r g y i ti s w i d e l yu s e di nt h en e w l yd e v e l o p e de l e c t r i c a lv e h i c l e so rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s a l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , t h es u p e rc a p a c i t o ri s d e v e l o p e d t h i sn e w k i n do fe l e c t r i c a lc o m p o n e n th a sm o r et h a nt e nt i m e so ft h e p o w e rd e n s i t ya n d o n eh u n d r e dt i m e so fc h a r g ea n d d i s c h a r g ev e l o c i t yt h a nt h e s t o r a g eb a t t e r y t h eb r e a k i n ge n e r g yc a nb er e c o v e r e da n dt h e nr e l e a s e dq u i c k l y w i t ht h es u p e rc a p a c i t o r an o v e lb r e a k i n ge n e r g yr e c o v e r ys y s t e m ，w h i c ht a k e st h es u p e rc a p a c i t o ra s t h ee n e r g ys t o r ed e v i c e ，i sp r e s e n t e dh e r e t h eg e n e r a lq u e s t i o n si nb r e a k i n g e n e r g yr e c o v e r ya r ed i s c u s s e d ，a n dt h ed y n a m i cm o d e l so ft h es u b w a ya n dt h e e l e c t r i c a lv e h i c l ea r ep r e s e n t e d t h ee n e r g yo ft h ev e h i c l et h a tc a nb er e c o v e r e d i nd i f f e r e n ti n i t i a ls p e e da n de n d i n gs p e e di sc a l c u l a t e df r o mt h es i m u l a t i o nb a s e d o ns i m u l i n k ，a n dt h er e f e r e n c eo ft h ec a p a c i t yo ft h es u p e rc a p a c i t o ri sc a l c u l a t e d t l i l ec h a r a c t e r so ft h es u p e rc a p a c i t o r , t h et r a n s f e rr u l e so ft h ed c d c c o n v e r t e r ，t h eb r e a k i n gc h a r a c t e r so ft h ev e h i c l ea n dt h ec h a r a c t e r so ft h ed c m a c h i n e ，w h i c ha r ea s s o c i a t e dw i t hb r e a k i n ge n e r g ys t o r es y s t e md r o v e db yt h e d cm a c h i n e ，a r ei n t r o d u c e dh e r e ，a n dw i t ht h e s er u l e st h em a t h e m a t i cm o d e la n d t h ec o n t r o lr u l eo fd c ，d cc o n v e r t o ra r eo b t a i n e d a tl a s t w i t ht h et w ot o o l b o x e s s i m u l i n ka n ds i m p o w e r s y s t e m si nm a t l a bt h es i m u l a t i o nm o d e l sa n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h es u b w a yv e h i c l e sa n dt h ee l e c t r i cv e h i c l e sa r ep r e s e n t e d ， a l s oad e t a i l e da n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n k e yw o r d s ：s u p e rc a p a c i t o r ；b r e a k i n ge n e r g yr e c o v e r y ；d c d cc o n v e r t o r ； s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 制动能量回收的意义 目前车辆使用的制动装置主要形式有机械式、气压式、液压式和气液混 合式等。