超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)使用對(duì)混合動(dòng)力公交車的改進(jìn)

1、(該車所配設(shè)備使用220V交流電,可用外接電源;考慮到郊區(qū)和農(nóng)村宣傳,該車還配有發(fā)電機(jī),所用交流電設(shè)施如下:(1交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)功率能夠保證在無(wú)外接電源的情況下各用電設(shè)備正常工作。(2穩(wěn)壓電源。能夠?qū)㈦妷悍€(wěn)定在220V,保證各用電設(shè)備正常工作。(3車內(nèi)電路。采用一套線路控制,即在汽車儀表臺(tái)上用24V來(lái)控制設(shè)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(zhǎng)50m。(5配電盤。整車的交流電控制中樞,空調(diào)開關(guān)以及其它用電接口。(6其它用電設(shè)施。該車配有獨(dú)立的交流電冷暖空調(diào)系統(tǒng),并且安裝有車載空調(diào)系統(tǒng)。3結(jié)束語(yǔ)該車是金融機(jī)構(gòu)流動(dòng)型銀行取款、宣傳車,可選配倒車室內(nèi)雙

2、探頭監(jiān)視器、車載飲水機(jī)、獨(dú)立水暖、以及其它用戶需要的設(shè)備。它的推出為客車改裝擴(kuò)展了新用途,為專用車家族增添了新產(chǎn)品。該車經(jīng)過(guò)一年多的使用,證明各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到使用要求。收稿日期:2004-11-08超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)使用對(duì)混合動(dòng)力公交車的改進(jìn)方偉新,吳森,宗楊(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢430070摘要:介紹一種超級(jí)電容器組與蓄電池組并聯(lián)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于混合動(dòng)力公交車,使之在加速和減速時(shí)的能量損失最少,減小蓄電池?fù)p壞,延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力;城市客車;超級(jí)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(hào):U464.9+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:

5、B文章編號(hào):1006-3331(200505-0011-04汽車在行駛過(guò)程中至少有30%的能量因熱量散發(fā)和制動(dòng)而消耗掉,特別是在城市行駛,經(jīng)常遇到紅燈,這樣不僅造成能源浪費(fèi),而且增加環(huán)境污染。如能把制動(dòng)所消耗的能量回收起來(lái)用于汽車起動(dòng)、加速,可謂一舉兩得。國(guó)外有關(guān)研究表明,在較頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下,有效地回收制動(dòng)能量,可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長(zhǎng)10% 30%,因此,再生制動(dòng)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能量回收中占有突出的地位,在其能量管理系統(tǒng)中,要求盡可能多地利用再生制動(dòng)回饋的能量。由于蓄電池充電是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成的,所需時(shí)間較長(zhǎng),但制動(dòng)時(shí)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(shí)間還難以進(jìn)入實(shí)用階段。超級(jí)電容器是介于蓄電池和電容器之間的一種能量存儲(chǔ)器,它具有優(yōu)良的脈沖充放電性能和大容量?jī)?chǔ)能性能。1超級(jí)電容器與蓄電池的性能比較1.1蓄電池的不足混合動(dòng)力電動(dòng)車輔助動(dòng)力蓄電池在加速或爬坡時(shí)要進(jìn)行大電流放電;減速或下坡時(shí)要快速充電實(shí)現(xiàn)制動(dòng)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(zhǎng)且性能穩(wěn)定。而對(duì)蓄電池實(shí)行大電流充放電將使之壽命大大縮短。同時(shí)由于混合動(dòng)力電動(dòng)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(duì)混合動(dòng)力汽車所使用的鉛酸蓄電池作了許多改進(jìn),但是其在高溫時(shí)性能惡

