（车辆工程专业论文）超级电容蓄电池复合电源的研究与仿真.pdf

内容摘要 混合动力汽车已经成为解决环境污染和能源短缺最具市场的车型。许多国家 和政府部门、汽车公司和零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研究开发 以及关键技术研究，目前已有多种产品问世。混合动力电动汽车的最大优点就 是可以利用车载电能储存装置对整车制动时的动能加以回收，这部分能量还可 以用于汽车驱动，使整车燃油经济性提高。但由于受到电池性能因素的制约， 使得攘车制动能量回收效能不佳，同时电池寿命有限，使得整车全寿命使用费 用增加。电池技术成为制约混合动力汽车发展的关键技术。 超级电容是一种新生电源，具有充电迅速，效率和使用循环次数高，短时间 内放电能量高的优点。国外已经有越来越多的汽车厂把超级电容器作为混合动 力汽车的储能装置。本文研究内容作为解决混合动力汽车电源技术的初步探索， 分析了蓄电池和超级电容组成的复合系统的性能优势，并对其进行了仿真研究。 本论文的重点是：提出复合电源的组成结构，在h e v s i m 平台上，建立超级 电容和d o d c 模型，以保护电池为原则，提出了复合电源的控制策略。第二章 中分析了当前蓄电池的发展现状和优缺点，介绍了超级电容的储电原理以及在 电动汽车上的应用现状，提出了复合电源结构，优势和可行性；在第三章中， 分析了目前各种电动汽车仿真软件，着重介绍了自主仿真平台h e v s i m ；第四章 和第五章中，对复合电源各个组成元件：电池，电容，d c d c 转换器进行了分 析并建立了相应模型，按照滤波思想提出了复合电源的控制策略；在第六章中， 针对并联混合动力整车构型方式，选定参数进行了仿真，对仿真结果进行了分 析。对应用复合电源系统的并联混合动力车进行了仿真研究，仿真结果表明， 由于超级电容在汽车加速时释放能量，制动时回收能量，避免了电池的大电流 充放，对电池起到了保护作用，并具有提高制动回收能量的优势。 关键词：超级电容复合电源电动汽车仿真控制策略 a b s t r a c t h y b d de l e c t r i c v e h i c l eh a s b e i n gt h e m o s ta p p r o a c h a b l ew a yt os o l v et h e p r o b l e mo fe n e r g ys o u r c es h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n d e v e l o p m e n to fn e w t y p em o t o r v e h i c l ew i t hl o w e n e r g yc o n s u m p t i o n a n de m i s s i o ni sb e i n g u n d e r - w a yb y a u t o m o b i l e i n d u s t r y a n dr e s e a r c hi n s t i t u t e ，w h i c hi se n c o u r a g e d b yg o v e r n m e n tp o l i c y o n eo ft h em e r i t so fe v h e vi st h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，b u tb a t t e r yi ss t i l lt h e t h r e s h o l do ft h eh e vb e c a u s eo ft h el o w e n e r g yd e n s i t ya n d s h o r tl i f e i nt h ep a s tf e w y e a r s ，t h eu l t r a c a p a c i t o r s ，h o w e v e r n e w ，a r ea na t t r a c t i v eo p t i o n i nh y b d dv e h i c l e sd u et ot h e i rh i g j lp o w e r d e n s i t y , l o gl i f e t i m e ，a n dh i g he f f i c i e n c y d u r i n gd i s c h a r g ea n dr e - c h a r g i n g u l t r a c a p a c i t o r sh a v ea l r e a d yf o u n da p p l i c a t i o ni n t h e p r o p u l s i o ns y s t e m o fh e va sw e l la sf u e lc e l lv e