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电电混合电动汽车制动能量反馈的仿真研究 摘要 由于石油危机和传统内燃机汽车对环境的污染，电动汽车引起了广泛关注 和重视。电动汽车的优点是零污染排放和依靠电能作为动力，缺点是受电池技 术的限制使得续驶里程低。由蓄电池和超级电容联合作为电源的电动汽车，在 汽车制动时，因为超级电容快速冲放电的特性，由超级电容吸收大部分制动能 量，可以提高汽车的续驶里程。 本论文使用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了以蓄电池和超级电容混合的电动 汽车能量传递模型，模型包括整车模块、电机模块、功率分配模块、蓄电池模 块和超级电容模块，并导入城市循环工况进行仿真。在仿真模型的基础上，首 先，通过对比有无超级电容的电动汽车电池容量，分析超级电容对汽车经济性 尤其是制动能量反馈的影响；然后通过调整蓄电池和超级电容的参数例如重量、 串并联数目，优化汽车性能；最后，重点分析功率分配模块中的蓄电池和超级 电容在汽车加速、匀速、制动时的分配比例，通过调整和比较选择最合适的分 配策略，使得电动汽车更节省能源。为超级电容在电动汽车上的运用提供了理 论基础。 关键词：电动汽车、超级电容、模型、再生制动、分配策略 t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hi n t ob r a k i n ge n e r g y r e g e n e r a t i o no fh y b r i de l e c t r i cve h i c l e a b s t r a c t b e c a u s eo ff u l e lc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb r o u g h tb y t r a d i t i o n a l i n t e r n a lc o m b u s t i n ee n g i n ea u t o m o b i l e ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt oe v ( e l e c t r i c v e h i c l e ) e l e c t r i cv e h i c l eu s e se l e c t r i c i t yf o re n e r g yr e s o u r c e s ，t h e r e f o r eo w n st h e a d v a n t a g eo fz e r oe m i s s i o nt o t h ea i r ，b u tt h ed i s a d v a n t a g ei st h a ti t sd r i v i n g m i l e a g ei ss h o r td u et ot h et e c h n o l o g yo fb a t t e r y e vw i t hb a t t e r ya n ds u p e r c a p a c i t o rc a nh a v eh i g h e rd r i v i n gm i l e a g eb e c a u s ew h e ne vb r a k e s ，t h es u p e r c a p a c i t o r , w h i c hh a st h ec h a r a c t e ro fq u i c kc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gi nas h o r tt i m e ， w i l la b s o r bm o s to fr e g e n e r a t i v ee n e r g y t h i sp a p e rb u i l d st h ee ve n e r g yf l o w i n gm o d e lb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e t h em o d e lc o n t a i n sv e h i c l em o d u l e ，m o t o rm o d u l e ，p o w e rd i s t r i b u t i o n m o d u l e ，b a t t e r ym o d u l ea n ds u p e rc a p a c i t o rm o d u l e ，t h e ni n p u t sc i t yc y c l ei n t ot h e m o d e lf o rs i m u l a t i o n o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o nm o d e l ，f i r s tb yc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n c eo