【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)子遷移運動乃是在電場的作用下產(chǎn)生的，并沒有出現(xiàn)化學或電化學反應(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為是無限的。 (5) 可靠性高 超級電容器工作過程中沒有運動部件，維護工作極少，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。 武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 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能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它的特 點 是能量轉(zhuǎn)換效率高，約是內(nèi)燃機的兩到三倍，生成物是水，不污染環(huán)境，缺點是造價太高；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)用電機驅(qū)動，在城外用內(nèi)燃機驅(qū)動，本設(shè)計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，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)拓撲結(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。 武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 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，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)動車輪前進的是新型電動驅(qū)動系統(tǒng)，它由電機控制器和電機兩部分共同組成。電機控制器接受整車控制器的扭矩指令來控制電機，進而控制車輪的前進和倒退。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現(xiàn)對車輛的運動控制。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的電流，從而達到控制電機輸出扭矩。當輸出扭矩大于負載時，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前狀態(tài)決定能量的分配 ， 實現(xiàn)能量匹配 ， 并將能量傳輸?shù)诫姍C。本設(shè)計中用到兩種電源 ； 燃料電池和超級電容。超級電容作為輔 助能源主要負責在加速 ， 爬坡或負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：當車子需要起步時，超級電容啟動燃料電池從而帶動電機工作；當車子正常行駛時，燃料電池向電機供電驅(qū)動車輪，并通過母線向低壓電器供電，當超級電容電量低于規(guī)定值時，燃料電池向超級電容充電；當車子加速、爬坡時，燃料電池和超級電容同時向電機供電驅(qū)動車輪工作；當車子下坡減速或剎車時，電機作為發(fā)動機給超級電容充電。 (3) 燃料電池發(fā)動機 燃料電 池發(fā)動機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]。 武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 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 還有氮氣罐，這主要是從安全的角度上考慮的，當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， 通常要通入惰性氣體，比如氮氣。 2） 空氣供應(yīng)系統(tǒng) ： 提供與 2H 燃燒釋放能量的 2O 。 可以使用電動機驅(qū)動的送風機或空氣壓縮機 。 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、運行、外接負載等的控制裝置。 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與燃氣輪機剩余氣體的循環(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 安裝了氫氣報警器。同時，報警系統(tǒng)還包括保護整個電池堆系統(tǒng)的正常運行，當檢測到電池堆有任何不正常時就要向駕駛員發(fā)出警報信號，或是自動采取行動。主要的報警信號有：水箱水位報警，循環(huán)水中的電導(dǎo)率報警，氫氣進堆壓力報警，電堆出口水溫報警，循環(huán)水流量報警和電功率報警等。 武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 11 燃料電池是電動汽車的主要動力源，在進行參數(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 為風阻系數(shù)， A為迎風面積。 在實 際運行時，為了保證對電動機的電力供應(yīng)以及對超級電容進行充電，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)濟性、穩(wěn)定性等許多方面的 問題 。電動車上的超級電容負責解決車輛在剎車、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行有益的補充。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，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)進行補充。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上加壓在電極表面形成了雙層武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 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到數(shù)千法拉 ， 電壓達到兩到三伏。功率可以達到電池的 20倍，功率密度是鉛酸電池的 10倍以上，可以達到 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現(xiàn)輸入和輸出間的電氣隔離 ， 采用變壓器實現(xiàn)變壓和隔離，有利于擴大變換器的電壓應(yīng)用范圍，還可實現(xiàn)多路輸出。 武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 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，伴隨著輸出功率的增大，輸出電壓會有所下降，對電機的工作不利。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行升壓變換和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，根據(jù)異步電動機的功率需求調(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行控制，起到保護燃料電池系 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 控制器和電機組成。電機控制器有兩種控制方式，一種為模擬機械控制，整車控制器直接通過機械連接實現(xiàn)模擬控制，即整車控制器同電機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。 武漢工程大學畢業(yè)設(shè)計 （ 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)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一 ， 被譽為自動化領(lǐng)域的計算機網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式 、 數(shù)字化 、 多