【正文】 摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和人類的進(jìn)步，能源和環(huán)境問題越來越受到人們的重視。電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生，取代了傳統(tǒng)的汽油為燃料的汽車。電能作為清潔能源若大規(guī)模的應(yīng)用在汽車上，不僅可以減輕污染，也可以在一定程度上緩解能源緊張問題。 純電動(dòng)汽車是新能源汽車的一種，具有良好的發(fā)展前景?？刂破髯鳛榧冸妱?dòng)汽車研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到了新能源汽車行業(yè)的廣泛重視。開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制器具有重要的意義。本文介紹了純電動(dòng)汽車的歷史和發(fā)展?fàn)顩r，綜述了純電動(dòng)汽車研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，包括控制器、動(dòng)力型鏗電池技術(shù)、能量管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、整車通信網(wǎng)絡(luò)等。 控制器是純電動(dòng)汽車研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，關(guān)系到車輛性能的優(yōu)劣。本文對(duì)控制器的發(fā)展?fàn)顩r和工作原理進(jìn)行了研究，并對(duì)控制器進(jìn)行功能分析。關(guān)鍵詞: 電動(dòng)汽車組成 關(guān)鍵技術(shù) 控制器 電路分析 75 / 79ABSTRACTPure electric vehicle is a new energy vehicle, with good prospects for development. Vehicle controller as One of the key technologies of pure electric vehicle research has been widely emphasized by the new energy automobile industry.. DevelopThe vehicle controller with independentintellectual property rights has important significance.. The energy management strategy can be effective and reliableTo effectively use the energy of the power battery pack, improve the pure electric vehicle continued mileage. In the domestic and international vehicleBased on the research of the controller, the research on the effective control of braking energy feedback and the vehicle controller is studied..目錄 1 選題背景 1 純電動(dòng)汽車發(fā)展歷程簡(jiǎn)介 2 電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 3 9 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu) 9 工作原理及超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng) 13 超級(jí)電容器的主要特點(diǎn) 14 超級(jí)電容器的參數(shù)特性 16 20 元器件及選擇 21 基本的直流變換器 23 27 27 超級(jí)電容的等效電路 29 超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型 32 超級(jí)電容的simulink 模型與仿真 33 Boost電路的建模與仿真 36 40參考文獻(xiàn) 41致謝辭 42附錄 44 汽車自誕生起已有一百多年歷史，從生產(chǎn)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等方面來看，都取得了巨大的成就。但傳統(tǒng)的燃油汽車效率低、污染氣體排放量大的問題仍然沒有得到妥善解決。據(jù)估算，目前汽車所消耗的石油約占到全球石油年產(chǎn)量的一半以上。與此同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)燃燒所產(chǎn)生的有毒、有害氣體也對(duì)大氣環(huán)境造成了破壞。我國(guó)車輛眾多，一些大中型城市道路擁擠，大氣污染嚴(yán)重。有限的石油資源以及日益惡化的環(huán)境等問題，迫使汽車工業(yè)必須尋求更加節(jié)能的新能源汽車，以減少對(duì)石油的過度消耗和對(duì)環(huán)境的污染，保證汽車工業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。 