fb a t t e r yc a p a c i t yb e t w e e ne vw i t ha n dw i t h o u ts u p e rc a p a c i t o r ， a n a l y z et h ee ve n e r g ye c o n o m ye s p e c i a l l yb r a k i n ge n e r g yr e g e n e r a t i o ni m p a c t e d b ys u p e rc a p a c i t o r t h e na d j u s tt h ep a r a m e t e r so fb a t t e r y ，s u p e rc a p a c i t o rs u c ha s w e i g h t ，s e r i a ln u m b e ra n dt h en u m b e ro fp a r a l l e lt oo p t i m i z ee vp e r f o r m a n c e t h i s p a p e rf o u c u so nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nr a t i ob e t w e e nb a t t e r ya n ds u p e rc a p a c i t o r u n d e rv a r i o u se vc o n d i t i o n sl i k ea c c e l e r a t i o n ，s t e a d ya n dd e c e l e r a t i o n ；s e l e c tt h e m o s ts u i t a b l ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g yb ya d ju s t i n ga n dc o m p a r i n gd i f f e r e n tn u m b e rt o s a v ee n e r g y ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i st ot h ea p p l i c a t i o no fs u p e rc a p a c i t o r t oe v k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，s u p e rc a p a c i t o r ，m o d e l 、r e g e n e r a t i v eb r a k i n g 、 d i s t r i b u t i o ns t r a t e g y 插图清单 图2 - 1 铅酸蓄电池理论模型6 图2 - 2 超级电容器等效模型1 0 图3 1 电电混合电动汽车能量传递简化模型1 5 图3 2 整车模型l6 图3 - 3 滚动阻力模型1 6 图3 - 4 加速阻力模型1 7 图3 - 5 爬坡阻力模型1 7 图3 - 6 空气阻力模型。l8 图3 - 7 电机效率模型19 图3 - 8 铅酸蓄电池内阻模型1 9 图3 9 蓄电池端电压和内阻模块一2 0 图3 - 1 0 蓄电池限制功率模块2 1 图3 - 11 蓄电池工作电压和电流计算模块2 1 图3 - 1 2 蓄电池s o c 计算模块2 2 图3 - 1 3 仿真结束模块2 2 图3 - 1 4 超级电容内阻模型2 3 图3 - 1 5 超级电容内阻模块2 3 图3 1 6 超级电容端电压和电流计算模块2 4 图3 1 7 超级电容s o c 计算模块2 5 图4 1 美国u d d s 城市循环工况2 6 图4 - 2 城市六循环工况2 7 图4 - 3 信号发生器界面2 7 图4 - 4 功率分配模型2 9 图4 - 5 蓄电池s o c 变化曲线31 图4 6 主电源蓄电池需要输出的功率31 图4 - 7 蓄电池电压变化曲线3 2 图4 - 8 蓄电池电流变化曲线3 2 图4 - 9 超级电容s o c 变化曲线3 2 图4 - 10 超级电容需要输出的功率3 3 图4 - 1 1 超级电容电压变化曲线3 3 图4 - 1 2 超级电容电流变化曲线3 3 图4 1 3 不带超级电容的电动汽车简化模型3 4 图4 - 1 4 有无超级电容的蓄电池电压变化曲线3 4 图4 - 15 有无超级电容的蓄电池s o c 变化曲线3 4 图4 一1 6 电动车辆结构原理图3 5 图4 - 1 7 母线电压随汽车里程的下降曲线3 6 图5 - 11 8 个和2 0 个蓄电池的s o c 变化比较3 7 图5 - 21 8 个和3 0 个蓄电池的s o c 变化比较3 8 图5 - 35 0 个超级电容串联的s o c 变化曲线3 8 图5 - 41 0 个串联一组、5 组并联的5 0 个超级电容的s o c 变化曲线3 9 图5 - 5 优化方案1 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 1 图5 - 6 优化方案2 