7、化快,壽命短,充放電效率低已經(jīng)成為混合動(dòng)力電動(dòng)車發(fā)展的難題之一。1.2超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)與不足超級(jí)電容器也稱電化學(xué)電容器,因其存儲(chǔ)能量·11··設(shè)計(jì)·計(jì)算·研究·客車技術(shù)與研究2005年第5期大,質(zhì)量輕,可多次充放電而成為一種新型的儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器有以下優(yōu)勢(shì):(1電容量大。超級(jí)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(jù)電容量的計(jì)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(guò)1F ,它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了34個(gè)數(shù)量級(jí)。目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可

8、達(dá)到5000F 。(2充放電壽命很長(zhǎng)?？蛇_(dá)500000次或90000h,而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)1000次;可以提供很高的放電電流,如2700F 的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950A ,放電峰值電流可達(dá)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?shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電,而蓄電池在如此短的時(shí)間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)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(jí)電容器用的材料是安全和無(wú)毒的,而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性。(5超級(jí)電

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

10、能,把超級(jí)電容器與各類動(dòng)力電池配合使用組成復(fù)合電池,應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的啟動(dòng)系統(tǒng),在車輛起步、加速、制動(dòng)過(guò)程中起到平滑蓄電池的充放電電流,保護(hù)蓄電池和節(jié)能的作用,并且提高電動(dòng)車的一些瞬時(shí)性能。因此,為了解決混合動(dòng)力車剎車、加速和爬坡時(shí)能量瞬時(shí)輸入和輸出時(shí)的矛盾,可以考慮將超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)使用,以緩解蓄電池在瞬時(shí)功率輸入輸出上的不足。2 系統(tǒng)概述蓄電池和超級(jí)電容器并聯(lián)作為混合動(dòng)力車輔助能源,可以應(yīng)用于各種聯(lián)結(jié)形式的混合動(dòng)力車,還可應(yīng)用于燃料電池電動(dòng)車。以串聯(lián)式混合動(dòng)力公交車上并聯(lián)超級(jí)電容器為例來(lái)說(shuō)明該系統(tǒng)的應(yīng)用。2.1 蓄電池和超級(jí)電容器并聯(lián)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)串聯(lián)式混合動(dòng)力公交車結(jié)構(gòu)布置圖見圖

11、1。在混合動(dòng)力公交車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,使用以下動(dòng)力部件:額定功率55k W 的增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī);額定功率55k W 的感應(yīng)式發(fā)電機(jī);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(qū)動(dòng)電機(jī)(采用雙電機(jī)串聯(lián)式結(jié)構(gòu),最大效率為93%;容量150A h 的鉛酸電池28節(jié)。 該系統(tǒng)中在蓄電池兩端并聯(lián)超級(jí)電容器組。圖1 整車結(jié)構(gòu)布置圖2.2 蓄電池和超級(jí)電容器并聯(lián)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(nèi)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(gè)路線循環(huán)始末都有駐車休息時(shí)間。因此,根據(jù)公交工

12、況特點(diǎn),混合動(dòng)力電動(dòng)公交車能實(shí)現(xiàn)以下工作模式:(1常規(guī)行駛模式。對(duì)于站外的常規(guī)行駛,整個(gè)多能量管理系統(tǒng)基于整車功率平衡的控制策略,將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)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(dòng)工作模式(發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。車輛在每日始發(fā)(對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)公交車要求每日回廠后必須對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和維護(hù)或行駛途中,為達(dá)到在繁華路段行駛零排放和降低噪聲,必須工作于純電動(dòng)模式,由蓄電池單獨(dú)供電。(3進(jìn)出站或紅綠燈工作模式。公交車的進(jìn)出站滯留時(shí)間一般為1m i n 左右,而且站內(nèi)候車和上·21·第5期 2005年客車技術(shù)與研究·設(shè)計(jì)·計(jì)算&#

