【文章內(nèi)容簡介】 超級電容器充電之后貯存過程中，內(nèi)部雖然也有微小的漏電流存在，但這種發(fā)生在電容器內(nèi)部的離子或質(zhì)子遷移運(yùn)動乃是在電場的作用下產(chǎn)生的，并沒有出現(xiàn)化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)。而且，所 用的電極材料在相應(yīng)的電解液中也是穩(wěn)定的，故理論上超級電容器的貯存壽命幾乎可以認(rèn)為是無限的。 (5) 可靠性高 超級電容器工作過程中沒有運(yùn)動部件，維護(hù)工作極少，因而超級電容器的可靠性是極高的。 (6) 比能量低 比能量低 是 目前超級電容器的顯著缺陷，并在一定程度上限制了電動汽車的續(xù)駛里程。 超級電容器重要的研究方向之一就是將其與高能量的電池連用，在車輛加速、制動或爬坡的時候提供車輛所需的高功率，在車輛正常行駛時則由電池充電或由車輛制動時產(chǎn)生的電能充電，達(dá)到減少電池的體積和延長電池壽命的目的，超級電容器在混合動力 電動汽車上的應(yīng)用，可以解決電動汽車起動、加速性能不足等問題。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 8 第二章 基于燃料電池和超級電容電動汽車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 燃料電池和超級電容電動汽車控制系統(tǒng)組成 電動汽車分為三部分：純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。純電動汽車是指以車載電源、蓄電池等為動力，用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛；燃料電池電動汽車是一種可以將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它的特 點(diǎn) 是能量轉(zhuǎn)換效率高，約是內(nèi)燃機(jī)的兩到三倍，生成物是水，不污染環(huán)境，缺點(diǎn)是造價太高；混合動力電動汽車是裝有兩個以上動力源的汽車，常 見的是在城內(nèi)用電機(jī)驅(qū)動，在城外用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，本設(shè)計(jì)中采用了燃料電池和超級電容兩種動力源，為混合動力電動汽車。其中燃料電池作為主要能源；超級電容作為輔助能源，與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相 結(jié)合，超級電容器能提供快速的能量釋放，滿足高功率需求，從而使燃料 電池僅作為能量源使用。 燃料電池和超級電容電動汽車整車控制系統(tǒng)主要由整車控制器（包括整車控制模塊和能量流管理模塊），燃料電池發(fā)動機(jī)，超級電容器， DC∕ DC 變換器，驅(qū)動系統(tǒng)， 車輪，儀表及顯示模塊，有源光星模塊等組成，整個系統(tǒng)各模塊由光纖，電氣和機(jī)械連接成一個整體。 就控制系統(tǒng)而言是一個基于 CAN 總線的分布式系統(tǒng)，信息傳輸介質(zhì)為光纖，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)，其系統(tǒng)主體部分組成結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示： 圖 21 電動汽車結(jié)構(gòu)框圖 其中燃料電池發(fā)動機(jī)是電動汽車的主要能源，它由燃料電池堆和燃料電池輔助系統(tǒng)組成。燃料電池本體的特性比較軟，電壓隨負(fù)載變化較大需要經(jīng)過大功率的 DC∕ DC 變換器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定，可控的直流電源。超級電容器作為輔助電源。燃料電池發(fā)動機(jī)和超級電容器并聯(lián)經(jīng)過 DC∕ DC 變換器組成 288V 的高壓直流電源，給 系統(tǒng)提供能源。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 9 與燃油汽車不一樣，電動汽車沒有傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，省去了離合器分離和結(jié)合這一傳統(tǒng)汽車必不可少的重要兩步，使駕駛員的操作變得更加簡單和方便。電動汽車中驅(qū)動車輪前進(jìn)的是新型電動驅(qū)動系統(tǒng)，它由電機(jī)控制器和電機(jī)兩部分共同組成。