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 1 图5 - 7 优化方案3 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 1 图5 8 优化方案4 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 2 图5 - 9 优化方案5 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 2 图5 - 1 0 优化方案6 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 2 图5 - 1 1 优化方案7 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 3 图5 - 1 2 优化方案8 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 3 图5 - 1 3 优化方案9 蓄电池和超级电容s o c 变化曲线4 3 插表清单 表2 - 1 超级电容与蓄电池的特点比较7 表3 - 1 蓄电池随s o c 变化的开路电压值2 0 表4 - 1 六循环工况随时间变化的速度值2 7 表4 - 2 蓄电池参数3 0 表4 - 3 超级电容参数3 0 表5 - 1 九种功率分配策略调整方案。4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金日垦至业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：套超 签字日期：力岬年争月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些太 兰兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：李超 签字日期：硼年争月加e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 2 历 尹，d 日 电话： 邮编： 特别声明 本学位论文是在我的导师指导下独立完成的。在研究生学习期间，我的导 师要求我坚决抵制学术不端行为。在此，我郑重声明，本论文无任何学术不 端行为，如果被发现有任何学术不端行为，一切责任完全由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 5 1 致谢 本论文是在尊敬的导师孙骏副教授的细心指导帮助下完成的。孙老师在我 整个研究生学习期间给予了关键性的、启发性的和鼓励性的指导，对我严格要 求，不断要求我进步，帮助我成长，我所取得的每一点成绩都是和导师的辛勤 工作分不开的。孙老师严谨求实的科学态度，渊博的专业知识，忘我的工作热 情以及对工作一丝不苟的态度，使我终身受益。在此，我向导师表示衷心的敬 意和感激。 此外，实验室尹安东副教授在本论文工作实验阶段以及日常的学习生活中 给予了极大的指导和帮助，对此，我向他们表示诚挚的谢意。 在硕士研究生学习期间，汽车教研室各位老师不断给予我成长的机会和无 私的关怀。在此向各位老师表示衷心的感谢。 感谢全体3 班同学对我研究工作的帮助、关心和鼓励。 感谢家人对我精神上和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 作者：李超 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 电动汽车发展概述 目前，汽车工业已经成为世界大多数工业化国家的支柱产业。一方面，汽 车产业的发展提高了人们的生活水平，提供了大量就业机会，创造了大量财富： 而另一方面，汽车在给人们带来便利的同时，不仅消耗了地球上有限的石油资 源，同时排放出的大量有害气体对地球的环境造成了严重的破坏，严重污染了 人类生存环境。现在，能源危机和环境污染已经成为了当今世界的主要两大问 题，各国为了保护环境，制定了相应的排放标准来限制内燃机汽车对环境的破 坏。同时，各国投入大量的物力和人力进行新型汽车一一电动汽车的研究。电 动汽车( e v ，e 1e c t r i cv e h i c le ) 得到了长足的发展。 为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入w t o 后我国汽车工业的竞 争力，2 0 0 1 年9 月，中国科技部在“十五 期间的国家“8 6 3 ”计划中，特别 设立了电动汽车重大专项。专项将从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择 新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，联合企业、高等院校 和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。