超级电容在混合动力电动汽车中的应用

1、试验与研究超级电容在混合动力电动汽车中的应用合肥工业大学机械与汽车学院张炳力 赵 韩 张 翔 钱立军 摘要随着混合动力电动汽车研究的深入, 超级电容独特的储能特性正日益受到人们的重视。本文在介绍超级电容的分类、特性、工作原理的基础上, 提出了超级电容和蓄电池一起用于混合动力电动汽车, 可以实现制动能量快速回收利用、发动机冷起动等, 对混合动力电动汽车研究具有一定的参考价值。关键词:混合动力电动汽车 超级电容 制动 能量回收 冷起动1 引言混合动力电动汽车 (H yb irdE lec t r ic V eh ic le,H EV ) 是采用传统内燃机和电动机作为动力源, 通过热能和电力两套系统

2、开动汽车, 达到节省燃料和降低排气污染的目的, 具有排量小、速度高、排放好的优点。各国政府都在加紧研制, 美国政府和三大汽车公司实施的 PN GV 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技术指标, 丰田公司的产品销量超过 1 000 台。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“863”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50% , 排放下降 80% , 制动能量回收 30% , 要想实现上述目标, 必须在发动机、电动机、蓄电池等各单元技术,各系统的电控技术

3、上攻关。近年来, 由于超级电容(U lt ra C ap ac ito r) 具有快速存储释放能量、适用温度范围宽、寿命长和易于管理等优点, 如和其它能量元件(发动机、蓄电池、燃料电池) 组成联合体共同工作, 可以使系统同时满足动力性、经济性的要求, 与其它储能元件单独使用相比具有明显优势, 是实现能量回收利用、降低污染的有效途径, 国外已开始研究超级电容在汽车驱动系统中的应用。2 超级电容的分类、特点和工作原理2. 1 分类目前国际上生产超级电容主要有欧美和日本的M axw e ll、Sk e ltech、Saf t、W e ss、P ana so n ic 等几家大公司, 按电容器活性物质

4、的储能方式可分为 3 类:第一类是以活性碳为正、负电极的电双层超级电容(E lec t r ic D o ub le L a rge r C ap ac ito r, EDL C )。这类超级电容的储能方式与传统的电解电容类似, 不同之处在于该电容以电极电解液界面形成的电双层作为隔离电荷的屏障, 由于这类电容大多采用多孔活性炭作电极, 因此存储的正负电荷在数量上比电解电容大得多。第二类是金属氧化物超级电容。其中以氧化镍等为代表。该类电容得出能方式与电池类似, 但充放电的速度比电池快得多, 存储能量的密度比电双层电容要大。目前应用的主要是前面这两种超级电容第三类是高分子聚合物超级电容。以聚吡咯

5、(P P Y )、聚苯胺(PAM )、聚并苯(PA S) 为代表, 这类超级电容以导电的高分子聚合物为电极材料, 通过聚合物在充放电过程中发生化学反应、在聚合物上快速产生N型或 P 型杂质, 从而使聚合物储存很高的电荷。2. 2 特点超级电容作为新型储能元件兼顾了传统电容和电池各自的优点, 避开了各自的不足, 以充放电快速、功率释放能力强、清洁无污染、长寿命为其显著特点, 单位体积存储的电荷要比电解电容大 10 100 倍, 电荷释放速度要比电池快, 见表 1。2. 3 工作原理根据超级电容的特点, 尤其适合需要瞬时高功率的场合。超级电容作为一种功率缓冲器, 可根据系统的最大峰值功率来确定尺寸

6、规格, 也可根据峰值功率和连续功率之差来确定超级电容尺寸规格, 其中作为主能源的48汽车研究与开发 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.试验与研究表 1 三种储能元件的性能对比电解电容器超级电容电池一般放电时间10- 6 10- 3 s0.1 30s0. 3 3h一般放电时间10- 6 10- 3 s0.1 30s1 5h比能量W h kg 10 000 1 000 2 00050 300循环寿命 106 105500 2 000图 1超级电容的应用模型部件提供满足连续功率需求, 主能源部件

7、可选择发动机、燃料电池、高能蓄电池等, 其工作原理如图 1 所示。3 超级电容在混合动力电动汽车动力系统中的应用超级电容的特性正好满足混合动力电动汽车的特殊要求。利用超级电容瞬时高功率特性, 避免了要求发动机频繁起动和蓄电池提供瞬间大功率的特殊要求, 同时还可以对制动能量进行回收利用, 从而可以节约能源、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。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。其工作原理如图2所示。3. 1 在制动时的应用汽车在行驶过程中至少有 30% 的能量因热量散发和制动而消耗掉, 特别是在城市行驶, 经常遇到红灯, 这样不仅造成能