它们的工作原理基本相同，都是利用制动装置把车辆行驶过程中的 动能通过机械摩擦的方式转化为热能而消耗掉，以达到车辆制动或者减速的 目的。这些制动装置工作时，都存在着如下的缺点： 1 制动过程中不能将车辆行驶时所具有的能量( 动能) 回收，而使这部分动 能通过车轮与路面、制动装置与刹车毂之间的摩擦转换成热能的形式损 失掉，因而制动装置增加了车辆行驶过程中的能量损失，降低了车辆的 能量利用率。 2 在路况较复杂的情况下，车辆往往需要频繁制动，或连续较长时间的制 动，因而在有关的制动表面将会产生大量热量，使制动装置摩擦表面的 温度升高许多，这将导致制动装置制动效果减弱，甚至失效，使车辆行 驶的安全性大大降低。 3 由于车辆行驶过程中制动装置的频繁工作，加剧了车轮的磨损和制动装 置中摩擦片的磨损，因而需要经常更换车轮和刹车片，由此增加了车辆 的维修保养费用。 车辆上采用制动能量再生技术，有助于提高车辆能源的利用率，减少排 气污染和燃料消耗，同时也可以减轻制动器的热负荷，减少磨损，提高车辆 行使的安全性和使用的经济性。 1 2 制动能量回收的必要性 车辆的制动能量至今还是一种没有被很好地开发利用的能量，特别是在 市区行驶的公共汽车、地铁车辆和轻轨车辆等，它们需要频繁起动和制动， 这部分制动能量回收有着很大的潜力。 在用于检测汽车燃油消耗量和经济性的几个典型城市工况中，我国采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的是e c e l 5 工况，日本采用的是1 0 1 5 工况，而美国采用的是u d d s 工况。 文献 1 0 1 中给出了相同条件下，这3 种不同工况下制动能量与总能量的对比 关系，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 各种工况下制动消耗能量与总能量的对比关系 工况e c e l 5u d d s1 0 1 5 驱动能量l 【j3 9 52 8 2 4 11 8 1 4 制动能量，k j 2 0 71 3 4 3 29 3 8 制动能量所占 5 2 _ 34 7 65 1 7 百分比 1 3 几种常见的制动能量回收方法 根据储能方式车辆制动能量再生方法可以分为：空气储能、液压储能、 飞轮储能和电化学储能。 1 3 1 飞轮储能 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量，其基本工作原理是： 当车辆制动或减速时，先将车辆在制动或减速过程中的动能转换为飞轮高速 旋转的动能；当车辆再次起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通 过传动装置转化为车辆行驶的驱动力。其能量转换过程如图卜1 所示。 能量转换存储能量 图卜1 飞轮式储能制动能量再生系统原理图 图卜2 为一种飞轮储能式制动能量再生系统示意图。飞轮储能式制动能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 量再生系统主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、离合器和驱动桥组成。 发动机用来提供驱动车辆的主要动力，高速储能飞轮用来回收制动能量以及 作为负荷平衡装置，为发动机提供辅助的功率以满足峰值功率要求。由于市 区公共车辆具有很大的惯性，在正常行驶时又具有很高的可逆能量动能， 可以用高速储能飞轮将其回收。在起步或加速过程中释放出去，既减少了能 源的浪费，又提高了车辆的性能。 发动机主离舍器增速齿轮传动轴驱动桥 飞轮离台器 飞轮箱 轴承 飞轮轴 空气流 高速飞轮 图1 - 2 飞轮储能式制动能量再生系统示意图 1 3 2 液压储能 液压式储能的工作原理是：先将车辆在制动或减速过程中的动能转换成 液压能，并将液压能储藏在液压蓄能器中；当车辆再次起动或加速时，储能 系统又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于车辆，以增加车辆的驱 动力。工作过程如图卜3 所示。 能量转换 存储能量 图卜3 液压储能式制动能量再生系统原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜4 是利用液压储能原理设计的一种制动能量再生系统。系统由发动 机、液压泵马达、液压蓄能器、变速箱、驱动桥、离合器和液压控制系统组 成。