純電動(dòng)汽車是新能源汽車中的一個(gè)重要發(fā)展方向。電動(dòng)汽車是無排放交通工具，它將使空氣污染大為減少，且使能源的利用多元化和高效化，達(dá)到能源可靠、和無污染地利用。動(dòng)力蓄電池是現(xiàn)階段電動(dòng)車輛能量源的主要選擇，但蓄電池存在功率密度偏低，大電流放電會(huì)損傷電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮短電池的使用壽命等問題。如果讓蓄電池滿足大電流和高功率要求，蓄電池的體積和質(zhì)量都要增加，這樣不但給電動(dòng)汽車增加了重量，而且整車的成本也會(huì)增加。但車載電源技術(shù)一直是制約電動(dòng)汽車發(fā)展和普及的瓶頸，成為電動(dòng)汽車研究的一個(gè)重要課題。電池技術(shù)得不到突破性進(jìn)展，電動(dòng)汽車很難與燃油汽車競(jìng)爭(zhēng)。 當(dāng)今，用超級(jí)電容和蓄電池組合成復(fù)合電源是一種車載電源的新方案。超級(jí)電容是近年來新發(fā)展起來的一種儲(chǔ)能元件，具有比功率高和充放電壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于作為短時(shí)間的功率輸出源，可以在電動(dòng)車輛起動(dòng)、加速、爬坡時(shí)大功率放電，在車輛下坡制動(dòng)時(shí)迅速吸收制動(dòng)能量。同時(shí)也保護(hù)了蓄電池不受大電流的沖擊而損壞[1]。 世界上第一輛純電動(dòng)汽車（Electrical Vehicle，簡(jiǎn)稱 EV）問世于 1883 年，比內(nèi)燃機(jī)汽車的誕生還要早，距今已有一百多年的歷史。但因早期電池的比能量、比功率及可靠性等方面問題較多，純電動(dòng)汽車的性能遠(yuǎn)不及內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)汽車始終沒有市場(chǎng)化。隨著新技術(shù)的鎳氫動(dòng)力電池、鋰離子動(dòng)力電池及高效電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等高新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，純電動(dòng)汽車在經(jīng)歷了多次起伏后，又迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，近年來再次受到各國(guó)政府、企業(yè)及高校的重視。尤其是在美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。 美國(guó)政府對(duì)電動(dòng)汽車研究方面一直是大力支持，投入了大量的人力和財(cái)力。特斯拉（Tesla）公司和鳳凰汽車（Phoenix Motorcars）公司分別推出了高性能的純電動(dòng)跑車和純電動(dòng)運(yùn)動(dòng)貨車。加利福尼亞正準(zhǔn)備建造電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，一旦建成，電動(dòng)汽車的使用將變得非常方便和實(shí)用。解決了續(xù)航的問題，電動(dòng)汽車不失為一種新的可靠的交通工具。出于對(duì)資源缺乏和環(huán)境問題的擔(dān)憂，日本是目前純電動(dòng)汽車發(fā)展速度最快的國(guó)家之一。三菱公司的“iMiEV”、日產(chǎn)汽車公司的“Leaf”純電動(dòng)汽車等先后研制成功并投放市場(chǎng)。2009 年到 2012 年在東京地區(qū)累計(jì)建設(shè) 1000 個(gè)充電站。在我國(guó)，近幾年國(guó)家也開始大力支持電動(dòng)汽車的研發(fā)，純電動(dòng)城市客車越來越普及，純電動(dòng)轎車也開始出現(xiàn)在馬路上，我國(guó)的純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入高速發(fā)展的新階段[2]。 國(guó)內(nèi)的研究大多集中在燃料電池加超級(jí)電容上，不過蓄電池加超級(jí)電容方向也取得了不錯(cuò)的成果。在 2003 年，北京理工大學(xué)和北方尼奧普蘭客車合作研制的“BFC6110EV”型純電動(dòng)旅游客車，率先通過整車型式認(rèn)證試驗(yàn)；該車采用鋰電池和超級(jí)電容的復(fù)合電源的組合方式，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)定要求。 吉林大學(xué)將鎳氫電池和超級(jí)電容組合，搭建了復(fù)合電源試驗(yàn)臺(tái)架，并對(duì)復(fù)合電源的參數(shù)匹配理論以及控制策略進(jìn)行了仿真研究。掌握了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為復(fù)合電源的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。