城市立体快巴应用解决方案-超级电容储能系统.doc

深圳今朝时代新能源有限公司 项目名称：城市立体快巴技术解决方案 项目类别：超级电容储能系统 版 本：1.0 日 期：2010-9-1 更新日期：2010-9-7地址：深圳南山区高新南一道中科研发园3号楼裙楼306室 电话真网址：Http:/ Email:目录1.0 序言32.0超级电容特性说明42.1 超级电容工作原理42.2 简述超级电容的选择标准73.0 城市立体快巴动力源设计量化分析83.1 城市立体快巴功能参数83.2 超级电容模组选择计算84.0超级电容模组规格95.0标准模组连接示意图116.0立体快巴超级电容应用管理系统126.1城市立体快巴超级电容应用系统图136.2系统主要功能规格146.2.1城市立体快巴超级电容模组管理系统的主要功能146.2.2采集模块基本参数146.2.3主要技术指标156.2.4城市立体快巴超级电容模组管理系统软件功能167.0 项目成本分析178.0 项目实施进程181.0 序言进入21世纪，可持续发展和节能环保的理念深入人心。可持续发展，是既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展；而节能环保是全社会共同努力的结果，需要生产厂家、材料供应商、消费者、运输企业等方方面面的联动，这就需要一个成熟的社会机制做支撑，保证产业链上的各个企业在节能环保问题上目标一致，达成共识。如今，油价飙升，城市污染日益严重，而新能源汽车环保节能，随着电动车产业规模的快速扩张，其绿色环保作用已经成为广泛的共识，其对中国经济发展以及“绿色中国”的促进作用也越来越引起社会的广泛关注。新能源汽车产业是“绿色”环保产业，对降低石油消耗、减少环境污染、提高交通效率、提高人民生活水平、促进社会经济发展都起到了举足轻重的作用。随着石油资源的日益紧张，国家石油战略的安全已经引起了社会的广泛关注，为此电动车做出了重大贡献，而随着长个产业规模的进一步扩大其必将做出更大贡献。立体快巴，一道开往春天的时光隧道，它运行安全，绿色环保；高效运行，载客量大；低碳公交，低廉投入；施工期短，影响较小；建设要求低，实用性强；低碳交通，社会效益显著。它的行驶阻力小，运营成本与其各种燃油公交大巴相比，可降低成本30%左右。这时，超级电容这个绿色启动能源便起到了不可忽视的作用。超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。超级电容器是一种电化学元件，在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可以反复充放电数十万次。它主要有五个特点：1、低内阻；2、长寿命，超过一百万个工作周期；3、快速高倍率充放电，能量转换效率高；4、良好的低温性能；5、高可靠性、绿色，环保。更高电压和容量的模块可以通过对标准模块的连接而实现。可单独使用，或与高能电池混联，应用于动力电源系统，提高动力性能，提高电池循环寿命。提高燃油经济性的同时提高了车辆行驶平顺性和舒适性，降低了车辆传动系的离合器和制动器的故障率，减少了公交车中最常见的离合器和制动器的维修更换，节约了维修维护时间。应用在立体快巴中是一大亮点。创新改变城市，创新感动生活。从城市历史的迄始，人类从未放慢创新的步伐，创新改变城市，同时缔造伟大的城市。今天，今朝时代超级电容模组的来临，同样拥有这种信心和激情，为未来的低碳、环保城市献策，未来，终因我们而改变！2.0超级电容特性说明超级电容通过分离正负电荷来储存能量，是物理方法储能，而电池是用化学反应的方法来储能，所以电池的反应时间会很长，超级电容容量大，充放电速度快，而且充放电循环可达百万次，非常适合用作功率电源，提供瞬时峰值功率，是高效率能量回收与反馈系统首选的储能器件。2.1 超级电容工作原理超级电容可以用做后备电源，类似于UPS，在系统突然断电后，负责在极短时间内为系统提供能量。在这种应用中，需要后备电源有快速的启动时间。由于超级电容是物理反应的方式储存电能，充放电速度快，相对电池有着更为快速的响应时间。图1：超级电容用作备用电源示意图电池的充放电大概在1小时到10个小时左右，而传统用于滤波的电容，充放电在0.03秒，超级电容充放电在1秒左右，基本上是从0.1秒到10秒，这个时间正好是汽车、吊车刹车或启动的时间，其他设备比如风力发电中，风轮机变桨的时候要提供能量也是在这个时间段。在风力发电风轮机变桨时、机车、电动机、汽车、吊车启动时需要的能量远大于其正常工作时需要的能量，超级电容可以辅助电池、发动机等动力系统提供峰值功率，从而减轻电池或发动机的负担。