畢業(yè)論文---混合儲能系統(tǒng)在公交車上的應(yīng)用

1、<p>　　混合儲能系統(tǒng)在公交車上的應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電能是人類生活中最重要的能源。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，電力用戶對電能質(zhì)量提出了更高要求。在提高電能質(zhì)量方面，儲能元件正發(fā)揮著越來越大的作用。本文中對超級電容器儲能技術(shù)進行了研究。超級電容器是一種新型儲能元件，有儲電能力高，功率密度大的優(yōu)

2、點，可以快速充放電，而且壽命長，是高效實用的儲能元件。文中對電能質(zhì)量問題的現(xiàn)狀和超級電容器儲能系統(tǒng)進行了介紹，分析了超級電容器儲能系統(tǒng)的工作原理，建立了儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對控制器進行了設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)電路進行了硬件設(shè)計，并進行了仿真分析。</p><p>　　根據(jù)超級電容器的應(yīng)用實例，本文設(shè)計了基于混合型超級電容器的電動車混合動力電源系統(tǒng)，以提高動力電源的輸出特性，實現(xiàn)能量的優(yōu)化匹配。為超級電容器在電動車

3、中的應(yīng)用進行了初步地探索。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混合儲能系統(tǒng)，超級電容器，蓄電池，仿真</p><p>　　MIX STORED ENERGY SYSTEM’S ON PUBLIC TRANSPORTATION APPLICATION </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　P

4、ower is the most important resource in our daily life. Higher power quality has been requested by commercial and industrial customers with the rapid development of economics and technology. Power storage equipments play

5、a very important role in improving the power quality. Super capacitor is a new power storage quipment with the advantages of high power capacity, high energy density, rapid charging and discharging process, and virtually

6、 unlimited cycle life. The power storage technique in super</p><p>　　As an example of the application for super capacitors,we design a battery super capacitor hybrid power sources so as to achieve optimal po

7、wer performance of the power source ,it is necessary to explore the application of super capacitor on electric vehicle.</p><p>　　KEY WORDS：hybrid energy storage, super capacitor，MPPT，simulation</p>&

8、lt;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　第一章 混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用市場發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1</p><p>　　1.1混合動力汽市場發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1</p><p&

9、gt;　　1.1.1混合動力汽市場發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2混合動力汽車發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.2 復(fù)合電源的技術(shù)及優(yōu)勢4</p><p>　　1.2.1復(fù)合電源的優(yōu)勢4</p><p>　　1.2.2超級電容器的技術(shù)發(fā)展5</p><p>　　1.2.3復(fù)合電源研究的意義8&l

10、t;/p><p>　　第二章 電源特性介紹及復(fù)合電源建模9</p><p>　　2.1 蓄電池特性及影響因素9</p><p>　　2.1.1蓄電池的充放電特性9</p><p>　　2.1.2蓄電池的溫度特性10</p><p>　　2.1.3混合動力車用蓄電池的選擇10</p><p>

11、;　　2.1.4蓄電池的容量特性12</p><p>　　2.2超級電容器特性及影響因素12</p><p>　　2.2.1超級電容器的分類12</p><p>　　2.2.2超級電容主要參數(shù)15</p><p>　　2.2.3超級電容模型16</p><p>　　2.2.4超級電容的充放電特性18<

12、/p><p>　　2.2.5超級電容的溫度特性20</p><p>　　2.2.6超級電容器的電量狀態(tài)信號的檢測20</p><p>　　2.3 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的介紹21</p><p>　　2.3.1常用雙向DC/DC拓撲分析與選型22</p><p>　　2.3.2 DC/DC變換器工作原理24</

13、p><p>　　2.4 本章小結(jié)27</p><p>　　第三章 復(fù)合電路結(jié)構(gòu)及復(fù)合系統(tǒng)參數(shù)匹配28</p><p>　　3.1復(fù)合電源的基本結(jié)構(gòu)和工作原理28</p><p>　　3.1.1復(fù)合電源的基本結(jié)構(gòu)28</p><p>　　3.1.2 復(fù)合電源的工作原理28</p><p>　

14、　3.2 復(fù)合系統(tǒng)的匹配參數(shù)優(yōu)化30</p><p>　　3.2.1 蓄電池和超級電容電量狀態(tài)控制參數(shù)32</p><p>　　3.2.2 電容充放電功率系數(shù)fchg32</p><p>　　3.2.3 電容能量利用系數(shù)K33</p><p>　　3.2.4 電池功率最大變化率33</p><p>　　3.3

15、 SOC 估算模型的建立33</p><p>　　3.3.1 SOC模型的構(gòu)成34</p><p>　　3.3.2 初始 SOC 的估算34</p><p>　　3.3.3 過程 SOC 的估算35</p><p>　　3.3.4 蓄電池 SOC 估算模型的建立35</p><p>　　3.3.5 SOC 的

16、估算策略36</p><p>　　3.4 本章小結(jié)37</p><p>　　第四章 電池的性能仿真及分析38</p><p>　　4.1混合儲能系統(tǒng)的響應(yīng)38</p><p>　　4.2鋰離子電池的性能39</p><p>　　4.3混合電源的仿真40</p><p>　　第五章

17、結(jié)論41</p><p>　　5.1全文總結(jié)41</p><p>　　5.2思考和展望41</p><p><b>　　參考文獻43</b></p><p><b>　　致 謝45</b></p><p>　　附錄一：外文原文46</p>&l