目前，吉林大學(xué)已完成復(fù)合電源仿真軟件的編寫和開發(fā)階段的工作。 2010世博會(huì)上出現(xiàn)了一批新穎的電動(dòng)汽車，鋰電池加超級(jí)電容的復(fù)合電源系統(tǒng)為動(dòng)力，超級(jí)電容和鋰電池相結(jié)合，可以行駛200公里以上。國(guó)外對(duì)于電動(dòng)汽車的研究比較早，取得了一些很好的成果，研究成果比較突出的有： 在美國(guó)，Tobias Anderson 等人對(duì)裝有鎳氫電池和超級(jí)電容復(fù)合電源的電動(dòng)車輛進(jìn)行了部件參數(shù)匹配和仿真研究，并應(yīng)用低通濾波的思想（Low Pass Filler Control）實(shí)現(xiàn)了復(fù)合電源中蓄電池和超級(jí)電容充放電電流的控制。在加拿大，Gregory Wight 等人對(duì)裝載超級(jí)電容的電動(dòng)車輛進(jìn)行了低溫環(huán)境和不同行駛工況下的實(shí)車道路試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，超級(jí)電容的加入幫助蓄電池減輕工作負(fù)荷，同時(shí)超級(jí)電容快速回收制動(dòng)能量的特性，使整車燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高。 在意大利，菲亞特汽車公司應(yīng)用鉛酸蓄電池和超級(jí)電容組合驅(qū)動(dòng)旗下Cinquecento Elctra 車型，性能測(cè)試結(jié)果顯示，在完整 ECE 行駛循環(huán)下該車型節(jié)能 14%，在市區(qū)和郊區(qū)行駛工況下分別節(jié)能 40%和 20%。 在日本，Chugoku 電力公司和豐田公司研發(fā)中心合作在馬自達(dá)Bongo Friend車型上安裝由閥控鉛酸蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，該復(fù)合電源使用402 的松下超級(jí)電容（1600F@）。測(cè)試結(jié)果顯示，用超級(jí)電容作為負(fù)載均衡裝置使閥控鉛酸電池可更好地運(yùn)用于電動(dòng)車輛電動(dòng)車輛[3]。 由于超級(jí)電容的特性，在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中通常都是以超級(jí)電容組的形式出現(xiàn)。圖(b)所示為韓國(guó)的一款以超級(jí)電容器為輔助能源的并聯(lián)型混合電動(dòng)汽車,它所采用的電機(jī)是無刷直流電機(jī),車空載質(zhì)量為1200kg,其中,超級(jí)電容器組質(zhì)量為60kg,如圖(a)所示。（a）超級(jí)電容器組 （b）并聯(lián)型混合電動(dòng)汽車 超級(jí)電容器組由35個(gè)超級(jí)電容器單元組成,超級(jí)電容器單元的個(gè)數(shù)主要由電氣系統(tǒng)逆變器的功率所決定。其中,靜態(tài)容量2700F,內(nèi)阻lm幾,則超級(jí)電容器組的電壓范圍為45一75v,總靜態(tài)容量2700/35=77F,內(nèi)阻為35mn,超級(jí)電容器組的總能量為250kJ,工作溫度為一30~85℃。超級(jí)電容器組可在電動(dòng)汽車起動(dòng)、加速時(shí)提供強(qiáng)大的動(dòng)力,并能及時(shí)回收制動(dòng)時(shí)反饋的能量。 圖（a）所示的超級(jí)電容器組是由80個(gè)超級(jí)電容器單元和1個(gè)冷卻系統(tǒng)組成的,其中超級(jí)電容器的功率密度和能量密度分別達(dá)到了1400w/,工作溫度為一30~65℃,超級(jí)電容器組的規(guī)格見表1。表1 超級(jí)電容器組規(guī)格體積/L質(zhì)量/kg最高電壓/V216最大功率/kw28能量/wh80單元數(shù)/個(gè)80 美國(guó)Maxen公司所開發(fā)的超級(jí)電容器已在各種類型電動(dòng)車上都得到良好應(yīng)用。本田公司在其開發(fā)出的第三代和第四代燃料電池電動(dòng)車FCXv3和FCXV4中分別使用了自行開發(fā)研制的超級(jí)電容器來取代二次電池,減少了汽車的質(zhì)量和體積,使系統(tǒng)效率增加,同時(shí)可在制動(dòng)時(shí)回收能量,測(cè)試結(jié)果表明,使用超級(jí)電容器時(shí)燃料效率和加速性能均得到明顯提高,起動(dòng)時(shí)間由原來的10min縮短到105。此外,法國(guó)sAFT公司、澳大利亞caPxx公司、韓國(guó)NES白公司等也都在加緊電動(dòng)車用超級(jí)電容器的開發(fā)應(yīng)用。 由Maxwell Technologies公司生產(chǎn)的Powe:Cache超級(jí)電容器,已由通用汽車公司Allison Transmission Division組成并聯(lián)混合電源系統(tǒng)和串聯(lián)電源系統(tǒng)用在卡車和轎車上。Alhs。n期望Maxwell超級(jí)電容有6年以上的使用壽命。跟相應(yīng)的蓄電池組比起來,超級(jí)電容器貯能裝置質(zhì)量只有前者的1/3,體積只有前者的一半。