起动、加速或爬坡时，液控离舍器接台，液压蓄能器与连动变速箱连接， 液压蓄能器电的液压能通过泵马达转化为驱动车辆的动能，用来辅助发动机 满足驱动车辆所需要的峰值功率。减速时，电控元件发出信号，使系统处于 蓄能状态，将动能转换为压力能储存在液压蓄能器内，这时车辆行驶阻力增 大，车速降低直至停车。 图卜4 液压储能式制动能量再生系统示意图 1 3 3 电化学储能 电储能的工作原理是：首先将车辆在制动或减速过程中的动能，通过发 电机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中；当车辆需要起动或加速 时，再将存储器中的化学能通过电动机转化为车辆行驶的动能。储能器可采 用蓄电池或超级电容，由发电机电动机实现机械能和电能之间的转化。系统 还包括一个控制单元( e c u ) ，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并 保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。其工作原理如图卜5 所示。 保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。其工作原理如图卜5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 旷芒焉王年 图卜5 电化学式制动能量再生系统原理图 图卜6 为一种用于前轮驱动轿车的电储能式制动能量再生系统。系统工 作过程为：当车辆以恒定速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。当车辆制 动时，行车制动系统开始工作，车辆减速制动，电磁离合器接合，从而接通 驱动轴和变速器的输出轴。这样，车辆的动能由输出轴、离合器、驱动轴、 驱动轮和从动轮传到发电机和飞轮上。制动时的机械能由电机转换为电能， 存入蓄电池。当离合器再分离时，传到飞轮上的制动能，驱动发电机产生电 能，存入蓄电池。在发电机和飞轮回收能量的同时产生负载作用，作为前轮 驱动的阻力。 图1 6 电化学储能式制动能量再生系统示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 国内外制动能量回收的研究情况 1 4 1 国外研究情况 从2 0 世纪9 0 年代初起，世界各大汽车集团公司如f o r d 、g m 、n i s s a n 、 t o y o t a 和h o n d a 等，都在电动汽车的研制上投入了较大资金，并研制出多种 电动汽车及电动汽车概念车。如f o r d 的t h i n kc i t y ，g m 的e v l ，t o y o t a 的 r “4 、p r i u s 和f c e v ，h o n d a 的e v p l u s 、i n s i g h t 和f c x 2 v 3 ，在这些汽车 上都装有先进的制动能量回收系统。 据美国对电动汽车的实际运行测试结果表明，再生制动给作为储能动力 源的蓄电池补充的能量，能使电动汽车一次充电后行驶的里程增加1 0 2 5 。例如丰田的p r i u s 可以回收大约3 0 的能量。 美国政府和三大汽车公司实施的p n g v 计划，通过3 年的论证，混合动 力电动系统可在低污染条件下达到百公里油耗仅3 l 。日本本田和美国克莱斯 勒的产品都已达到该技术指标，丰田公司的产品销量超过1 0 0 0 台。 在铁路方面，m a n f r e d n i c k 在文献【6 】中，介绍了种制动能量回收装置， 把所有制动能量措施合起来，大约可以节约2 9 的燃料。 1 4 2 国内研究情况 为了在该项技术与国际同步，我国政府也耗资数亿元启动了国家“8 6 3 ” 计划电动车重大专项计划，“十五”目标是混合动力电动汽车要达到节省燃料 5 0 ，排放下降8 0 ，制动能量回收3 0 。随着国家“十五”计划、“8 6 3 ” 电动汽车重大科技专项的正式启动，全国各地掀起了一股研制和开发电动汽 车的热潮，制动能量回收问题也逐渐成为电动汽车研究中的一个热点。 西安交通大学电动汽车研究开发中心改装的x j - t u e v 一1 电动汽车，经 过性能测试，最高时速为5 5 k m h ，一次充电行驶里程为1 6 5 k m ( 有控再生制 动时可达1 8 0 k m ) ，并在此基础上，进行了电机驱动、再生制动、运动控制 和运行状态监控等方面的研究。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室从二十世纪九十年代初开始 从事电动汽车领域的研究工作，先后研究开发了纯电动汽车、混和动力电动 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 汽车和燃料电池中型客车，在电动汽车、制动能量回收方面有着丰富的经验。 他们研制的8 6 3 燃料电池城市客车在行驶过程中，由燃料电池作为主能量源 提供驱动汽车所需的能量，蓄电池用来提供不足能量或吸收多余能量，超级 电容主要用于制动能量的回收和输出瞬时大电流，按照一定的控制策略，多 能源动力总成控制系统对三者的输出或输人功率进行合理优化分配，满足复 杂城市工况下的行驶要求。 