超級電容與蓄電池并聯使用對混合動力公交車的改進

1、(該車所配設備使用220V交流電,可用外接電源;考慮到郊區(qū)和農村宣傳,該車還配有發(fā)電機,所用交流電設施如下:(1交流發(fā)電機。交流發(fā)電機功率能夠保證在無外接電源的情況下各用電設備正常工作。(2穩(wěn)壓電源。能夠將電壓穩(wěn)定在220V,保證各用電設備正常工作。(3車內電路。采用一套線路控制,即在汽車儀表臺上用24V來控制設備所用220V交流電路。(4電線絞盤。用于外接交流電源與整車配電盤的連接,電線長50m。(5配電盤。整車的交流電控制中樞,空調開關以及其它用電接口。(6其它用電設施。該車配有獨立的交流電冷暖空調系統,并且安裝有車載空調系統。3結束語該車是金融機構流動型銀行取款、宣傳車,可選配倒車室內雙

2、探頭監(jiān)視器、車載飲水機、獨立水暖、以及其它用戶需要的設備。它的推出為客車改裝擴展了新用途,為專用車家族增添了新產品。該車經過一年多的使用,證明各項指標都能達到使用要求。收稿日期:2004-11-08超級電容與蓄電池并聯使用對混合動力公交車的改進方偉新,吳森,宗楊(武漢理工大學汽車工程學院,湖北武漢430070摘要:介紹一種超級電容器組與蓄電池組并聯系統。該系統應用于混合動力公交車,使之在加速和減速時的能量損失最少,減小蓄電池損壞,延長蓄電池使用壽命。關鍵詞:混合動力;城市客車;超級電容器;蓄電池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中圖分類號:U464.9+3文獻標識碼:

5、B文章編號:1006-3331(200505-0011-04汽車在行駛過程中至少有30%的能量因熱量散發(fā)和制動而消耗掉,特別是在城市行駛,經常遇到紅燈,這樣不僅造成能源浪費,而且增加環(huán)境污染。如能把制動所消耗的能量回收起來用于汽車起動、加速,可謂一舉兩得。國外有關研究表明,在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下,有效地回收制動能量,可使電動汽車的行駛距離延長10% 30%,因此,再生制動在混合動力電動汽車的能量回收中占有突出的地位,在其能量管理系統中,要求盡可能多地利用再生制動回饋的能量。由于蓄電池充電是通過化學反應來完成的,所需時間較長,但制動時間較短,因而回收能量效果不佳。正處于研究中的

6、飛輪電池,由于精度要求高、制作難度大,短時間還難以進入實用階段。超級電容器是介于蓄電池和電容器之間的一種能量存儲器,它具有優(yōu)良的脈沖充放電性能和大容量儲能性能。1超級電容器與蓄電池的性能比較1.1蓄電池的不足混合動力電動車輔助動力蓄電池在加速或爬坡時要進行大電流放電;減速或下坡時要快速充電實現制動能量回收,要求蓄電池具有優(yōu)良的高倍率快速充放電特性和使用壽命長且性能穩(wěn)定。而對蓄電池實行大電流充放電將使之壽命大大縮短。同時由于混合動力電動車放置蓄電池的空間有限,布置非常緊湊,熱量易積累,使得蓄電池暴露在高溫環(huán)境中造成高溫失效。盡管針對混合動力汽車所使用的鉛酸蓄電池作了許多改進,但是其在高溫時性能惡

7、化快,壽命短,充放電效率低已經成為混合動力電動車發(fā)展的難題之一。1.2超級電容器的優(yōu)勢與不足超級電容器也稱電化學電容器,因其存儲能量·11··設計·計算·研究·客車技術與研究2005年第5期大,質量輕,可多次充放電而成為一種新型的儲能裝置。超級電容器有以下優(yōu)勢:(1電容量大。超級電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極,與電解液接觸的面積大大增加。根據電容量的計算公式,兩極板的表面積越大,則電容量越大。因此,一般雙電層電容器容量很容易超過1F ,它的出現使普通電容器的容量范圍驟然躍升了34個數量級。目前單體超級電容器的最大電容量可