h i c l e s i nt h i s p a p e rt h e a p p l i c a t i o no fu l t r a c a p a c i t o r sa sd i s t r i b u t e de n e r g ys t o r a g eb u f f e r si n t h ev e h i c l e s e l e c t r i c a ls y s t e mi si n v e s t i g a t e da n dm o d e l e d t h i sp a p e rf o c u s e so nh y b r i de l e c t r i cp o w e rs y s t e mc o m p o s e do fb a t t e r i e sa n d u t t r a c a p a c i t o r s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h e s y s t e mc o m p o n e n t sa n dt h e c o n t r o l s t r a t e g y i nc h a p t e r2 ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so f b a t t e r ya n du l t r a c a p a c i t o ra t ei n v e s t i g a t e d a n dt h ea p p l i c a t i o n so fu l t r a c a p a c i t o ro n h e v n o w a d a y sa r ei n t r o d u c e d t h e nt h eh y b r i de l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sb r i n g i n g f o r w a r d t h eh e v s i m u l a t i n g s o f t w a r eh e v s i mt h a ti sd e v e l o p e d b y u si si n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 t h em o d e l so fb a t t e r y , u l t r a c a p a c i t o r , a n dd c d cc o n v e r t e r , w h i c h c o m p o s e t h eh y b r i de l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r4 ，a n dt h e nt h e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h eh y b r i de l e c t r i cp o w e rs y s t e mi nc h a p t e r5 i nc h a p t e r6 ，a p h e v u s i n g t h eh y b r i dp o w e r s y s t e m i ss i m u l a t e d f r o mt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ， t h ep u l s ec u r r e n ti sc u to f f , t h ee n e r g yr e c o v e r e db yt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gi s i m p r o v e d ，a n dt h a n ，t h e l i f eo ft h eb a t t e r yi si n c r e a s e d k e yw o r d s ：u l t r a c a p a c i t o r s ；h y b r i dp o w e rs y s t e m ；p a r a m e t e rd e s i g n ；c o n t r o ls t r a t e g y ； s i m u l a t o rm o d e l i i 武汉理工大学硕上论文 第1 章引言 1 1 电动汽车及电源的发展概况 1 1 1 电动汽车发展概述 电动汽车起源于十九世纪中后期的欧洲，从1 8 7 3 年英国人r o b e r td a v i d s o n 首次在马车基础上制造出一辆电动三轮车开始，n - - 十世纪初期，电动汽车经 历了一个较为快速的发展阶段。