超级电容系统在电动汽车上的应用

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1、中国汽车工程学会2003学术年会SAE-C2003P01673超级电容系统在电动汽车中的应用孙立清陈伟王仁贞袁学北京理工大学[摘要]本文就以传统的蓄电池为主供电能源的车辆上，装载辅助能源——超级电容的工作模式下，对车辆驱动行驶的控制策略进行研究。其中，车辆的基本工作状况为城区内工作模式，即频繁的起动、加速和制动。此时方可充分发挥电容的功能特点：比功率大，可以以大电流短期充、放电，从而满足车辆驱动要求。实现这一目标的关键是如何控制电容的工作规律，本文就这一问题展开讨论，以期得到合适的控制策略。关键词：电动汽车超级电容控制策略1介绍电动汽车发展到今天，主要

2、的瓶颈就是蓄电池的问题。传统的蓄电池（如铅酸电池）由于功率密度偏低，不能满足车辆的频繁地起步、加速和制动工况的要求，而且由于加速时浪费了过多的能量，致使车辆的行驶里程也不能满足要求。加装超级电容的车辆就可以有效的解决这一问题，即可以提供较大的驱动电流，满足车辆行驶工况；又可以节省电池的能量，延长车辆的行驶里程，同时减少了蓄电池的频繁充放电的工作状态，提高了蓄电池的使用寿命。但前提是有一套行之有效的控制理论，可以使电容与蓄电池匹配工作。在本文中作者给出了一种行之有效的方案布局，并初步解决了蓄电池和超级电容的匹配工作的问题。其中蓄电池为铅酸蓄电池，共有10

3、8块串联，单体电压为4.25V，总电压为459V。超级电容工作电压为380~190V，可释放能量为1kW•h，总重量约320kg。2系统布局本文中蓄电池和超级电容采用如下布局：超级电容蓄电池DC/DC超级电容电机控制器驱动电机车车轮轮图174SAE-C2003P016中国汽车工程学会2003学术年会超级电容和基本能量源——蓄电池采用并联的连接方式。电容在正常行驶的时候，不参与工作；但当车辆进行加速或上坡时，电容通过DC/DC变换器的控制提供短期的大电流，不足的部分与电池共给，两者在经过电机控制器的调控，驱动电机驱动车辆。3超级电容和DC/DC变换器系统

4、本课题中采用的超级电容为4个箱体，每个箱体有68个单元，工作电压为380~190V，总的重量达约为320kg，单体电压为1.39V，电容为18000F，图2为超级电容的布置图。图2DC/DC变换器与蓄电池的连接如图3所示:DC-DCLD2SW2UcpD1CRBCSW1图3DC/DC变换器为升降压型，即：当电容的电压低于蓄电池的端电压时，DC/DC变换器通过工作电路抬升输出电压，使电容和蓄电池符合匹配工作条件。同时，当电容的容量不足时，蓄电池会向超级电容进行充电,经过DC-DC变换器的降压电路使得超级电容达到能量饱和状态。在升压模式中，当SW1在控制周期

5、内开关时，可以从超级电容到电池组输出端传输所需的能量。当SW1开的时候，能量从电容中取出来，存储在电感L中，SW1断开的时候，电感中的能量通过D2传送到电容C中，直至到电池输出端。在降压模式中，当SW2开通的时候，能量从电池组中通过电感L流向电容，电感储存部分能量，当SW2关断的时候，电感中的能量L被传送到电容中去了。中国汽车工程学会2003学术年会SAE-C2003P01675下面表1和图4为带DC/DC的超级电容的充、放电输出特性。表1放电特性充电特性时间(s)电容电压(V)电容电流(I)电池电压(V)时间(s)电容电压(V)电容电流(I)电池电压

6、(V)03600440024004401033095440102606644022300101440142806744030280105440203006544050260127440403206544060240136440613406444075220150440833605944012738040440放电特性曲线500400电容电压300电容电流200输出电压电压、电流1000020406080时间充电特性曲线500400300电容电压电容电流200电池电压电流、电压1000050100150时间图44控制策略为了实现前面所述的目标，关键是对超

7、级电容的控制。而控制策略严重依靠超级电容的尺寸。拥有大的容量，车辆可以以恒定的电池电流行驶（平均电流），在此状况下，电容承担所有的电流偏差（正的或负的）。但这样的话，成本会很高的，所以电容应该尽可能的小一些，同时应当足够大以避免蓄电池出现过高的（或过低的）电压和电流。76SAE-C2003P016中国汽车工程学会2003学术年会考虑到电容的成本，总的电容（法拉）必须做到最小，因而需要更加复杂的控制策略。每一个参数——瞬时蓄电池电压、电池荷电状态、瞬时蓄电池电流、电容初始状态，电容电流均需测量。车速也必须加以测量，因为当车辆开始起步时，电容的能量应当处于

8、充盈状态。同理，当车辆在高速行驶的时候，电容应当是空的，以接受突然制动所产生的再生制动能量。车