8、達到5000F 。(2充放電壽命很長?？蛇_500000次或90000h,而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次;可以提供很高的放電電流,如2700F 的超級電容器額定放電電流不低于950A ,放電峰值電流可達1680A ,一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流,一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。(3快速充放電?？梢詮臄凳氲綌捣昼妰瓤焖俪潆?而蓄電池在如此短的時間內充滿電將是極危險的或是幾乎不可能的。(4很寬的工作溫度范圍(-40f +70f 。蓄電池很難在高低溫,特別是低溫環(huán)境下工作;超級電容器用的材料是安全和無毒的,而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性。(5超級電

9、容器可以任意并聯使用來增加電容量,如采取均壓措施后,還可以串聯使用。超級電容器的不足:盡管在能量存儲上的進步,但超級電容器還是不能和電化學蓄電池相比,即使是鉛酸蓄電池也能比超級電容器多存儲10倍以上的能量。1.3 使用超級電容的可行性在正常行駛時,混合動力車從蓄電池中吸收的平均功率相當低,而剎車、加速和爬坡時的峰值功率又相當高,一輛高性能的混合動力車的峰值功率與平均功率之比可達到16:1,且用于剎車、加速和爬坡時消耗的能量占總能耗的56%。在混合動力車上使用超級電容器,可以實現在加速時瞬時大電流放電,在減速剎車時能瞬時吸收很大的能量,減少能量的損失,同時減少對蓄電池的危害。因此,可以利用這些性

10、能,把超級電容器與各類動力電池配合使用組成復合電池,應用于混合動力電動汽車的啟動系統,在車輛起步、加速、制動過程中起到平滑蓄電池的充放電電流,保護蓄電池和節(jié)能的作用,并且提高電動車的一些瞬時性能。因此,為了解決混合動力車剎車、加速和爬坡時能量瞬時輸入和輸出時的矛盾,可以考慮將超級電容器與蓄電池并聯使用,以緩解蓄電池在瞬時功率輸入輸出上的不足。2 系統概述蓄電池和超級電容器并聯作為混合動力車輔助能源,可以應用于各種聯結形式的混合動力車,還可應用于燃料電池電動車。以串聯式混合動力公交車上并聯超級電容器為例來說明該系統的應用。2.1 蓄電池和超級電容器并聯的動力結構串聯式混合動力公交車結構布置圖見圖

11、1。在混合動力公交車驅動系統中,使用以下動力部件:額定功率55k W 的增壓柴油發(fā)動機;額定功率55k W 的感應式發(fā)電機;額定功率45k W 的S o l e c t i r a 公司的D MO C 645交流驅動電機(采用雙電機串聯式結構,最大效率為93%;容量150A h 的鉛酸電池28節(jié)。 該系統中在蓄電池兩端并聯超級電容器組。圖1 整車結構布置圖2.2 蓄電池和超級電容器并聯的城市公交工作模式城市公交車的行駛工況主要包括:站外常規(guī)行駛、站內低速行駛和駐車、路口和紅綠燈駐車、繁華路段行駛和駐車以及立交橋、橋梁的坡道行駛。而且城市公交車在每個路線循環(huán)始末都有駐車休息時間。因此,根據公交工

12、況特點,混合動力電動公交車能實現以下工作模式:(1常規(guī)行駛模式。對于站外的常規(guī)行駛,整個多能量管理系統基于整車功率平衡的控制策略,將發(fā)動機設置為功率跟蹤模式,這樣可有效地降低蓄電池的充放電損耗,提高整車工作效率。(2純電動工作模式(發(fā)動機停機。車輛在每日始發(fā)(對于混合動力電動公交車要求每日回廠后必須對蓄電池進行充電和維護或行駛途中,為達到在繁華路段行駛零排放和降低噪聲,必須工作于純電動模式,由蓄電池單獨供電。(3進出站或紅綠燈工作模式。公交車的進出站滯留時間一般為1m i n 左右,而且站內候車和上·21·第5期 2005年客車技術與研究·設計·計算&#