同时在飞轮储能方面，清华大学在国内也处于领先地位，他们已经成功 地研制出高速飞轮电池，以及在此基础上的制动能量回收控制系统。基于飞 轮储能技术的新型u p s 就是其中一个典型的代表。 清华大学的刘博、杜继宏、齐国光在文献 1 6 中采用蓄电池作为储能装 置，实现制动能量的回收，通过仿真研究，考虑到摩擦阻力及各部分效率问 题，回收能量占总耗能的2 3 f 3 。 1 5 本论文主要研究内容 随着科技的进步，近年来出现了一种新型的元器件超级电容。这种 器件有着比蓄电池高1 0 倍以上的功率密度和1 0 0 倍以上的充放电速率。超级 电容的这些特性正好满足电动汽车的特殊要求。利用超级电容瞬时高功率的 特性，避免了对发动机频繁起动和蓄电池提供瞬间大功率的特殊要求。同时 超级电容可以迅速吸收和释放制动再生能量，从而节约能源、减少排放污染， 尤其适合经常在城市行驶的混合动力电动汽车、地铁车辆等等。此外还可用 于发动机冷起动时提供瞬时大功率、线控门锁触发器、助力转向系统等等。 本论文采用超级电容器作为储能装置，提出了一种新型的制动能量回收 系统。其工作示意图如图1 7 所示： 图1 7 制动能量回收系统工作示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在本论文中，主要以直流电机驱动系统为研究对象，分析了电动汽车和 地铁车辆在制动时的动力学关系，给出了系统的动力学仿真模型，并仿真得 出电动汽车和地铁在不同的制动初速度和末速度时，可以回收利用的能量， 在此基础上分析得出超级电容基准容量的选择。 同时本文根据直流电机的特性、车辆制动特性和超级电容的充放电关系， 推导出了车辆制动能量回收系统的数学模型。并利用m a t l a b 软件中的 s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m s 两个工具箱，分别给出了电动汽车和地铁车辆 制动能量回收系统的仿真模型及仿真结果，并对仿真结果进行了详细分析。 论文最后结合北京集星公司生产的超级电容的特性，对这套制动能量回收系 统在实际应用中的一些情况作了必要的讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章车辆制动能量回收若干问题研究 目前国内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段。制动能量回收要综 合考虑车辆动力学特性、电机发电特性、电池安全保证与充电特性等诸多方 面的问题。在采用超级电容器作为储能器的制动能量回收系统中，还涉及到 超级电容参数的选择等问题。 图2 一i 制动能量回收系统工作示意图 图2 - 1 为制动能量回收系统的工作示意图。本章主要在直流电机驱动系 统恒流制动的基础之上，对车辆动力学特性和超级电容的选择作了些积极 的探索，并得出了一些有益的结论。 2 1车辆动力学分析 2 1 1 汽车行驶阻力 汽车在水平路面上直线等速行驶时，必须克服来自地面与轮胎相互作用 而产生的滚动阻力和来自车身与空气相互作用而产生的空气阻力。当汽车在 直线上坡行使时，还必须克服其重力沿坡道的分力，称为坡度阻力。当汽车 耷 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 直线加速行驶时，还要克服汽车本身的惯性力，即还存在加速阻力。因此， 汽车直线行驶时的总阻力： f - o + r + 互+ ( 2 - 1 ) 式中e 滚动阻力； 咒空气阻力； f 坡度阻力； f ，加速阻力。 上述各种行驶阻力中，滚动阻力和空气阻力在任何行驶条件下都存在。 坡度阻力和加速阻力只有在上坡行使和加速行驶时存在。 下面给出这几种阻力的计算公式： a 滚动阻力 f ，= g ，( 2 2 ) 式中g 汽车重力，n ： ，滚动阻力系数。 滚动阻力系数的数值是由试验确定的，其数值的大小与路面的种类及其 状况、行驶车速、轮胎结构、轮胎气压等因素有关。一般取值o 0 0 6 0 0 1 2 。 b 空气阻力 f 。；毛c d a p h ： 式中c 。空气阻力系数； a 迎风面积，即汽车在行驶方向上的投影面积，m 2 p 空气密度，一般取p = 1 2 2 5 8 n s2 m 。4 ： ( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 以汽车与空气的相对速度，无风时即汽车的运动速度，m s 。 如果汽车行驶速度以k m h 计，并将空气密度p 的数值代入，则上式为 f ；c d a i m ( n ) ，w5 面n c 坡度阻力 f=gs i n a( n ) 式中a 道路的坡度角，( 。) d 加速阻力 f ：翻生( n ) o 出 式中6 汽车旋转质量换算系数； m 汽车质量，k g ； 。d u 汽车行驶加速度，m s ：。 