ISE Research一Thunder Volt公司也將Power Cache超級(jí)電容器用于其新開發(fā)的重型混合電力推進(jìn)系統(tǒng)Thundor P、ko該系統(tǒng)是由協(xié)葉Maxwen的Pc2500超級(jí)電容器裝到一個(gè)用風(fēng)扇冷卻的鋁套內(nèi)。單個(gè)貯能堆可以貯存或釋放150kw的電力,雙聯(lián)體達(dá)到3ookw,完全滿足了大塾汽車或卡車加速時(shí)的需求。第一個(gè)Thunder堆交給了拉斯維加斯的內(nèi)華達(dá)大學(xué)做混合型動(dòng)力車試驗(yàn)。將蓄電池與超級(jí)電容器組合起來,它們的優(yōu)點(diǎn)可以互補(bǔ),成為一個(gè)極佳的貯能系統(tǒng)。Maxwell公司和Exide公司正聯(lián)合開發(fā)這一組合系統(tǒng),用于卡車低溫起動(dòng)、中型和重型卡車、陸上和地下的軍用車,它在大電流以及高低溫條件下工作,都會(huì)有很長(zhǎng)的壽命[4]。 在我國(guó),北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等也在開展電動(dòng)車用超級(jí)電容器的開發(fā)研究士作,國(guó)家“十五”計(jì)劃,“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)攻關(guān)中已將電動(dòng)車用超級(jí)電容器的開發(fā)列人發(fā)展計(jì)劃。 超級(jí)電容器的市場(chǎng)正在形成中,而且潛力較大,表2為2004年不同種類的汽車對(duì)超級(jí)電容器的需求情況。表2 2004年超級(jí)電容器機(jī)動(dòng)車市場(chǎng)需求車類型車產(chǎn)量/輛超級(jí)電容器需求量/個(gè)價(jià)值/美元（）占有率/%重型卡車和大客車27700052500005叉車110000044000001平板車36000028750000轎車20000360000中型客車100003000001其他30001200002總數(shù)177000013305000 從表2中看出,超級(jí)電容器在機(jī)動(dòng)車市場(chǎng)的占有率還非常低,有的市場(chǎng)還未啟動(dòng),例如火車站、一飛機(jī)場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)等載人拉貨的平板車,所以整個(gè)超級(jí)電容器市場(chǎng)處于成長(zhǎng)階段,潛力很大,據(jù)有關(guān)權(quán)威部門報(bào)道,在未來5年里,超級(jí)電容器的市場(chǎng)銷售額將會(huì)達(dá)到20億美元。 超級(jí)電容器是一種快速儲(chǔ)能元件,隨著對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和超級(jí)電容器的進(jìn)一步研究和開發(fā),在下一個(gè)研發(fā)循環(huán)中,超級(jí)電容器和其他儲(chǔ)能源聯(lián)合使用,是滿足電動(dòng)汽車性能和成本要求的一種出路。 單純用超級(jí)電容器來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車,這個(gè)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低,而且實(shí)現(xiàn)了車輛尾氣的零排放。根據(jù)超級(jí)電容器的特點(diǎn),以超級(jí)電容器為唯一能源的電動(dòng)汽車適合用在短距離、線路固定的區(qū)域。例如火車站和飛機(jī)場(chǎng)的牽引車上。煤礦的采煤車、運(yùn)輸車上；學(xué)校和幼兒園的送餐車上；公園的游覽車上；城市的電動(dòng)自行車、電動(dòng)公交車上。 尤其在城市市區(qū)運(yùn)行的電動(dòng)公交車,其運(yùn)行線路在20km以內(nèi),運(yùn)行中頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速。運(yùn)用超級(jí)電容器為能源的電動(dòng)汽車,一次充電續(xù)駛里程可達(dá)20km,充電時(shí)間12min,在此領(lǐng)域?qū)?huì)有廣闊的應(yīng)用前景。而且超級(jí)電容器的低溫特性優(yōu)于蓄電池,尤其在氣候寒冷地區(qū)是一個(gè)好的選擇。電動(dòng)公交車在終點(diǎn)停留時(shí)間長(zhǎng),通常停留時(shí)間約在15~30min。可以建立超級(jí)電容器電動(dòng)公交車專線,在線路兩端設(shè)立充電站,每臺(tái)充電站可以同時(shí)給3一5輛超級(jí)電容器電動(dòng)公家車充電,充電時(shí)間約在15一30min。 由黑龍江省科委組織,哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨龍集團(tuán)研制的超級(jí)電容電動(dòng)公交客車,可容納50名乘客,最高速度20km/h。采用直流變勵(lì)磁控制的電機(jī)系統(tǒng),額定功率60kw,峰值功率90kw。電容組中電容數(shù)600個(gè),最大工作