没有超级电容时，在负载启动、维持运行和终止的过程中，能量全部由电池或发动机供给。如果加入了超级电容，负载启动时需要的峰值功率可以由超级电容承担。图2：超级电容提供峰值功率示意图在机车、电动机、汽车、吊车刹车时，超级电容可以重新捕获能量。这样，加入了超级电容做辅助电源，可以提高能量利用效率，延长电池或发动机寿命。同时相对于没有超级电容的动力系统，电池或发动机不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。下图是超级电容辅助电池、发动机的工作模式示意图。图3：没有超级电容的动力系统工作模式图4：超级电容用作辅助电源的动力系统工作模式2.2 简述超级电容的选择标准超级电容的选型和数量配置需要根据不同的应用来判断，选择要素包括最大和最小工作电压、平均电流、平均功率、峰值电流、峰值功率、工作环境温度、运行时间、寿命。超级电容的额定电压用VR表示，通过最大工作电压（Vmax）可以算出需要串联的超级电容的数量。计算公式为：接下来，根据平均电流（I，单位为安培）、运行时间（dt，单位为秒）、最小工作电压（Vmin），通过下面公式，就能计算出系统所需要的电容容值的近似值。系统电容值与串联的每个电容之间的关系用下面的公式表示：如果使用相同容值的电容，那么公式可以简化为： 。根据这个计算值，对照产品规格表，可以找出合适的产品。如果各个电容之间是并联关系，系统电容值与单个电容之间的容值关系式为：除此之外，其他需要考虑的因素有，电容的内阻与瞬时电压降有关，工作环境温度会影响电容内阻和寿命。3.0 城市立体快巴动力源设计量化分析 3.1 城市立体快巴功能参数 电机电压：1500V 电机功率：820KW 三相异步电机 立体快巴匀速功率：42KW 立体快巴爬坡功率：170KW 立体快巴加速启动功率：840KW 立体快巴加速度：1.1m/s2 159m 立体快巴减速度：1.0m/s2 140m平均站距：1.2KM 立体快巴速度：06KM/h 最高时速：60KM/h 平均时速：42KM/h3.2 超级电容模组选择计算 根据立体快巴的上述已知参数可得出下列电气性能：（初步计算） 立体快巴加速启动电流：546.6A 立体快巴匀速运行电流：28A 立体快巴爬坡运行电流：113.3A 立体快巴加速时间(S): 159m所用时间17s 立体快巴减速时间(S): 140m所用时间16.7s 立体快巴均速行驶： 11.67M/S 行驶901M所用时间： 77.02S TIG标准设计模组： 166F/50.4V 启动段的容值： I1*t1=C*U=12.39F (546.6A*17S=750V*C) 匀速段的容值： I2*t2=C*U= 2.88F（28A*77.02S=750V*C） 减速段的容值： I3*t3=C*U= 6.68F（-300A*16.7S=750V*C） UC U值： 1/2 U=750V 额定计算容量: (12.39+2.88-6.68)/1500V=8.59F/1500V 冗余设计容量：8.59F*200%=17.18F/1500V 总体电压设计：1500V/50.4V=30PCS标准模组串联=1512V 30PCS标准模组串联的容量：166F/30=5.53F 模组并联方式容量计算：17.18F/5.534 (3.106) 所以立体快巴所用超组电容级模组为:166F/50.4V模组30串4并使用。4.0超级电容模组规格型号：TIGML050R4C1666特征 Features 产品 Product-超低内阻、超高功率-超高1,000，000个工作周期-集成超级电容器管理系统（UMS）-单体间平衡-过电压和温度监控信号输出-I/O或CAN输出接口-坚固、紧密、全封闭、防溅典型应用 Applications-轨道交通、电动汽车-工业、UPS和电信尺寸 Dimensions型号重量（kg）尺寸（mm）L(0.5)W(0.5)H(0.5)TIGML050R4C166617.2416190184规格 Specifications项目参数容量额定容量（F）166F容量公差+5%/5%电压额定电压50.4V DC浮充电压52.2V DC内阻ESR，1KHz5.3mESR，DC6.5m温度工作温度范围40+65存储温度范围40+70电流最大漏电流5.1mA25，72h最大持续电流150A能量最大能量密度3.27Wh/Kg温度特性容量变化-40C/CR5%内阻变化-40ESR/ESRR50%耐久性65，额定电压下，工作1500h后容量变化C/CR20%内阻变化ESR/ESRR60%存放期65，无负载情况下，经过1500h后容量变化C/CR20%内阻变化ESR/ESRR60%寿命测试25，额定电压下，工作超过10年容量变化C/CR30%内阻变化ESR/ESRR50%循环测试25，恒定电流下，在额定电压至1/2额定电压之间循环一百万次容量变化C/CR30%内阻变化ESR/ESRR50%监控平衡VMS监控电阻NTC热敏电阻标示 