d f 2 1 2 列车运行阻力 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 列车运行阻力w 可分为基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列车运行的 任何情况下都存在的阻力，附加阻力是在列车运行的个别条件下才产生的阻 力。这里我们只考虑列车运行的基本阻力。 基本阻力通常由轴承阻力、滚动阻力、滑动阻力、冲击和振动阻力和空 气阻力这五个部分组成。这五个部分阻力之和通常用式2 7 表示： = a + b v + c v 2( 2 - 7 ) 式中口，b ，c 为阻力系数。 由文献 4 0 】可知在实际应用中，车辆的基本阻力计算如表2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表2 - 1 车辆单位基本阻力表 类别计算公式 客车矽；1 6 6 + o 0 0 7 5 v4 - 0 0 0 0 1 5 5 v 2 滑动轴承空：1 5 3 + 0 0 2 4 4 v + 0 0 0 0 4 2 1 1 2 货车 重矿：1 0 7 + o 0 0 1 1 v + 0 0 0 0 2 3 6 v 2 空：1 2 5 + 0 0 0 9 9 v + o 0 0 0 1 8 6 v 2 滚动轴承 5 0 k g 及以上钢轨 ，0 7 6 + 0 0 0 6 5 1 1 + o 0 0 0 1 8 6 v 2 货车 重 4 9 k g 及以下钢轨 h 7 0 8 8 + 0 。0 1 1 5 1 , + o 0 0 0 0 2 0 v 2 我国几种主要类型的机车试验所得的基本阻力”1 为 韶山，型电力机车： 缈。1 4 0 + 0 0 0 3 8 v + 0 0 0 0 3 4 8 v 2 韶山。型电力机车： i 矿= 1 0 2 + 0 0 0 3 5 v + 0 0 0 0 4 2 6 矿2 东风，型： = o 8 6 + 0 0 0 5 4 v + 0 0 0 0 2 1 8 v 2 广州某型号地铁车辆： 矸7 = 1 9 7 + o 0 1 5 矿+ 0 0 0 0 1 5 6 矿2 式中y 车辆运行速度，k m h 。 2 2 超级电容基准容量的确定 2 2 1 电动汽车可回收利用能量的确定 我们假设车辆行使阻力为，刚有 e _ 1 2 m v z _ f “j 式中e 可回收利用的能量，j ： ( 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 m 车辆的质量，k g ； y 制动初速度，m s ； s 制动距离，r n ； ，车辆运行阻力，n 。 根据车辆运动方程有： m x 一( - b 一，) ( 2 - 9 ) 式中b 制动力，n ： x 车辆的加速度，m s2 。 根据式2 - 9 以及2 2 1 节的推导，可以建立电动汽车制动动力学模型。 0 图2 - 2 恒流制动转矩特性 在这里我们采用理想的恒流制动特性，忽略换向条件、最高速度等方面 的限制，其曲线如图2 - 2 ，假设制动功率为p ，当车辆运行在v 。到q 阶段的 时候，由于采用了恒功率制动，因此制动力b 与速度y 成反比。 卟多= 导 ( 2 _ l o ) 当车辆运行在v ，到0 阶段的时候，制动力b 与速度y 成正比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 b = k z ( 2 一1 1 ) 我们假设汽车在水平道路上制动，当汽车运行在y 。至_ l j v ，阶段的时候有： 意( g ，一等) 工 当汽车运行在v 。到0 阶段的时候有： o o ( 一k x 。一g ，一羔) ( 2 一1 2 ) ( 2 一1 3 ) 根据以上推导，利用m a f l a bs i m u l i r i k 工具箱建立动力学模型，可以仿真 出制动过程中电动汽车的总动能、可以回收利用的动能以及制动时间、制动 距离等参数。电动汽车的m a t l a b 动力学模型如图2 3 所示： 图2 - 3 电动汽车制动系统动力学模型 仿真参数如表2 - 2 所示脚1 。利用图2 3 所示的动力学模型，可以仿真得 出车辆在不同制动初速度下制动所对应的制动时间、制动距离、车辆总动能 以及可回收利用的动能等结论，如表2 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 表2 2 某型号电动汽车仿真参数列表 制动功率整车质量滚动阻力车辆迎风空气阻力 ( 1 【w )( k 曲系数 面积( m2 ) 系数 1 01 3 0 00 0 0 81 7 5 0 3 1 5 车轮的滚动半径：o 2 8 7m d c 电机与车轮之间的传动比：4 6 3 表2 3 电动汽车在不同制动初速度时的制动特性表 制动初速制动末速制动时间制动距离总动能可回收利用 度( k m 1 1 )度0 n n h a )( s )( m )( j )的动能( j ) 3 0o - 1 2 8 53 34 5 1 3 84 1 4 3 9 4 0o 1 6 0 76 48 0 2 4 67 2 3 3 4 5 00 1 9 9 61 1 31 2 5 3 8 51 0 9 8 7 9 6 002 4 4 01 8 11 8 0 5 5 51 5 2 