在“十五 期间，促进我国符合市场经济发展要求的研发体系、机制和人才队伍的形成， 以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、系 统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代电动汽车制 高点，促进我国“三纵三横”研究开发布局。“三横是指纯电动汽车、混合动 力汽车和燃料电池汽车，“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键零部件。 由于电动汽车是机电一体化的系统工程，建造实际的车辆进行试验的代价 十分高昂。因此许多研发机构都采用计算机仿真的方法来对电动汽车进行仿真 从而预测电动汽车的性能与经济性，以得出有益的结论来指导电动汽车的进一 步开发。在电动汽车的研制过程中，建立正确的数学和力学模型，运用计算机 进行模拟计算和试验十分必要。尤其是在电动汽车各项理论未成熟之前，利用 模拟的试验研究方法，研究其性能的各参数对整车性能的影响效果以及各个参 数之间的相互影响关系。这种方法不仅能及时发现设计中的问题，预见电动汽 车的性能水平，而且能大大缩短研发周期，避免不必要的错误和损失。 1 2 超级电容在电动汽车上的应用 超级电容作为电能储存的工具还不到半个世纪，但其所能达到的能量特性 已经有目共睹。虽然早在1 9 7 8 年，h e l m o h o lt z 就发现了双电层现象，并建立 了界面模型对这一现象进行解释，但当时双电层并没有得到很好的应用，直到 b e c k e t 在1 9 5 7 年提出了用电容储能的专利，并以高面积碳为基础的电容器作 为储能元件，使之具有接近电池的能量密度，各国对超级电容的研究才进入了 一个崭新的时代。二十世纪九十年代，由于电动汽车发展的迫切要求，超级电 容的研究热点进入到了大功率和大能量上。1 9 9 3 年，为加强对超级电容充放电 性能的研究，美国能源部与p r i 联合开发和制造了用于8 v 、3 2 v 、1 0 0 v 的超级 电容评估装置。1 9 9 8 年，美国m a x w e l l 和法国s a f t 公司研制出碳基材料双电 极超级电容，但此时超级电容的比功率和比能量仍不能满足满足p n g v s ( p a r t e n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) 规定的目标。2 0 0 0 年以 来，商品化的高能量密度，高功率密度超级电容已经形成，充放电电流大、频 次高、使用寿命长的特点，推动了其储能技术在工程中的应用。超级电容的商 品化和军事领域的应用，促使美国能源部提出了超级电容的近期目标和远期目 标：近期使能量密度为5 w h k g ，功率密度为5 0 0 w k g ；远期能量密度为1 5 w h k g ， 功率密度为1 5 k w k g i l l 。 从超级电容的整个反战过程可以看出，日本、美国、俄罗斯的研究处于领 先地位。目前，在超级电容的产业化方面，这三个国家基本占据了整个超级电 容市场，特别是日本，2 0 0 0 年统计的数据日本本土的生产量占全球的7 0 。我 国在超级电容方面的研究处于明显落后的状态，但近年来随着对超级电容的意 思逐渐提高，全国各高校和许多科研机构积极参与，同时，为了加速超级电容 在我国的应用，上海和哈尔滨有两家超级电容生产厂家开始引进国外技术，转 入商业化生产，但总体上还处于起步的阶段，而且研究的力度也不够。 由于超级电容优越的性能特点，它与电池并联使用作为电动汽车的动力系 统已被公认为解决电动汽车发展的最优途径。超级电容器是一种专门用于储存 电能的特种电容器，被誉为当今世界上最前沿的绿色环保能源。超级电容容量 大，单体电容量最大可以达到1 0 万法拉，质量比功率可以达到1 0 0 0 w k g 以上； 因为它是物理电池，充放电所进行的主要为物理反应，与化学电池相比有很高 的循环效率，同时它又是一种无记忆储能元件，有很强的耐过充能力、过放电 能力；而且超级电容具有优秀的寿命循环，当超级电容完全为汽车开发时，它 能够与汽车寿命一样持久 2 - 3 1 。 电动汽车在市内行驶时，频繁的制动产生的能量往往以热能被浪费掉。如 果依靠电池来吸收这部分制动能量，由于电池本身充放电时间非常长，很难充 分吸收。超级电容快速冲放电的特性则可以在很短的制动时间里有效地吸收大 部分制动能量，这样，不仅节省了能源，同时提高了电动汽车的续驶里程【4 】。 1 3 仿真整体设计方案 使用m a t l a b 软件【5 l ，设计电动汽车的仿真模型。以铅酸蓄电池和超级电容作为 电动汽车的电源。其中铅酸蓄电池为主能源，主要在汽车平稳行驶时提供能量； 超级电容为辅助能源，在汽车加速、起动时提供辅助能量，而在电动汽车制动 时回收大部分反馈制动能量。 2 该模型采用后向仿真的方式，以城市循环工况作为输入，经过整车模型、 电机模型、功率分配模型到达铅酸蓄电池模型和超级电容模型。在铅酸蓄电池 和超级电容模型里，可以看到铅酸蓄电池和超级电容的参数变化，例如s o c 、 电压、电流以及分别可以提供和吸收的功率等。 为了对比有无超级电容对电动汽车行驶的影响，也搭建了没有超级电容的 电动汽车模型。该模型同样以城市循环工况作为输入，经过整车模型、电机模 型到达铅酸蓄电池模型，缺少了功率分配模型和超级电容模型。在搭建完模型 后，可以进行各种仿真。 