電機(jī)控制器接受整車控制器的扭矩指令來控制電機(jī)，進(jìn)而控制車輪的前進(jìn)和倒退。整車及能量流管理系統(tǒng)即整車控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它要根據(jù)駕駛員的操作信息及踏板位置來決定給電機(jī)控制器扭矩的大小，同時，還要根據(jù)燃料電池和超級電容器的狀態(tài)來決定二者的能量配比。接下來介紹電動汽車的各個組成 部分 [4]： (1) 整車控制模塊 整車控制模塊的主要作用是 根據(jù)駕駛員的操作信息實(shí)現(xiàn)對車輛的運(yùn)動控制。與傳統(tǒng)的車輛不一樣，整車控制器并不是一個轉(zhuǎn)速 /車速閉環(huán)控制系統(tǒng)，而是一個扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)駕駛員操縱踏板信息來控制電機(jī)的電流，從而達(dá)到控制電機(jī)輸出扭矩。當(dāng)輸出扭矩大于負(fù)載時，車速增加，反之減少，相等則保持車速不變。 (2) 能量流管理模塊 能量流管理模塊的主要作用是根據(jù) 扭矩的大小和兩種電源的當(dāng)前狀態(tài)決定能量的分配 ， 實(shí)現(xiàn)能量匹配 ， 并將能量傳輸?shù)诫姍C(jī)。本設(shè)計(jì)中用到兩種電源 ； 燃料電池和超級電容。超級電容作為輔 助能源主要負(fù)責(zé)在加速 ， 爬坡或負(fù)載過大時提供短時間的輔助動力 ,在減速和下坡時吸收回饋制動的能量 ， 可以使得燃料電池工作在一個較為穩(wěn)定的低功率高效率區(qū)間。 FCB 動力系統(tǒng)工作時的能量流：當(dāng)車子需要起步時，超級電容啟動燃料電池從而帶動電機(jī)工作；當(dāng)車子正常行駛時，燃料電池向電機(jī)供電驅(qū)動車輪，并通過母線向低壓電器供電，當(dāng)超級電容電量低于規(guī)定值時，燃料電池向超級電容充電；當(dāng)車子加速、爬坡時，燃料電池和超級電容同時向電機(jī)供電驅(qū)動車輪工作；當(dāng)車子下坡減速或剎車時，電機(jī)作為發(fā)動機(jī)給超級電容充電。 (3) 燃料電池發(fā)動機(jī) 燃料電 池發(fā)動機(jī)除了燃料電池本體外 ， 還要和外圍裝置共同組成發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)動機(jī)和燃料電池本體的形式和使用燃料的不同和用途的不同有區(qū)別 ， 主要包括燃料供給 ， 燃料電池控制器 ， 燃料電池堆 ， 熱管理和余熱回收等部 分。包括 2H 供給 系統(tǒng) ， 空氣供應(yīng)系統(tǒng) ， 余熱 回收系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖 22 所示[5]。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 10 圖 22 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖 1） 2H 供給 系統(tǒng) ： 向燃料電池堆提供一定壓力、一定流量的高純度的 2H 。在氫氣供給系統(tǒng)中，與氫氣并聯(lián)放置的 還有氮?dú)夤蓿@主要是從安全的角度上考慮的，當(dāng)燃料電池堆不工作時，為了避免殘存在氣路 的 氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)造成危險(xiǎn)， 通常要通入惰性氣體，比如氮?dú)狻? 2） 空氣供應(yīng)系統(tǒng) ： 提供與 2H 燃燒釋放能量的 2O 。 可以使用電動機(jī)驅(qū)動的送風(fēng)機(jī)或空氣壓縮機(jī) 。 3） 余熱回收系統(tǒng)：用 于回收燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的熱能。 4） 控制系統(tǒng)：燃料電池發(fā)電時的啟動、停止、運(yùn)行、外接負(fù)載等的控制裝置。 5） 剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)：在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。 此外，由于 2H 是易燃易爆氣體，在高溫高壓的環(huán)境中會變得更加不穩(wěn)定，而且該發(fā)動機(jī)是一個車載系統(tǒng)，所以安全性顯得尤為突出。