8、源浪费, 而且增加环境污染。如能把制动所消耗的能量回收起来用于汽车起动、加速, 可谓一举两得。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的, 所需时间较长, 但制动时间较短, 因而回收能量效果不佳。现正处于研究中的飞轮电池, 由于精度要求高、制作难度大, 短时间还难以进入实用阶段。超级电容独有的特性非常适合用于制动过程中能量回收, 而且成本较低, 应用前景广阔。下面以遇到红灯需制动停车为例进行推导。如果汽车质量m = 2 000 k g, 开始停车前的车速V= 50 km h = 13. 89 m s, 停车时间 t = 10 s, 超级电容的电压从U 1 = 25V 上升到U 2 = 42 V汽车动

9、能 E 1:E 1 = 0. 5 m V 2= 193 kJ(1)求电容C: 设制动能量全部回收(2- U2 )= 193 kJ()E 1 = E 2 = 0. 5 C U 212求得C = 260 F求充电电流 I:Q = I t = C U(3)C = 260 F ,t = 10 s,U =21 V求得 I = 546 A如果用以上回收的能量使汽车起动加速持续时间是 10 s, 超级电容的电压从 46 V 降到 25 V , 放电电流是 546 A , 则效率是 72% , 能提供的加速功率是14 kW ; 如加速持续时间是 20 s, 超级电容的电压从2003 年第 5 期49 1995

10、-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.试验与研究图 2使用超级电容的混合动力电动汽车动力系统示意图46 V 降到 25 V , 放电电流是 546 A , 则效率是 78% , 能提供的加速功率是7. 5 kW , 通过试验, 在1 m in 的时间之内以上结论都是可以成立的。3. 2 在冷起动时的应用在寒冷地区, 发动机的冷起动对蓄电池提出了特殊的要求, 蓄电池必须提供瞬间大功率, 发动机才可能起动。然而, 一般蓄电池不具备这种特性, 除非用“起动点火型(SL I) ”电池, 但是 SL I 型电池

11、并不适合长时期小电流工作环境, 而且在低温下经常失效, 因此也不适合。通过研究发现, 如果把超级电容和蓄电池联合用在发动机起动系统, 发挥超级电容的独有特性, 构成新型的起动系统, 这个问题就可迎刃而解。4 结束语超级电容作为一种快速储能元件, 具备发动机和蓄电池的优点, 单独使用不一定能满足设计者的需要, 但可以和其他储能元件联合起来使用, 满足设计要求。随着对混合动力电动汽车和超级电容的进一步研究和开发, 在下一个研发循环中, 超级电容和其他储能源使用满足性能和成本要求的研究将变得很普遍。参 考文 献1M axw e ll. U lt racap acito r sD a ta Shee

12、t sandtechn ica linfo rm a t io n fo r PC 2500TM , M axw e ll P ub lica t io n s 2T hom a s D ie t r ich, “U lt raC ap s - A newE ne rgyS to rageD ev icefo r P eakPow e r A pp lica t io n s ”, 18th In te rna t io na lE lect r icV eh icleSym po sium , B e r lin Ge rm any, O cto be r2001, p ap e r pp

13、244 o n CD - ROM 3B. J. A rne t, and L. P. H a ine s, “Com b in ing U lt racap acito r sw ith L eed -A cid B a t te r ie s ”, 17th In te rna t io na l E lect r icV eh icle Sym po sium , M o n t rea l C anada , O cto be r 2000, p ap e r2B - 2 o n CD - ROM 4B u rke, A. F.and M ille r, M . , “U p da te

14、 o f U lt racap acito rT echno lo gyandH yb r id V eh icle A pp lica t io n s: P a ssenge rC a r s and T ran sit B u se s”,18th In te rna t io na l E lect r ic V eh icleSym po sium ,B e r lin Ge rm any, O cto be r 2001, p ap e r P P 044o n CD -ROM 5M a rk Co hen,R icha rd Sm ith, H e re and N ow ; U

15、 lt racap acito r sa re a S tanda rd O p t io n, 19th In te rna t io na l E lect r ic V eh icleSym po sium , p ap e r P P 813 o n CD - ROM 6M ich ioO kam u ra, B u se s, T ruck s, and FCV s u sing theC ap acito r H yb r id Sy stem EC S, 19th In te rna t io na l E lect r icV eh icle Sym po sium , p a

16、p e r P P 831 o n CD - ROM 7A nd rewB u rke,and M a r sha ll M ille r, Com p a r iso n s o fU lt racap acito r s and A dvanced B a t te r ie s fo r P u lse Pow e r inV eh icleA pp lica t io n s: P e rfo rm ance, L ife, and Co st, 19thIn te rna t io na l E lect r ic V eh icle Sym po sium , p ap e r P P 855o n CD - ROM 8bD ie t r ich N aun in, and D im it r i T se ro n is,JO o