6 9 0 7 00 2 9 2 52 6 82 4 5 7 5 62 1 7 8 8 6 7 04 0 1 3 1 82 0 41 6 5 5 0 91 2 6 9 6 7 8 04 0 1 8 2 83 1 12 4 0 7 4 11 7 5 6 4 1 9 04 0 2 3 4 94 3 43 2 6 0 0 32 2 5 1 1 8 1 0 04 0 2 8 6 75 7 04 2 1 2 9 62 7 4 1 7 8 1 1 04 03 3 7 57 1 85 2 6 6 2 03 2 1 7 6 7 1 2 04 0 3 8 6 48 7 56 4 1 9 7 53 6 7 2 2 8 2 2 2 地铁轻轨车辆可回收利用能量的确定 若我们以地铁、轻轨车辆为研究对象，可得到与2 2 1 节相似的结论 当车辆运行在到v 。阶段的时候有： ( 2 1 4 ) 、j 2 笫c+x6+盯一 p 一z 一 ，l l i xm 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 当车辆运行在v 。到0 阶段的时候有： 2 m xt ( 一k z a + 6 z + c x ) ( 2 - 1 5 ) 同样我们利用m a t l a bs i m u l i n k 工具箱建立动力学模型，可以仿真出制动 过程中车辆的总动能、可以回收利用的动能以及制动时间、制动距离等参数， 地铁车辆、轻轨车辆的m a t l a b 动力学仿真模型如图2 4 所示： 图2 4 地铁、轻轨车辆制动系统动力学模型 仿真参数如表2 - 4 所示。利用图2 4 所示的动力学模型，可以仿真得 出不同车辆在不同制动初速度下制动所对应的制动时间、制动距离、车辆总 动能以及可回收利用的动能等结论，如表2 - 5 所示： 表2 4 地铁车辆仿真参数列表 f 制动功率车重 ab c 1 1 8 4k w4 0t1 9 7 0 0 1 50 0 0 0 1 5 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表2 5 地铁车辆在不同制动初速度时的制动特性表 制动初速度制动时间制动距离总动能可回收利用 0 e m h )( s )( m )( j )的动能( j ) 4 01 1 44 02 4 6 9 1 3 62 4 6 9 0 8 6 5 01 4 _ 37 63 8 5 8 0 2 53 8 5 7 8 8 6 6 01 7 81 3 15 5 5 5 5 5 65 5 5 5 3 1 2 7 0 2 1 52 0 77 5 6 1 7 2 97 5 6 1 3 3 4 8 02 6 83 0 99 8 7 6 5 4 39 8 7 5 9 4 0 9 0 3 0 64 4 01 2 5 0 0 0 0 11 2 4 9 9 2 2 1 1 0 03 6 46 0 31 5 4 3 2 1 0 01 5 4 3 0 8 6 5 2 2 3 电容基准容量的选择 根据超级电容的特性，超级电容存储能量可以表示为： e ：昙c c ，。2 u ：2 ) ( 2 1 6 ) 式中：e 超级电容存储的能量，j ； c 超级电容容量，f ： u ，超级电容容量，v ； u ，超级电容容量，v 。 令电容放电深度为a ，则有： e ：昙c p 。2 一( nt u 。) z ) c = 竺( 2 - 1 7 ) ( 1 一a2 ) u 1 假设电容放电深度为3 0 ，根据表2 。3 、2 5 ，可以得出超级电容的基准 容量和工作电压，如表2 6 、2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 制动初速度制动末速可回收利用工作电压电容器组基 o , m h )度( k i n h 、的能量( j )( v )准容量( f ) 3 0o4 1 4 3 91 4 44 5 4 0o7 2 3 3 41 4 47 8 5 001 0 9 8 7 91 “1 1 8 6 0o1 5 2 6 9 01 4 41 6 _ 3 7 002 1 7 8 8 61 4 42 1 3 7 04 01 2 6 9 6 71 4 41 3 5 8 04 01 7 5 6 4 11 4 41 8 7 9 04 02 2 5 1 1 81 4 42 3 9 1 0 04 02 7 4 1 7 81 4 42 9 1 1 1 04 03 2 1 7 6 71 4 43 4 2 1 2 04 03 6 7 2 2 81 4 43 9 0 表2 7 地铁、轻轨车辆在不同制动初速度时超级电容基准容量表 制动初速制动末速可回收利用的工作电压电容器组基 度( k i n h )度( 1 , m h ) 能量( j )( v )准容量( f ) 4 0o2 4 6 9 0 8 6 7 5 0 23 6 5 0o3 8 5 7 8 8 67 5 0 25 5 6 0o5 5 5 5 3 1 27 5 0 27 9 7 0o7 5 6 1 3 3 4 7 5 0 2 1 0 8 8 0o9 8 7 5 9 4 0 7 5 0 21 4 1 9 001 2 4 9 9 2 2 1 7 5 0 21 7 8 1 0 0 o1 5 4 3 0 8 6 5 7 5 ( ) 22 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1a n 2 3 超级电容的串并联 2 3 1 超级电容简介 超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r , u l t r ac a p a c i t o r ) ，又称为双电层电容器 ( e l e c t r i c a ld o u b l e l a y e rc a p a c i t o r ) 、黄金电容、法拉电容，它主要通过极化 电解质来存储能量。