在仿真模型的基础上，可以改变蓄电池和超级电容的选择参数例如重量、 串并联数目等，提高电动汽车的经济性。同时，调整功率分配策略，分配不同 的功率给蓄电池和超级电容，通过对比选择出最优的一组分配比例，探讨如何 使超级电容更好地在电动汽车上得到运用。 1 4 本章小结 由传统内燃机汽车造成的石油危机和环境污染促使各国政府寻找新的能源 来代替汽油、柴油稀缺不可循环资源，电动汽车由此产生。现在的电动汽车受 蓄电池等技术的限制，需要超级电容来进行辅助充放电。采用计算机仿真的方 法可以缩短研发周期，及时发现问题，更好地预见电动汽车的性能水平。 第二章电动汽车核心元件 电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动机械系统、车身、 底盘以及其他电器设备【6 】。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，是与传统 内燃机驱动汽车的最大不同之处。电力驱动及控制系统主要由电源、电机和控 制装置等组成。 ( 1 ) 能源系统 能源系统为电动汽车的驱动电机提供电能，是整车的动力来源。在目前电 动汽车上，主要使用各种不同的蓄电池提供电能作为动力源，用周期性的充电 补充电能。在电动汽车中，蓄电池的性能是决定整车性能的重要因素。虽然在 蓄电池输出和储存电能时看上去是一个简单的电能存储装置，但实际上蓄电池 的动态特性异常复杂。蓄电池的充放电过程涉及化学、电、热等多学科领域。 在充放电过程中，蓄电池的各项性能参数，例如电动势、内阻、荷电状态、温 度等相互影响，错综复杂。而蓄电池产生的热量使其自身温度升高，对蓄电池 的整体性能产生很大的影响。在电动汽车行驶过程中，蓄电池经常处于充放电 的状态，仿真起来难度很大。 作为电动汽车的主能源系统一一蓄电池的补充动力能源，超级电容已经越 来越多地得到了运用。超级电容的优点很多：很高的功率密度，极长的充放电 循环寿命，非常短的充电时间，高可靠性等。尤其是当汽车制动时，蓄电池很 难充分吸收制动能量，而超级电容却可以在很短的时间内大量吸收制动能量， 这样相应的提高了电动汽车的能量利用率和汽车的行驶里程。 现在蓄电池和超级电容一起作为电动汽车的能源系统，一起驱动汽车行驶。 蓄电池作为主能源，超级电容作为辅助能源。在提供动力和回收制动能量的同 时，蓄电池和超级电容间也进行着能量的传递 7 - s l 。 ( 2 ) 驱动系统 驱动电机的主要作用是将能源系统提供过来的电能转化为机械能，通过传 动装置驱动车轮。现代电动汽车所采用的驱动电机主要是交流电动机、无刷永 磁直流电机和开关磁阻电动机等。驱动电机除了是电动汽车的驱动装置，一般 还要求能够在电动汽车制动过程中实现对制动能量的回收。制动能量的回收有 利于电动汽车节能和延长电动汽车的行驶里程，这是电动汽车节能的重要措施 之，一【9 1 。 2 1 蓄电池种类和建模理论 由于蓄电池电动汽车行驶的动力源主要来自电池的电力，因此蓄电池电动 汽车常被称为纯电动汽车。按照蓄电池的种类分类，可以把电动汽车分为铅酸 蓄电池电动车，镍氢电池电动汽车，锂离子电池电动汽车等。 作为电动汽车的电源应满足的要求有：高的比能量和比功率( 延长续驶， 4 在大电流工作时可平稳放电，提高加速，爬坡性能) ，循环寿命长，安全可靠， 免维护，对环境污染小，节省能源及成本低廉。对蓄电池电动汽车的未来起决 定作用是电池的性能。蓄电池的主要性能参数有功率密度、能量密度、可靠性、 寿命和价格等。相比于铝空气电池和质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 相比，常 见的蓄电池的比能量较低，但比功率较高【l o 】。 2 1 1 常用蓄电池 2 1 1 1 铅酸蓄电池 以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于酸蓄电池电极是以 铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池的特点是开路电压高， 放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便 宜，规格齐全。 2 1 1 2 镍一氢电池 镍一氢电池亦称氢一镍电池。常见的镍一氢蓄电池是高压镍一氢电池。高压氢一 镍电池是2 0 世纪7 0 年代初由美国m k 1 e i l 3 和f s t o c k e l 等首先研制的，单体 电池用氢电极为负极，镍电极为正极，在氢电极和镍电极间夹有一层k o h 电解 质溶液的石棉膜。高压镍一氢电池的优点主要是比能量较高、寿命长、耐过充过 放以及可以通过氢压来指示电池荷电状态等。主要缺点为：容器需要耐高压， 一般充电后氢压3 5 m p a ，这就需要用较重耐压容器，降低了电池的体积比能 量及质量比能量；自放电较大；不能漏气，否则电池容量减小，并且容易发生 爆炸事故；成本高；能量密度低。因此，目前研制的高压氢一镍电池主要是应用 于空间技术“。 2 1 1 3 锂离子电池 锂电池指以金属锂或含锂物质为负极的化学电源的总称。锂离子电池的优 点主要有6 方面：能量密度高，电压高可达3 7 伏，无污染、环保型，循环寿 命长，负载能力大，安全性好。 