1 9 0 0 年美国电动汽车占其汽车产量的3 7 5 ， 比燃油汽车的2 2 3 多。 进入二十世纪，由于大量发现油田，石油开采提炼和内燃机技术的迅速进步， 电动汽车则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽车竞 争而逐步被燃油汽车所取代。到1 9 2 0 年以后，在美国公路上已看不到电动汽车 了。 上个世纪七十年代以来几次石油危机唤起了人们对有限石油资源的关注，目 前世界石油资源日趋紧张，石油价格始终居高不下。同时，8 0 年代以来，随着 全球经济的稳步发展，汽车的产量和保有量急剧增加。这些燃油汽车所排放的 废气造成空气质量日趋恶化。引起了世界各国，尤其是发达国家的普遍关注， 自9 0 年代起，以美欧为主的一些西方国家开始制订并逐步执行严厉的汽车尾气 排放标准。无排放或低能耗、无污染的绿色汽车开始成为人们关注的热点，电 动汽车又重新受到重视。各国政府和各大汽车企业都正在加紧开发低排放、低 油耗的清洁汽车。各种新材料和新技术在电动汽车上不断被开发应用，电动汽 车进入了新的发展阶段。 电动汽车在广义上可分为3 类，即纯电动汽车0 3 v ) 、混合动力电动汽车( i - m v ) 和燃料电池电动汽车( f c e v ) 。目前，这3 种电动汽车都处于不同的发展阶段， 面临着不同的困难和挑战。纯电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e ，e v ) 是取代传统内燃 机汽车、满足零排放的最终选择，但是目前电池的能量密度、充电时间、价格、 寿命等问题仍未得到理想的解决，从而限制着纯电动汽车的发展。近年来燃料 电池汽车发展十分迅速，但在燃料电池汽车起动、成本、氢能源的制备等方面 仍存在一些急需解决的问题。同时由于燃料电池不可逆，单纯使用燃料电池作 武汉理工大学硕十论文 为动力源。在制动和减速时无法实现能量回收。混合动力汽车将原动机、电动 机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制， 可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际 开发意义的低排放和低油耗汽车。 当前，混合动力汽车的研究与开发已在世界范国内出点向面地扩散，发展相 当迅速。发达国家的许多研究成果已经走出实验室，并开始进入市场，如丰田 的p r i u s ，本田的i n s i g h t ，已经形成小规模批量生产。许多发展中国家也已开始 筹集资金，组织科研力量进行可行性论证和关键技术的攻关。 我国是一个发展中国家，人口众多、密集，劳动力成本较工业发达国家低很 多，发展汽车工业有广阔的国内市场和极大的国际市场竞争力，是符合我国国 情的。但是，我国汽车排放造成的大气污染己不容忽视。特别是在大城市，据 调查我国一些大城市的大气中约7 0 的污染物来自汽车排放，多项大气污染指 标大大超标。我国石油资源比较缺乏，石油被认为是影响我国远期经济发展短 缺矿产资源的首位。我国汽车行业把眼光投向电动汽车，还考虑到了我国的电 动汽车技术，起步相对不晚，距离世界电动汽车技术发展只有5 到1 0 年，在我 国大力发展电动汽车，迎头赶上世界先进技术，更好地抢占汽车工业的世界市 场份额，促进国民经济的进一步发展。2 0 0 1 年，科技部将电动汽车确定为“十 五”国家1 2 个重大科技专项之一，2 0 0 2 年1 月，电动汽车重大专项第一批课 题正式启动，5 个整车课题中混合动力占3 个，充分体现了国家对电动汽车发展 的重视。 1 1 2 电动汽车用电源的发展概况 蓄电池作为电动汽车的动力源而成为电动汽车发展的关键，其主要性能指标 是比能量( e ) 、能量密度( e d ) 、比功率( p ) 、循环寿命( l ) 和成本( c ) 等。能量 密度决定了电动汽车一次充电的续驶里程，功率密度则决定了电动汽车的加速 性能和最高车速，在某种意义说电动汽车的成败首先取决于电池技术。要使电 动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿 命长的高效电池。 美国三大汽车公司于1 9 9 1 年1 月成立先进电池联合会u s a b c ，制定中长期 研究开发先进电池技术性能指标，见表1 - 1 。中期目标使电动汽车用动力电池在 各项性能上有明显提高，在2 0 0 0 年前实现动力电池的商业化；长期目标是动力 武汉理工人学硕士论文 电池在性能和价格上最终使电动汽车与燃油汽车具有竞争性。 表1 - 1u s a b c 蓄电池的性能目标 性能指标中期长期 比能量( c 3 放电率) ( w h 培。1 )8 0 ( 期望达到1 0 0 1 2 0 0 能量密度( c 3 放电率) ( w h l - 1 ) 1 3 53 0 0 比功率( 8 0 d o d 3 0 s ) ( w k g 。)