超级电容是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发 生化学反应。 超级电容是一种先进的高能量存储元件，目前已经在世界各国取得了广 泛应用。其基本原理为：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表 面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形 成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小( 一般在0 5 m m 以下) ，再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极 大的电容量。超级电容器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻 底改变了人们对电容器的传统印象。 1 超级电容的特点 相比蓄电池来说，超级电容器主要有以下几点优势： 1 电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电 解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大， 则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1 f ，它的出现 使普通电容器的容量范围骤然跃升了3 到4 个数量级，目前单体超级电容 器的最大电容量可达5 0 0 0 f 。 2 充放电寿命很长，可达5 0 0 0 0 0 次，或9 0 0 0 0 小时，而蓄电池的充放电寿 命很难超过1 0 0 0 次；可以提供很高的放电电流，如2 7 0 0 f 的超级电容器 额定放电电流不低于9 5 0 a ，放电峰值电流可达1 6 8 0 a ，一般蓄电池通常不 能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下 的使用寿命将大大缩短。 3 充电迅速，使用便捷，超级电容可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电 池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 4 可以在很宽的温度范围内正常工作( - 4 0 + 7 0 ) ，而蓄电池很难在高 温特别是低温环境下工作。 5 无污染，真正免维护，超级电容器用的材料是安全无毒的，而铅酸蓄电池、 镍镉蓄电池均具有毒性；而且，超级电容器可以任意并联使用来增加电容 量，如果采取一定的均压措施以后，还可以串联使用。 6 有超强的荷电保持能力，漏电流非常小。 7 比脉冲功率比蓄电池高近十倍。 2 超级电容主要参数 工作电压v w ：电容器能够连续长期保持的最大电压。 电流( ) ：对电容器进行充电后，为使电容器在某一电压处于稳定态 而从外部施加的一个电流。 时间常数( r c ) ：如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一 个电阻的简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时间常数。其单位为秒， 相当于将电容器恒压充电至满充容量的6 3 2 时所需的时间。 等效串联电阻：当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效 模拟电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。等效串联电阻可以利用交 流阻抗技术或电流阶跃技术测试得到。 放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法 是将放电过程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。 理想存贮能量：电容器存贮能量的理想值。对于一个简单的电化学电 容器，其理想存贮能量值可以通过0 5 c w 2 来计算，其中c 为电容器的容量， v 为电容器的工作电压。 平均放电功率：平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功 率。 