2 1 2 铅酸蓄电池理论模型 在电动汽车上，一般选用铅酸蓄电池作为主能源。近年来，随着电动汽车 建模仿真研究的深入，电动汽车用蓄电池的仿真模型也出现了多种，比较有代 表性的如内阻模型、阻容模型、神经网络模型等。下面对最常用的内阻模型进 行介绍，为第三章的仿真模型建立打好理论基础。 在常用的电动汽车仿真软件例如a d v i s o r 刘中，电池模型主要采用内阻模 型4 。内阻模型将电池看成一个理想电压源和一个电阻串联的等效电路，如图 2 - 1 所示： v 图2 1 铅酸蓄电池理论模型 图中，电压源为电池电动势；电池内阻r 妇，电池内阻r m 。由极化内阻r ， 和欧姆内阻尺。组成，它的电阻值随着荷电状态s o c 和充放电的状态而发生变 化，具体计算公式如下1 5 】【1 6 】： 欧姆内阻r 。= o 1 9 6 0 0 2 4 8 s o c + 0 0 1 5 4 s o c 2( 2 1 ) 放电和充电时极化内阻足的变化很大，用公式表示如下： 充电时： r 尺曲a r g 。= 0 0 2 3 5 + 0 0 0 4 6 s i n 1 2 5 万( s o c o 4 ) 】 ( 2 - 2 ) 放电时； 尺触，曲。r g 。= 0 0 0 9 s o c 一0 0 0 4 2 o 8 s o c 1 ； ( 2 3 ) r 删a f g e = o 0 0 2 5 s d c + o 0 0 1 0 4 s o c 0 8 ； 。( 2 - 4 ) r 腑西。琅。= 一0 0 0 4 5 s o c + 0 0 0 38 s o c o 4 ； ( 2 - 5 ) 电流i 由下式推出： ，= 垦生 笙掣 ( 2 6 ) 当所需的功率是正值时即需要驱动汽车，电流方向如图2 1 所示， 当所需的功率是负值时即汽车制动反馈能量，电流方向和图中所示的相反 b t ， 电压v = v o ，一r xi ； 通过以上方程，可以计算出蓄电池的荷电状态s o c ，规定s o c 为b s ： 胱= 董塑笔嚣笋 弘7 ， 2 2 超级电容种类和建模理论 超级电容全称为电化学双电层电容器( e l e c t r o c h e m i c a ld o u b l el a y e r c a p a c i t o r ，e d l c ) 。h e l m h o l t z 于1 8 5 3 年发现，在电势的作用下，电极和电解液 之间的固、液双层结构间可以存储能量。它通过电解质极化以静电方式来存储 能量1 1 9 1 。 超级电容是一种比传统电容更优秀、档次更高的电容。当前研制成功的超 级电容器具有如下特点： 6 ( 1 ) 很高的功率密度。超级电容器的内阻很小，并且在电极溶液界面和 电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高 达数k w k g ，是任何一个化学电源无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。 ( 2 ) 极长的充放电循环寿命。超级电容在充放电循环过程中没有发生电化 学反应，其循环寿命可达数万次以上。当今蓄电池的充放电循环寿命只有数百 次，只有超级电容器的几十分之一。 ( 3 ) 非常短的充电时间。从目前已经做出的超级电容器充电试验结果来看， 在电流密度为7 m a c m 时( 相当于一般蓄电池充电电流密度) ，全充电时间只 要1 0 一- - 12 分钟；蓄电池组这么短的时间内是无法实现全充电的。 ( 4 ) 妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般来说， 比能量高的贮能体系其比功率不会太高；同样，一个贮能体系的比功率比较高， 其比能量就不一定会很高，许多电池体系就是这样。超级电容器可以提供1 5 k w k g 高比功率输出的同时，其比能量可以达到5 2 0 w h k g 。将超级电容器 和蓄电池组合起来，就会成为一个兼有高比能量和高比功率输出的贮能系统。 ( 5 ) 贮存寿命极长。超级电容器充电之后贮存过程中，虽然也有微小的漏 电电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用 下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质。再者，所用的 电极材料中相应的电解液也是稳定的，因而超级电容器的贮存寿命几乎可以认 为是无限的。 ( 6 ) 高可靠性。超级电容工作过程中没有运动部件，维护工作极少，也不 必象蓄电池那样要充放电维护，因而超级电容器的可靠性是非常高的。 表2 1 列出了超级电容器与铅酸蓄电池的比较 2 1 1 。 表2 一l 超级电容与蓄电池的特点比较 贮能单元 铅酸蓄电池 超级电容器 充电时间l 一- - 5 h0 3 ，- - 3 0 s 放电时间 0 3 3 h 0 3 3 0 s 能量密度( w h k g ) 1 0 5 01 1 0 功率密度( w k g ) 1 0 0 0 1 0 0 0 0 循环寿命 5 0 0 0 0 0 次 充放电效率 7 0 8 5 9 5 2 2 1 常用超级电容 实际应用中的超级电容器有很多种类。