為了防止 2H 泄露到空氣中發(fā)生爆炸，在氫氣罐瓶口和電堆旁都 安裝了氫氣報(bào)警器。同時，報(bào)警系統(tǒng)還包括保護(hù)整個電池堆系統(tǒng)的正常運(yùn)行，當(dāng)檢測到電池堆有任何不正常時就要向駕駛員發(fā)出警報(bào)信號，或是自動采取行動。主要的報(bào)警信號有：水箱水位報(bào)警，循環(huán)水中的電導(dǎo)率報(bào)警，氫氣進(jìn)堆壓力報(bào)警，電堆出口水溫報(bào)警，循環(huán)水流量報(bào)警和電功率報(bào)警等。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 11 燃料電池是電動汽車的主要動力源，在進(jìn)行參數(shù)匹配的過程中，主要是額定功率和最大功率等參數(shù)的選擇。燃料電池的最 大功率應(yīng)該考慮汽車的最大車速 ， 汽車附屬設(shè)備的消耗功率 ， 有無空調(diào)、 照明設(shè)備等。由于超級電容的容量相對較小， 為了保障其它汽車附屬設(shè)備的供電要求，在汽 車以最高車速 maxu 行駛時 ， 燃料電池功率 eP 必須能單獨(dú)滿足其行駛要求，即 )761 40360 0(1 m a x3m a x AuCG fuP DTe ?? ? 其中 T? 為傳動系效率， G 為整車滿載重量， f 為滾動阻力系數(shù)， DC 為風(fēng)阻系數(shù)， A為迎風(fēng)面積。 在實(shí) 際運(yùn)行時，為了保證對電動機(jī)的電力供應(yīng)以及對超級電容進(jìn)行充電，應(yīng)留有一定得后備功率。 (4) 超級電容器 電動汽車 頻繁的起動、停車、加速和減速使得燃料電池在工作時電流變化很大。在低速勻速行駛時消耗的功率較小 ， 在加速和上坡時需要消耗的功率卻非常高 ， 在下坡或減速的時候，燃料電池的需求功率為零。因此合理的選擇超級電容作為輔助能源，在加速和爬坡時提供短時的輔助動力 ， 在減速和下坡時吸收回饋 制動的能量，可以使燃料電池工作在一個較為穩(wěn)定的低功率高效率區(qū)間 [6]。 電動汽車上使用的超級電容在選用過程中需要考慮超級電容的 容量、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等許多方面的 問題 。電動車上的超級電容負(fù)責(zé)解決車輛在剎車、加速 和 爬坡時所需的大功率輸出輸入 ， 從而保證燃料電池相對平穩(wěn)地放電 ,以起到保護(hù)燃料電池的作用。超級電容并不是作為主要動力電源 ， 所以對超級電容的容量沒有過高的要求 ， 而在車輛 中 使用 的 器件的穩(wěn)定性是非常重要的 ， 所以成本低廉且技術(shù)更加成熟穩(wěn)定的碳電極雙電層電容是最為合適的超級電容。 由于目前超級電容的比能量較小，所以只能用作輔助的功率型能量源，與燃料電池較高的比能量進(jìn)行有益的補(bǔ)充。燃料電池的輸出功率應(yīng)與車輛的平均行駛功率需求相當(dāng)，超級電容起到 功率的削峰平谷的作用。超級電容吸收制動再生能量為其充電 ， 若沒有充滿，剩余部分由燃料電池在車輛低功率行駛時繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)充。采用雙向 DC∕ DC變換器控制它們之間的功率分配 ， 并限制燃料電池在車輛低功率行駛時對超級電容的充電 。 超級電容采用了雙層電容技術(shù) ，其 工作原理是利用電機(jī)上加壓在電極表面形成了雙層武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 12 電容來儲存能量。目前的超級電容的電容量已達(dá)到數(shù)千法拉 ， 電壓達(dá)到兩到三伏。功率可以達(dá)到電池的 20倍，功率密度是鉛酸電池的 10倍以上，可以達(dá)到 1000W/kg以上，超級電容充電時間極短， 將電 充足的速度可以達(dá)到秒級。能量密度是 普通電容的 100倍左右，循環(huán)壽命可以達(dá)到 50萬次。 超級電容的主要參數(shù)有容量、工作電壓、電流和內(nèi)阻等。 超級電容存儲的能 量為 [7]： 221CUE? 電容器的容量： dAC ?? 其中 ? 為有效電解質(zhì)常數(shù)， A 為電極表面積， d 為電極間距離。 電容放電電流： dtdUI? 電容功率： UIP? 電容器的 SOC 值： maxUUSOC? 超級電容所能釋放出的能量 ： )(21m a x2m a x2 UUCW ?? 式中： maxU 為超級電容允許的最高電壓； minU 為超級電容所允許的最低電壓 。 (5) DC∕ DC 變換器 直流 /直流變換器（ DC∕ DC 變換器 ）的功能是將一種直流電變換成另一種固定或可調(diào)電壓的直流電，又稱為直流斬波器（ DC Chopper） 。按輸入 /輸出間是否有電氣隔離可分為不隔離式和隔離式直流變換器兩種。不隔離式直流變換器按開關(guān)器件個數(shù)又可分為單管、雙管和四管 3 類。常用的單開關(guān)器件直流變換器主要有六種：降壓（ Buck） 型變換器，升壓 (Boost)型變換器，降 升壓 (BuckBoost)型變換器和三種升 降 /降 升壓 (Cuk、Sepic 和 Zeta) 型變換器。雙開關(guān)器件 DC∕ DC 變換器有兩種串接升壓型和半橋式(BuckBoost)變換器。四 開關(guān)器件的變換器主要是全橋式 DC∕ DC (BuckBoost)變換器。隔離式變換器也分為單開關(guān)管和雙開關(guān)管兩種 ， 單開關(guān)管有單端正激式變換器（ Forward Converter）和單端反激式變換器（ Flyback Converter）兩種，雙管的有雙端正激、雙端反激、推挽和半橋四種。 有隔離的變換器利用隔離變壓器可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出間的電氣隔離 ， 采用變壓器實(shí)現(xiàn)變壓和隔離，有利于擴(kuò)大變換器的電壓應(yīng)用范圍，還可實(shí)現(xiàn)多路輸出。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 13 燃料電池本身帶有自適應(yīng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)電機(jī)控制系統(tǒng)提出的工作需求而輸出功率，但由于燃料 電池的自身弱點(diǎn)，伴隨著輸出功率的增大，輸出電壓會有所下降，對電機(jī)的工作不利。如圖 23 所示的動力系統(tǒng) 圖 中，燃料電池通過一個升壓 DC∕ DC 變換器聯(lián)入母線，對燃料電池的輸出電壓進(jìn)行升壓變換和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，根據(jù)異步電動機(jī)的功率需求調(diào)整燃料電池輸出的母線電壓，能夠更好的滿足電機(jī)的工作需求。同時 DC∕ DC 變換器可以對燃料電池的最大輸出電流和功率進(jìn)行控制，起到保護(hù)燃料電池系 統(tǒng)的目的 [8]。 圖 23 雙 DC∕ DC 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (6) 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)由 電機(jī) 控制器和電機(jī)組成。電機(jī)控制器有兩種控制方式，一種為模擬機(jī)械控制，整車控制器直接通過機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)模擬控制，即整車控制器同電機(jī)控制器之間傳遞的是模擬量；另一種為數(shù)字式控制 ， 整車控制器通過 CAN 網(wǎng)發(fā) 出 命令及數(shù)據(jù)去控制電機(jī)控制器。 (7) 儀表及顯示模塊 車載儀表及顯示系統(tǒng) 是 整車十分重要的一環(huán)，系統(tǒng)保留了原車儀表盤，但其指示的信息發(fā)生了變化，儀表及顯示模塊采集 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，通過接口控制儀表盤，保留了車速，里程數(shù)等傳統(tǒng)顯示量 ， 同時，考慮電動機(jī)的特殊性 ， 增加了行車指示，燃料電池氫氣儲 存 量，超級電容能量等 信息。行車指示表明系統(tǒng)啟動自檢正常后方可駕車行駛；超級電容能量和燃料電池氫氣儲存量反應(yīng)了系統(tǒng)能源的當(dāng)前狀態(tài)，駕駛員要根據(jù)它決定行駛的時間長短以及合適充電和增加氫氣供給等，對駕駛員來說這是非常重要的信息。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 14 圖 24 儀表盤的平面俯視圖 (8) 其他模塊 電動汽車中當(dāng)然還包括空調(diào) 、 照明 、等其他輔助設(shè)施。 電動汽車整車控制系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一 ， 被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式 、 數(shù)字化 、 多