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最 大输出功率，计算公式为y 2 ( 4 r ) ，此处矿为电容器的初始电压，而r 为电 容器的等效串联电阻。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 放电效率：在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入的 能量的百分比。 3 超级电容充放电特性 a 充电特性 数 由文献 1 2 可知，超级电容在充电时电压u ( t ) 以及电流j o ) 随时间t 的函 u ( t ) - u 一【1 一e 。“ j p ) = ，r4 e - t l ( ” 式中 u p ) 超级电容端电压，v u 。充c a t , k , ，v ； r 充电电阻，q ； c 超级电容容量，f ； j 流经电容的电流，a 。 b 放电特性 ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 由文献 1 2 可以知道，在不考虑超级电容自放电影响情况下，超级电容 放电特性可表示成： u ( t ) = $ e 刮删 式中 【，o ) 超级电容端电压： r 负载阻抗； c 超级电容容量。 ( 2 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 3 2 超级电容串并联特陛 超级电容容量的选择并不是越大越好，在实际应用当中，还要考虑电容 的体积、重量以及成本等等因素。 在实际应用中，常采用同型号的超级电容串并联来构成超级电容组。假 设所使用的超级电容组是由n 个相同的电容串联成一条支路以后，再与n 条 相同的支路并联组成的，那么超级电容组的容量为： n c c e u n m 4 h e l t o t a l = 。” 万* 式中c o ，超级电容组容量，f c c e t t 单体超级电容容量，f ，。并联的之路数： i l s e r i e s 一条之路上串联的个数。 等效串联内阻为： 2 瓮导 式中 心。，超级电容组的等效串联电阻，q ； r 。单体超级电容的等效串联电阻，q 。 工作电压为： k 。f ；，l 。 k 容许电流为： i , o , o ( = n h i ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 2 3 3 超级电容组的电压均衡措施 以p o w e r s t o rp 系列的超级电容为例，这种超级电容的单体工作电压为 2 5 v ，但是在实际应用中往往需要更高的耐压，因此通常把许多超级电容串 联在一起，以提高耐压性能。但是，串联以后必须通过一定的均压措施，来 保证每一个超级电容的工作电压不会超过其自身的额定工作电压。否则超级 电容的等效串联内阻就会增大，使用寿命会大大减少，甚至会损坏超级电容。 在实际应用中，常采用的均压措施有被动式均压和主动式均压两种方法。 被动式均压是指采用相同大小的分压电阻与每一个单体超级电容并联， 从而达到均压的目的，如图2 5 所示。均压电阻的选择很重要。当要求有很 小的泄漏电流时，通常使用4 7 0 k q 到1 2 m q 的高阻值均压电阻，可以产生 2 到5 a 的泄漏电流。当采用连续能源时，常用4 7 到1 0k q 的低阻值均压 电阻，这种方法可以使不匹配的元件快速达到平衡，泄漏电流一般在0 2 5 到 o 5 m a 。使用燃料电池、太阳能作为连续电能源时可使用低阻值电阻来平衡。 主动平衡方法仅仅在需要高电压、高可靠性的系统时采用的一种均压措 施。这种方法是通过微处理器来测量电压的不同，再经过一定的控制措施来 达到快速的平衡。主动平衡措施不会使泄漏电流明显增加，但会比被动式均 压措施成本高。 ljjj 。 。 j |j j c | |1 1| | |l _ | | | | |l f | i | |l i| |l | | |i |l | l l 图2 5 超级电容组被动式均压电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 2 4 超级电容充放电时间常数的确定 超级电容作为一种高功率动力源，可大电流充放电，并且使用寿命比电 池大的多，这使得其充放电效率对性能的发挥有着极其重要的影响。超级电 容器组的时间常数是决定超级电容器组充放电效率的重要因数川。由文献 7 】 可以知道，超级电容器组的充放电时间的确定主要从如下一个方面考虑： 1 超级电容器组的充放电效率 假设电容组以恒定的电流，充放电，经过时间t 后，电容器组电量从q 。到 q ：，相应的电压由u 。到u ：，则电容器组存储释放的能量e 为： e ；三虹：二鱼：)( 2 _ 2 5 ) 2c 此时超级电容器组内m r c 消耗的能量e 。为： e r = 1 2 r c t = r c ( q 1 一q 2 ) 2 t ( 2 - 2 6 ) 定义时间常数f = r c c ，卢= u 。u ：( 充电) 或卢= u 2 u 1 ( 放电) ，由 式2 - 2 5 、2 - 2 6 得到充电效率