通常可以根据超级电容器的电极材 7 料和电解质材料进行分类，不同的超级电容器具有不同的特性1 2 2 1 。 2 2 1 1 根据电极材料分类 按照电极材料的不同可以把超级电容器分为三类：碳电极双层超级电容、 金属氧化物电极超级电容和有机聚合物电极超级电容。采用金属氧化物电极的 优点是比功率很高，但这些超级电容价格昂贵，是研究初期主要采用的电极材 料，主要用于军事领域。随着研究的深入，碳材料成为商品化超级电容所采用 的主要电极材料，它具有成本低、单位重量的表面积大、技术成熟等优点。有 机聚合物电极技术还处于实验室研究阶段。 2 1 1 2 根据电解质材料分类 根据电解质材料的不同超级电容器可以分为两类：有机物电解质超级电容 和水基溶液电解质超级电容。采用有机物作为电解质的超级电容工作电压较高 ( 2 3 v - - 2 7 v 左右) ，而采用水基溶液作为电解质的超级电容器工作电压只有 1 v 左右。由于电离相对困难，前者单位体积的内阻比后者要高得多，但是由于 前者的比能量大，所以更受关注。 2 1 1 3 碳一镍体系超级电容 碳一镍体系超级电容器是一种混合型超级电容，结合了双电层电容器和准电 容的储能原理，与这两种电容器相比，显示出比功率性能和比能量性能上的优 势。 碳一镍体系超级电容器目前的研究重点是进一步提高活性碳电极的比表面 积，提高比容量，以及将有机电解液引入这种体系结构，进一步提高单体电压， 从而提高电容器的比能量性能。 2 2 2 超级电容理论基础 2 2 2 1 超级电容性能参数 超级电容的主要性能参数决定于电容器电极、电解液的材质和制造工艺。 超级电容的性能参数主要有 2 3 1 ： ( 1 ) 工作电压( 圪) ：超级电容能够连续长期保持的最大电压。 ( 2 ) 电流( ，) ：对超级电容进行充电后，为使超级电容在某一电压处于稳定态 而从外部施加的电流。 ( 3 ) 时间常数( 只c ) ：如果一个超级电容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，相当于将超 级电容恒压充电至满充容量的6 3 2 时所需的时间。 ( 4 ) 等效串联电阻( e s r ) ：当一个超级电容被模拟为包括电感、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。 ( 5 ) 等效并联电阻( e p r ) ：超级电容的等效模型中并联部分的电阻，也叫漏 电阻。 ( 6 ) 漏电流：超级电容静置自放电时的放电电流。 ( 7 ) 放电容量：超级电容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。 ( 8 ) 理想存贮能量：超级电容存贮能量的理想值。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o 5 c 巧来计算，其中c 为电容器的容量，圪为 电容器的工作电压。 ( 9 ) 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。 ( 1 0 ) 最大输出功率：当为超级电容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v 2 ( 4 r ) ，此处y 为超级电容的初始电压，而r 为超级 电容的等效串联电阻。 ( 1 1 ) 放电效率：在特定的充放电循环中，超级电容放出的能量占充入的能量 的百分比。 2 2 2 2 超级电容的充放电特性 ( 1 ) 充电特性：电容在充电时电压u ( f ) 以及电流，o ) 随时间f 的函数【2 4 1 ， u o ) = u 麟【1 一p 一“船j ( 2 - 8 ) ，o ) = u 一r 木p 一肘 ( 2 9 ) 式中：u o ) 一电容端电压( 矿) ；【，麟一充电电压( v ) ；尺一充电电阻( q ) ； c 一电容容量( f ) ；j ( f ) 一通过电容器的电流( a ) 。 ( 2 ) 放电特性：在不考虑电容自放电影响情况下，电容放电特性可表示成： u o ) = 母e ( - t 删( 2 1 0 ) 式中：u ( r ) 一电容端电压；r 一负载阻抗；c 一电容容量。 2 2 2 3 超级电容的串并联特性 在实际使用超级电容的过程中，不仅要考虑到超级电容的容量大小，还要 考虑超级电容的体积、重量以及成本等等因素。在实际应用中，常采用同型号 的超级串并联来构成大容量电容器组。假设所使用的电容组是由n s e 栅个相同的 超级电容串联成一条支路以后，再与。讹，条相同的支路并联组成的，那么超 级电容组的容量为【2 5 】： c c o c 口1 2 c 哦l 聿n 嘛i n 。i 。 q - 、吣 式中：c ，。口f 一超级电容组容量( f ) ；c 训一单体超级电容容量( f ) ；n 加触，一 并联的支路数；刀姗胁一支路上串联的个数。 等效串联内阻为： 尺f o 删2r 训枣n s e r i e s n 册，洲。，( 2 - 1 2 ) 式中：r 加脚一超级电容器组的等效串联电阻( q ) ；r 弹一单体超级电容的等 9 效串联电阻( q ) 工作电压为： 容许电流为： y wc o t a l = t l s e r i e s 毒y w i 蚴t 2 n 。