13、183;研究·下車乘客密集,因此,設計了相應的站內工作模式,以降低車輛的排放和噪聲。即若此時蓄電池S O C 較高,起步和加速時由超級電容器和蓄電池一起供電,然后以純電動方式工作;若S O C較低(低于設定值80%,發(fā)動機必須工作于中等負荷,起步加速時由發(fā)電機和超級電容器一起供電。由于該工況下整車需求功率較小,多能量管理系統將設置為發(fā)動機非功率跟蹤模式,發(fā)動機轉速低于正常工作轉速,發(fā)電電流也很低。(4爬坡工作模式。由于整個多能量管理系統根據公交線路而設計,考慮到車輛爬坡的動力性要求,在線路的長坡前,蓄電池剩余的電量能夠保證車輛正常通過坡道,將發(fā)動機的工作狀態(tài)調整為大功率輸出模式,即發(fā)

14、動機以全負荷工況工作,在爬坡前對蓄電池和超級電容器充電,將超級電容器充滿。(5制動能量回收工作模式。當車輛制動或下坡減速時,利用制動能量回收系統,用蓄電池和超級電容器最大限度的吸收再生制動能量,在進入平地工況時由把超級電容器儲存的能量放給蓄電池,以便下次制動時存儲能量。2.3超級電容器的選型對正常的制動過程進行分析,一次剎車可以回收的能量為:E=K1K2(W-Ff S,其中:W為車體動能衰減,K1為變速器機械傳動效率,Ff為滾動摩擦力,K2為發(fā)電效率,S為制動距離。假設正常情況下城市公交車以50k m/h,即13.89m/s開始減速后停車,滿載時客車質量為15500k g,則W=0.5e155

15、00e13.892=1495.23k J;對于電機來說,在制動過程中,發(fā)電效率K2隨轉速和轉矩的變化而變化,取0.87;制動距離取決于制動力的大小和制動時間的長短,假設制動時間為10s,則制動距離為69.45m;對于城市瀝青路面,滾動摩擦力系數f取0.018,則Ff=M g e f=2.79k N;變速器K1的效率為87.75%。把以上數據帶入公式中得出E=993.57k J。對混合動力公交車做剎車試驗,取電流對時間的積分再乘蓄電池組的端電壓得出每次剎車時蓄電池能回收能量的近似值為235.75k J。由此,可以看到,由于蓄電池快速吸收制動時的發(fā)電能量,導致大約757k J的能量損失。由此,可以

16、看到,只有1/4的再生制動能量被蓄電池回收。由此,用超級電容器和蓄電池并聯使用,超級電容器的選取型號為m a x w e l l公司的B C A P0010型超級電容器,其電容量為2600F,最大電壓為2.5V,額定電流為600A,5s可放電到1.25V,內部等效電阻為0.0007o h m s,工作范圍為-4065g C。使用110節(jié)超級電容器串聯,兩個箱子分裝。2.4功率變換電路如圖2所示,超級電容器和蓄電池組并聯,共同向d c-a c變換器輸送和吸收能量,S1和S2為I d-B T絕緣柵雙極型晶體管,它是一種新型復合器件,具有導通電阻小、驅動功率小、控制電路簡單、工作頻率較高、元件容量大等優(yōu)點,它們和電感L組成了d c-d c功率變換器。當汽車加速或爬坡時,功率管S2整流,超級電容器處于放電狀態(tài),電壓升壓后釋放能量;當汽車減速制動或下坡時,功率管S1整流,制動能量經d c-a c變換器后降壓向超級電容器充電。串聯的超級電容器組在充電時會出現不均現象,因為各個電容都會有輕微差別,可能導致某個電容器達到危險電壓,當充電到整個電容器組至最大電壓時,為保持電壓平衡,電壓平衡器起作用,當電壓達到2.68V時即自動開始放電。由于超級電容器存儲的能量和電壓成比例,所以其電壓給出了它所存儲的能量和能夠繼續(xù)存儲的能量數。當加速時蓄