1 5 0 ( 期望达到2 0 0 ) 4 0 0 功率密度( 矽上1 ) 2 5 06 0 0 使用寿命年 51 0 循环寿命( 8 0 d o d ) 次 6 0 01 0 ( ) o 价格( u s $ k w - h 4 1 1 5 0 1 0 0 工作温度 3 0 6 54 0 一8 5 充电时间j f h 63 巧 快速充电时间m 一8 0 s o c ) h o ，2 5 效率( c 1 3 放电，6 h 充电) 7 5 自放电， 1 5 ( 4 8 h 、8 0 维护免维护 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 ( w e h “) 比能量( 胁啦1 ) 4 巧891 8 比能量( 砰协叮1 ) 4 - 51 21 42 4 循环寿命 1 0 0 ，1 0 0 4 0 0 ，0 0 04 0 0 ，0 0 04 0 0 ，0 0 0 成本( 缸w h 。) i 0 ，0 0 01 0 0 05 0 03 2 0 从1 9 9 6 年初，欧盟开始超级电容的研究计划，由s a l t 公司领导项目，其成 员有a l c a t e l a s t h o m ，f i a t ，m a g n e t im a r a l l is e p a d i v i s i o n ，d a n i o n c s ，u n i v e r s i t y o f k a i s e r s l a u t e m 和e c n 。欧盟超级电容研究计划的目标是：达到比能量6 w h k g ， 8 w h l ；比功率1 5 0 0 w k g ，2 0 0 0 w l ；循环寿命超过1 0 万次；满足电化学电池 和燃料电池电动汽车要求；为工业开发做准备。日本政府部门推选的新太阳能 规划( n e ws u ns h i n gp r o j e c t ) 吸引了很多高新技术参加，超级电容的研究与开发 是重要项目之一。俄罗斯在电容研究方面也处于世界前列。 目前，在超级电容器产业化方面，美国、日本、俄罗斯的超级电容器产品在 功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势。美国m a x w e l l 公司的p c 系 列产品体积小、内阻低、长方体形结构，产品一致性好，串并联容易，但价格 较高；日本的n e c 公司、松下公司、t o k i n 公司均有系列超级屯容器产品其产 品多为圆柱体形，规格较为齐全，适用范围广，在超级电容器领域占有较大市 场份额；俄罗斯e c o n d 公司对超级电容器已有2 5 年的研究历史，该公司代表 着俄罗斯的先进水平，其产品以大功率超级电容器产品为主，适用于作动力电 武汉理工人学硕士论文 源，且有价格优势。 此外，法国s a f r 公司，澳大利亚c a p x x 公司、韩国n e s s 公司等也都在加 紧电动车用超级电容器的开发应用。 国内在超级电容技术研究及与国外合作方面也取得了很大的进步，主要厂家 有中国锦州锦容电容器、北京集星电子科技有限公司及哈尔滨巨容电容器大庆 华隆电子有限公司是首家实现超级电容器产业化的公司，其产品有5 5 v 、3 5 v 、 1 1 v 等系列；其中锦州锦容电容器厂为一汽解放牌混合动力客车用超级电容器， 单体电容已经达到2 7 v 、3 5 0 0 f ，能量密度兰5 w h k g ，功率密度已经达到 1 5 0 0 w k g ，内阻至0 5 m o ，最大工作电流3 0 0 a 。1 9 9 9 年7 月，北京金正科 技有限公司和石家庄开发区高达科技开发有限公司共同开发成功大功率超级电 容器产品，已经开始批量生产，其技术水平已与俄罗斯相近。但从整体上来看， 我国在超级电容器领域仍明显落后于世界先进水平。 北京申办2 0 0 8 年奥运会取得成功，其倡导的绿色奥运必将促进电动汽车的 发展。在这样的背景下，大力开展超级电容的研究是非常必要的。深入开展基 础理论研究和实际应用研究，早日研制成功实用化的超级电容器，用于各种场 合的需要，将会具有非常犬的社会效益和现实意义。 2 3 4 超级电容在电动汽车上的应用情况 由于超级电容的优越性能和近年来超级电容开发能力的提高，目前世界各国 争相研究，并越来越多地应用到混合动力汽车上。超级电容已经成为混合动力 汽车电源发展的新趋势。 2 3 。5 。1 日本 日本可谓是将超级电容应用于混合动力电动汽车上的先驱。超级电容器是近 年来日本电动车动力系统开发中的重要领域之一。 其中最值得一提的是f c x 。本田的f c x 燃料电池一超级电容混合动力车是 世界上最早实现商品化的燃料电池轿车。该车已经在2 0 0 2 年在日本和美国的 加洲上市。第5 代f c x 采用了新型质子交换膜形式的燃料电池模块，电容所用 的零部件数量减少为原来的一半，功率密度( 功率，容积、功率重量的比例) 却 比原来提高了2 倍以上，这种技术所生产电容在世界上是首屈