一i 2 2 2 4 超级电容器理论模型 超级电容的等效模型如下图所示： e p r ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 2 超级电容器等效模型 图2 2 中，e p r 为等效并联内阻，代表超级电容的漏电流，影响长期储能 性能，e p r 通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。在以后的计算和 仿真过程中，主要考虑等效串联电阻e s r ，因为等效串联电阻对超级电容的充 放电性能影响最明显；由于e p r 主要和漏电流有关，所以在以后超级电容的充 放电过程中不加考虑。该超级电容的模型和蓄电池的模型一样，都采用内阻模 型，其电流和电压的计算公式可以参照蓄电池模型。在下一章中，将对蓄电池 和超级电容仿真模型进行详细介绍。 2 3 电机种类和选择 驱动电机及其控制系统是电动汽车的关键部件，它的主要功能是使电能转 变为机械能，并通过传动系统将能量传递到车轮驱动车辆行驶。 在考虑电机转化电能为机械能的同时，由于该电动汽车拥有蓄电池+ 超级 电容器的主、辅两套能源系统，所以在汽车制动过程中，需要对制动能量进行 吸收，将制动的动能转化为电能，对蓄电池和超级电容进行充电，这样可以在 更大程度上提高能量的利用率和电动汽车的续驶里程。 2 3 1 常用电机 对于电动汽车上使用的电机，其要求是：电机的过载能力强，启动转矩大， 功率密度高，转矩响应快。此外，还要求电机具有一定的防尘、防水能力。 目前，电动汽车常用的电机有：直流有刷电机，感应电机，稀土永磁无刷 直流电机，开关磁阻电机等 2 6 1 。 ( 1 ) 直流电机 1 0 直流电机具有控制简单、调速性能好、控制成本低等一系列优点，经常在 中、小功率驱动电机中得到应用。最常使用的直流电机是串励电机( 启动转矩 大) 及稀土永磁直流电机( 效率较高) 。但是，由于直流电机含有换向器及电刷 等部件，因此其最高转速较低，体积大，功率密度低，成本高，需要定期维护， 在大功率驱动电机中应用较少。另外，直流电机在运行时，还易产生火花，这 对于电动汽车来说，存在安全隐患。 ( 2 ) 感应电机 感应电机具有结构简单，成本低，效率较高，免维护等一系列优点，在工 业上得到广泛的应用。由于感应电机没有独立的励磁绕组，其电枢绕组( 定子 绕组) 既是励磁绕组，又是转矩绕组，因此感应电机属于多变量强耦合的非线 性系统，但是其励磁与转矩之间的耦合，使得感应电机的控制比较困难。 ( 3 ) 稀土永磁电机 稀土永磁同步电机采用稀土永磁材料，具有效率高、功率密度大等特点， 在中、小功率的系统中有优势。但是，稀土永磁同步电机的成本高，而且目前 使用最多的敛铁硼稀土永磁体的工作温度比较低，电机运行时的温度不能升得 太高。稀土永磁同步电机分为正弦波稀土永磁同步电机( 通常称为稀土永磁同 步电机) 和方波型稀土永磁同步电机( 通常称为稀土永磁无刷直流电机) 。 ( 4 ) 开关磁阻电机 开关磁阻电机具有最简单的结构：定子采用集中绕组结构，转子无任何绕 组。近年来，开关磁阻电机驱动系统在电动汽车上也得到一定的应用。开关磁 阻电机主要的问题是噪声和转矩脉动。 2 3 2 永磁无刷直流电机 汽车行驶的特点是频繁地起动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需 要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到 最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。同时由于电 动汽车需要吸收制动反馈能量，所以要求电动机能够反馈能量给蓄电池+ 超级 电容，所以基于以上特点和要求，选择永磁无刷直流电机作为电动汽车的电机 驱动系统【2 7 1 。 ( 1 ) 永磁无刷直流电机的结构特点 永磁无刷直流电动机的结构特点是转子上装有永久磁铁。转子采用径向永 久磁铁做成的磁极，磁铁被插入转子内部，或以瓦形固定在转子表面上，所以 电动机的转子磁路是各向均匀的。转子上无电刷和换向器，转子上不再用励磁 绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流。电动机的定子绕组多做成三相 对称星型接法，同三相异步电动机十分相似。永磁无刷直流电动机在工作时， 定子中输入的电流的波形通常为方波。 ( 2 ) 永磁无刷直流电机的特点 永磁无刷直流电动机因为没有碳刷与换向器，所以没有维修与保养的需要； 由于采用永磁转子，所以没有励磁消耗的问题。与其他电动机相比其特点有： 一是低频转矩大，低速可以达到理论转矩输出；启动转矩可以达到额定转矩的 两倍或更高，并且过载容量高，负载转矩变动在2 0 0 以内输出转速不变。二 是转速弹性大，转速范围为几十转到十万转；运转精度高，转速精度可达1 3 0 0 0 转，并且不受电压与负载变动的影响。三是结构简单牢固、免维护或少维护、 运转费用更低，没有保养维修的烦恼。四是永磁无刷直流电机尺寸小、质量轻， 具有很高的功率密度。五是综合效率高，明显高出有刷直流的效率