超级电容与蓄电池并联使用对混合动力公交车的改进

1、(该车所配设备使用220V交流电,可用外接电源;考虑到郊区和农村宣传,该车还配有发电机,所用交流电设施如下:(1交流发电机。交流发电机功率能够保证在无外接电源的情况下各用电设备正常工作。(2稳压电源。能够将电压稳定在220V,保证各用电设备正常工作。(3车内电路。采用一套线路控制,即在汽车仪表台上用24V来控制设备所用220V交流电路。(4电线绞盘。用于外接交流电源与整车配电盘的连接,电线长50m。(5配电盘。整车的交流电控制中枢,空调开关以及其它用电接口。(6其它用电设施。该车配有独立的交流电冷暖空调系统,并且安装有车载空调系统。3结束语该车是金融机构流动型银行取款、宣传车,可选配倒车室内双

2、探头监视器、车载饮水机、独立水暖、以及其它用户需要的设备。它的推出为客车改装扩展了新用途,为专用车家族增添了新产品。该车经过一年多的使用,证明各项指标都能达到使用要求。收稿日期:2004-11-08超级电容与蓄电池并联使用对混合动力公交车的改进方伟新,吴森,宗杨(武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉430070摘要:介绍一种超级电容器组与蓄电池组并联系统。该系统应用于混合动力公交车,使之在加速和减速时的能量损失最少,减小蓄电池损坏,延长蓄电池使用寿命。关键词:混合动力;城市客车;超级电容器;蓄电池A b s t r a c t:A n p a r a l l e l c o n n e c t

3、i o n s y s t e m w i t hu l t r a c a p a c i t o r p i l e a n d s t o r a g eb a t t e r yp i l eh a sb e e n i m p l e m e n t e d.T h ep u r p o s e o f t h i s s y s t e mi s t o a l l o wh i g h e r a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n f o r t h eh y b r i db u sw i t hm i n i

4、m a l l o s s o f e n e r-g y,r e d u c e s t h e d a m a g e o f t h em a i nb a t t e r yp a c ka n d i n c r e a s e s t h eu s e f u l l i f e o f t h eb a t t e r i e s.K e y w o r d s:H y b r i d p o w e r;C i t y b u s;U l t r a c a p a c i t o r;S t o r a g eb a t t e r y中图分类号:U464.9+3文献标识码:

5、B文章编号:1006-3331(200505-0011-04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。国外有关研究表明,在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下,有效地回收制动能量,可使电动汽车的行驶距离延长10% 30%,因此,再生制动在混合动力电动汽车的能量回收中占有突出的地位,在其能量管理系统中,要求尽可能多地利用再生制动回馈的能量。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。正处于研究中的

6、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。超级电容器是介于蓄电池和电容器之间的一种能量存储器,它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能。1超级电容器与蓄电池的性能比较1.1蓄电池的不足混合动力电动车辅助动力蓄电池在加速或爬坡时要进行大电流放电;减速或下坡时要快速充电实现制动能量回收,要求蓄电池具有优良的高倍率快速充放电特性和使用寿命长且性能稳定。而对蓄电池实行大电流充放电将使之寿命大大缩短。同时由于混合动力电动车放置蓄电池的空间有限,布置非常紧凑,热量易积累,使得蓄电池暴露在高温环境中造成高温失效。尽管针对混合动力汽车所使用的铅酸蓄电池作了许多改进,但是其在高温时性能恶

7、化快,寿命短,充放电效率低已经成为混合动力电动车发展的难题之一。1.2超级电容器的优势与不足超级电容器也称电化学电容器,因其存储能量·11··设计·计算·研究·客车技术与研究2005年第5期大,质量轻,可多次充放电而成为一种新型的储能装置。超级电容器有以下优势:(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1F ,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了34个数量级。目前单体超级电容器的最大电容量可

8、达到5000F 。(2充放电寿命很长。可达500000次或90000h,而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流,如2700F 的超级电容器额定放电电流不低于950A ,放电峰值电流可达1680A ,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快速充放电。可以从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。(4很宽的工作温度范围(-40f +70f 。蓄电池很难在高低温,特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。(5超级电

9、容器可以任意并联使用来增加电容量,如采取均压措施后,还可以串联使用。超级电容器的不足:尽管在能量存储上的进步,但超级电容器还是不能和电化学蓄电池相比,即使是铅酸蓄电池也能比超级电容器多存储10倍以上的能量。1.3 使用超级电容的可行性在正常行驶时,混合动力车从蓄电池中吸收的平均功率相当低,而刹车、加速和爬坡时的峰值功率又相当高,一辆高性能的混合动力车的峰值功率与平均功率之比可达到16:1,且用于刹车、加速和爬坡时消耗的能量占总能耗的56%。在混合动力车上使用超级电容器,可以实现在加速时瞬时大电流放电,在减速刹车时能瞬时吸收很大的能量,减少能量的损失,同时减少对蓄电池的危害。因此,可以利用这些性

10、能,把超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池,应用于混合动力电动汽车的启动系统,在车辆起步、加速、制动过程中起到平滑蓄电池的充放电电流,保护蓄电池和节能的作用,并且提高电动车的一些瞬时性能。因此,为了解决混合动力车刹车、加速和爬坡时能量瞬时输入和输出时的矛盾,可以考虑将超级电容器与蓄电池并联使用,以缓解蓄电池在瞬时功率输入输出上的不足。2 系统概述蓄电池和超级电容器并联作为混合动力车辅助能源,可以应用于各种联结形式的混合动力车,还可应用于燃料电池电动车。以串联式混合动力公交车上并联超级电容器为例来说明该系统的应用。2.1 蓄电池和超级电容器并联的动力结构串联式混合动力公交车结构布置图见图