13、183;研究·下車乘客密集,因此,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的站內(nèi)工作模式,以降低車輛的排放和噪聲。即若此時(shí)蓄電池S O C 較高,起步和加速時(shí)由超級(jí)電容器和蓄電池一起供電,然后以純電動(dòng)方式工作;若S O C較低(低于設(shè)定值80%,發(fā)動(dòng)機(jī)必須工作于中等負(fù)荷,起步加速時(shí)由發(fā)電機(jī)和超級(jí)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(tǒng)將設(shè)置為發(fā)動(dòng)機(jī)非功率跟蹤模式,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于正常工作轉(zhuǎn)速,發(fā)電電流也很低。(4爬坡工作模式。由于整個(gè)多能量管理系統(tǒng)根據(jù)公交線路而設(shè)計(jì),考慮到車輛爬坡的動(dòng)力性要求,在線路的長(zhǎng)坡前,蓄電池剩余的電量能夠保證車輛正常通過(guò)坡道,將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)調(diào)整為大功率輸出模式,即發(fā)

14、動(dòng)機(jī)以全負(fù)荷工況工作,在爬坡前對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器充電,將超級(jí)電容器充滿。(5制動(dòng)能量回收工作模式。當(dāng)車輛制動(dòng)或下坡減速時(shí),利用制動(dòng)能量回收系統(tǒng),用蓄電池和超級(jí)電容器最大限度的吸收再生制動(dòng)能量,在進(jìn)入平地工況時(shí)由把超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量放給蓄電池,以便下次制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)能量。2.3超級(jí)電容器的選型對(duì)正常的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)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(dòng)能衰減,K1為變速器機(jī)械傳動(dòng)效率,Ff為滾動(dòng)摩擦力,K2為發(fā)電效率,S為制動(dòng)距離。假設(shè)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(shí)客車質(zhì)量為15500k g,則W=0.5e155

15、00e13.892=1495.23k J;對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō),在制動(dòng)過(guò)程中,發(fā)電效率K2隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化,取0.87;制動(dòng)距離取決于制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短,假設(shè)制動(dòng)時(shí)間為10s,則制動(dòng)距離為69.45m;對(duì)于城市瀝青路面,滾動(dòng)摩擦力系數(shù)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(shù)據(jù)帶入公式中得出E=993.57k J。對(duì)混合動(dòng)力公交車做剎車試驗(yàn),取電流對(duì)時(shí)間的積分再乘蓄電池組的端電壓得出每次剎車時(shí)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(dòng)時(shí)的發(fā)電能量,導(dǎo)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(dòng)能量被蓄電池回收。由此,用超級(jí)電容器和蓄電池并聯(lián)使用,超級(jí)電容器的選取型號(hào)為m a x w e l l公司的B C A P0010型超級(jí)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(nèi)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(jí)電容器串聯(lián),兩個(gè)箱子分裝。2.4功率變換電路如圖2所示,超級(jí)電容器和蓄電池組并聯(lián),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(fù)合器件,具有導(dǎo)通電阻小、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、元件容量大等優(yōu)點(diǎn),它們和電感L組成了d c-d c功率變換器。當(dāng)汽車加速或爬坡時(shí),功率管S2整流,超級(jí)電容器處于放電狀態(tài),電壓升壓后釋放能量;當(dāng)汽車減速制動(dòng)或下坡時(shí),功率管S1整流,制動(dòng)能量經(jīng)d c-a c變換器后降壓向超級(jí)電容器充電。串聯(lián)的超級(jí)電容器組在充電時(shí)會(huì)出現(xiàn)不均現(xiàn)象,因?yàn)楦鱾€(gè)電容都會(huì)有輕微差別,可能導(dǎo)致某個(gè)電容器達(dá)到危險(xiǎn)電壓,當(dāng)充電到整個(gè)電容器組至最大電壓時(shí),為保持電壓平衡,電壓平衡器起作用,當(dāng)電壓達(dá)到2.68V時(shí)即自動(dòng)開始放電。由于超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量和電壓成比例,所以其電壓給出了它所存儲(chǔ)的能量和能夠繼續(xù)存儲(chǔ)的能量數(shù)。當(dāng)加速時(shí)蓄