Marking额定容量、 额定电压、产品编号、制造者名称、正负极、 序列号 5.0标准模组连接示意图标准超级电容模组166.6F/50.4V 30串行4并连结图信号传输BUS +1500VdcNegativeN30N30N30N30数 据 采 集 管 理 系 统（ 电压 / 电流 / 温度 / 连接器内阻 ）6.0立体快巴超级电容应用管理系统在节能减排、发展绿色能源的号召下，电动汽车的使用和普及已成为一种趋势。但对于车载电源，为达到较高功率和能量，超级电容往往采用多块单体串联的形式，伴随着电容串级的提升，整体电压也随之提高。超级电容工作电压可达到几百上千伏，而这样高峰值的电压引起的波动会带来强烈的电磁干扰，同时由于串联超级电容往往采用大电流充放电（通常在50A-1000A之间），电压、电流变化十分迅速，如中型客车用超级电容以150A电流放电时，端电压会在1分钟之内由300V减到70V，而200V恒压充电时电流也会在几分钟内由50A增大到150A左右。由于超级电容器单体有严格的耐压值(如有机体系超级电容小于2.7V),因而需要将数个甚至数百个单体串联构成所需工作电压的超级电容模组,这些单体应具有相同的充放电电流,因串联组中各单体性能(容量、内阻、漏电流等)的不一致(即使在配组时经过严格的一致性筛选,其偏差也不可避免)会造成超级电容器组的过充或欠充使得储能下降或寿命缩短。车载超级电容模组如何管理是电动汽车的一项关键技术。车载超级电容模组管理系统可实时监测超级电容模组的工作状态，如电压、充放电电流、使用温度等；连接器内阻、容量，防止过充过放，从而达到提升超级电容使用性能和寿命，提高超级电容电车的可靠性和安全性的目的。深圳市今朝时代新能源技术有限公司专门针对车载超级电容模组在线监测需要，借鉴相关蓄电池组储能管理维护的经验和技术、方案，研制出超级电容模组管理维护系统的高科技电子产品。本产品突破传统监测一贯所采用的检测原理，采用模块化设计，分布式安装，从而可以较好解决在传统监测时普遍存在信号连接线过多、过长，施工维护相对困难、繁琐，又同时存在安全隐患的问题。6.1城市立体快巴超级电容应用系统图6.2系统主要功能规格6.2.1城市立体快巴超级电容模组管理系统的主要功能l 采集城市立体快巴上超级电容模组的信号（电压/电流/温度/连接器内阻/状态指示等）l 信息存储l 数据远程发送l 数据的分析处理l 监视分析l 位置信息与维护处理功能l 对超出工作状态的器件进行预警6.2.2采集模块基本参数城市立体快巴UC储能系统均采用50V166F标准模组，通过串并联组成不同电压和容量的系统，目前主要由30个标模组串联成1500Vdc的BUS电压和四组完全相同的串联模组并联组合而成，以此达到17F/1500V的城市立体快巴动力源能量系统。总电压在1500V DC以下，总电流在1000A以下。检测和采集单个UC模组：电压： 060V DC；电流：01000A温度：-20-70模组ID：另外采集由模组提供的OVP和OTP信号；检测UC模组的通道数量：32个 要求检测和采集UC系统：总电压： 01800V DC；总电流：01000A6.2.3主要技术指标l 采集器工作电压：DC12V；l 采集器工作电流：100mAl 检测电流范围：0-1000Al 输入电流精度：200UV 1Al 检测电压范围：0-1500Vdcl 输入电压精度：3mV1%l 温度检测范围：-20+80l 温度精度：1l SOH功能l 预警指示功能：电流检测、电压检测、温度、ID检测、通讯l 分析模式选择：超级电容（UC）l 信息传送延时：100ms l 误码率：110-5 l 发送接收时间：5秒 系统可设定l 历史数据容量：3年 特定数据5年l 整机功耗：10W l 温度适应范围：-4070l 采集器防护等级：IP656.2.4城市立体快巴超级电容模组管理系统软件功能针对UC模组和系统作进一步的数据分析，提供远程监控的软件平台，平台架构参照蓄电池储能信息管家系统的框架，包括SOH（健康状态诊断）、故障报警以及必要的分析图表，其主要功能如下：l 数据分析功能：生成总电压曲线、单个模组电压曲线、总电流特性曲线、温度曲线图、连接器内阻分析表、数据表格等。l 预警功能：标准模组电压异常时自动进行告警，通过自动诊断给出具体的故障原因及解决办法；电容模组报警信息在监控界面中用红色或橙色来显示，同时有声音的提示信息