11、1。在混合动力公交车驱动系统中,使用以下动力部件:额定功率55k W 的增压柴油发动机;额定功率55k W 的感应式发电机;额定功率45k W 的S o l e c t i r a 公司的D MO C 645交流驱动电机(采用双电机串联式结构,最大效率为93%;容量150A h 的铅酸电池28节。 该系统中在蓄电池两端并联超级电容器组。图1 整车结构布置图2.2 蓄电池和超级电容器并联的城市公交工作模式城市公交车的行驶工况主要包括:站外常规行驶、站内低速行驶和驻车、路口和红绿灯驻车、繁华路段行驶和驻车以及立交桥、桥梁的坡道行驶。而且城市公交车在每个路线循环始末都有驻车休息时间。因此,根据公交工

12、况特点,混合动力电动公交车能实现以下工作模式:(1常规行驶模式。对于站外的常规行驶,整个多能量管理系统基于整车功率平衡的控制策略,将发动机设置为功率跟踪模式,这样可有效地降低蓄电池的充放电损耗,提高整车工作效率。(2纯电动工作模式(发动机停机。车辆在每日始发(对于混合动力电动公交车要求每日回厂后必须对蓄电池进行充电和维护或行驶途中,为达到在繁华路段行驶零排放和降低噪声,必须工作于纯电动模式,由蓄电池单独供电。(3进出站或红绿灯工作模式。公交车的进出站滞留时间一般为1m i n 左右,而且站内候车和上·21·第5期 2005年客车技术与研究·设计·计算&#

13、183;研究·下车乘客密集,因此,设计了相应的站内工作模式,以降低车辆的排放和噪声。即若此时蓄电池S O C 较高,起步和加速时由超级电容器和蓄电池一起供电,然后以纯电动方式工作;若S O C较低(低于设定值80%,发动机必须工作于中等负荷,起步加速时由发电机和超级电容器一起供电。由于该工况下整车需求功率较小,多能量管理系统将设置为发动机非功率跟踪模式,发动机转速低于正常工作转速,发电电流也很低。(4爬坡工作模式。由于整个多能量管理系统根据公交线路而设计,考虑到车辆爬坡的动力性要求,在线路的长坡前,蓄电池剩余的电量能够保证车辆正常通过坡道,将发动机的工作状态调整为大功率输出模式,即发

14、动机以全负荷工况工作,在爬坡前对蓄电池和超级电容器充电,将超级电容器充满。(5制动能量回收工作模式。当车辆制动或下坡减速时,利用制动能量回收系统,用蓄电池和超级电容器最大限度的吸收再生制动能量,在进入平地工况时由把超级电容器储存的能量放给蓄电池,以便下次制动时存储能量。2.3超级电容器的选型对正常的制动过程进行分析,一次刹车可以回收的能量为:E=K1K2(W-Ff S,其中:W为车体动能衰减,K1为变速器机械传动效率,Ff为滚动摩擦力,K2为发电效率,S为制动距离。假设正常情况下城市公交车以50k m/h,即13.89m/s开始减速后停车,满载时客车质量为15500k g,则W=0.5e155

15、00e13.892=1495.23k J;对于电机来说,在制动过程中,发电效率K2随转速和转矩的变化而变化,取0.87;制动距离取决于制动力的大小和制动时间的长短,假设制动时间为10s,则制动距离为69.45m;对于城市沥青路面,滚动摩擦力系数f取0.018,则Ff=M g e f=2.79k N;变速器K1的效率为87.75%。把以上数据带入公式中得出E=993.57k J。对混合动力公交车做刹车试验,取电流对时间的积分再乘蓄电池组的端电压得出每次刹车时蓄电池能回收能量的近似值为235.75k J。由此,可以看到,由于蓄电池快速吸收制动时的发电能量,导致大约757k J的能量损失。由此,可以

16、看到,只有1/4的再生制动能量被蓄电池回收。由此,用超级电容器和蓄电池并联使用,超级电容器的选取型号为m a x w e l l公司的B C A P0010型超级电容器,其电容量为2600F,最大电压为2.5V,额定电流为600A,5s可放电到1.25V,内部等效电阻为0.0007o h m s,工作范围为-4065g C。使用110节超级电容器串联,两个箱子分装。2.4功率变换电路如图2所示,超级电容器和蓄电池组并联,共同向d c-a c变换器输送和吸收能量,S1和S2为I d-B T绝缘栅双极型晶体管,它是一种新型复合器件,具有导通电阻小、驱动功率小、控制电路简单、工作频率较高、元件容量大等优点,它们和电感L组成了d c-d c功率变换器。当汽车加速或爬坡时,功率管S2整流,超级电容器处于放电状态,电压升压后释放能量;当汽车减速制动或下坡时,功率管S1整流,制动能量经d c-a c变换器后降压向超级电容器充电。串联的超级电容器组在充电时会出现不均现象,因为各个电容都会有轻微差别,可能导致某个电容器达到危险电压,当充电到整个电容器组至最大电压时,为保持电压平衡,电压平衡器起作用,当电压达到2.68V时即自动开始放电。由于超级电容器存储的能量和电压成比例,所以其电压给出了它所存储的能量和能够继续存储的能量数。当加速时蓄