18、t;p>　　附錄二：外文譯文57</p><p>　　第一章 混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用市場發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢</p><p>　　1.1混合動力汽市場發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢</p><p>　　1.1.1混合動力汽市場發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動了全球機械、能源等工業(yè)的進步以及經(jīng)濟、交通等方面的發(fā)展。但是，汽車在造福于人類的同

19、時，也帶來了很大的弊端。每年環(huán)境污染中有一半以上的污染直接來自于汽車尾氣的排放，內(nèi)燃機汽車造成的污染日益嚴重，尾氣、噪聲對環(huán)境造成的破壞，已經(jīng)到了必須加以控制和治理的程度，這種情況在我國尤為突出，而且內(nèi)燃機汽車以燃燒油料、天然氣等寶貴資源為動力，我國人口眾多，人均能源資源占有量不到世界平均水平的1/2，石油僅為1/10。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，中國未來能源缺口將越來越大。石油進口依存度（凈進口與消費量之比）由1995年的6.6%上升為2

20、000年的20%，預(yù)計2010 年將上升為23%。內(nèi)燃機汽車造成的環(huán)境污染以及對資源的消耗，極大地威脅著人類社會的健康與生存。隨著保護環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲，尋找新型能源和可替代能源已經(jīng)成為人類社會發(fā)展的必經(jīng)之路。新一代電動汽車作為無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。</p><p>　　電動汽車以電力驅(qū)動，行使無排放（或低排放），噪聲低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機汽車

21、高得多。同時，電動汽車還具有結(jié)構(gòu)簡單（可以直接利用電子技術(shù)實現(xiàn)傳動、顯示可控制）、運行費用低等優(yōu)點，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機汽車。依據(jù)以上優(yōu)點，電動汽車被認為是傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的替代品，成為當(dāng)今世界追逐的熱點。然而，由于現(xiàn)有電池技術(shù)還不能滿足電動汽車對電池系統(tǒng)能量密度和功率密度還有壽命的要求，電動汽車的性能價格比遠遠不能達到推廣應(yīng)用的標準。因此，常規(guī)純電池電動車在短期內(nèi)替代內(nèi)燃機汽車的可能性微乎其微，但作為輔助能源和有限范圍內(nèi)運輸工具有很大的市

22、場空間。</p><p>　　混合動力汽車近年來發(fā)展很快，其中電池技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵問題。其所用到的超級電容器早期有兩個主要的應(yīng)用領(lǐng)域，第一個是當(dāng)主能源能量不足時，充當(dāng)臨時備用電源和短時間供電的應(yīng)急電源。在這個應(yīng)用中超級電容器充當(dāng)了電池的角色，即當(dāng)主電源失效時，作為備用能源的超級電容器充當(dāng)主電源使用。超級電容器的第二個主要用途就是充當(dāng)峰值功率電源。在這些應(yīng)用中，超級電容器為系統(tǒng)單獨提供所需的峰值功率。</p

23、><p>　　電源或與電池一起在連續(xù)工作時提供穩(wěn)流低功率電源，而在峰值負載時提供一個高功率脈沖。在這里，超級電容器減弱了用電器對電池提供峰值功率的要求，這樣就可以大大延長電池的壽命，并減小了電池的整體尺寸。表1-1是超級電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域。超級電容器常常作為風(fēng)力發(fā)電機控制輔助電源和應(yīng)急發(fā)電機中柴油發(fā)動機的啟動電源。</p><p>　　在風(fēng)力發(fā)電機的控制應(yīng)用中，超級電容器作為在極端環(huán)境條件下

24、的應(yīng)急系統(tǒng)的可靠、免維護后備能源。將其安裝在扇葉旁的機艙內(nèi)。在這個應(yīng)用中，已存在幾千個組件，每個都有30余個電容器串聯(lián)，可提供3年多的全年全天候可靠服務(wù)。德國TOV贊助的220 F／28 V超級電容器組件成功地通過了為期一年的測試，在此測試中超級電容器作為應(yīng)急發(fā)電機的能源啟動系統(tǒng)來啟動大體積柴油發(fā)動機。</p><p>　　在卡車、坦克和火車發(fā)動機中使用超級電容器可使電源的儲能系統(tǒng)體積減小50％，而且其可靠性也得

25、到改善。在這些應(yīng)用中，超級電容器組件優(yōu)秀的低溫性能使其具有很高的應(yīng)用價值。優(yōu)越的充放電性能對許多汽車應(yīng)用都非常重要，例如，本田公司已開發(fā)出其FCX型燃料電池車，其中一個超級電容器組件作為動力儲存系統(tǒng)。由于燃料電池與超級電容器的聯(lián)合使此車的功率達到78kW。</p><p>　　混合電動車的性能很大程度上取決于由電子驅(qū)動的動力功率組件，超級電容器的性能正好可以滿足其所有要求。輕度混合電動車在空檔停車和加速／減速／換

26、檔時由超級電容器提供輔助動力，這樣使需要的總能量大幅下降，對于這些應(yīng)用，超級電容器的長循環(huán)壽命和良好的低溫性能使其成為理想的供電電源。</p><p>　　表1-1超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　1.1.2混合動力汽車發(fā)展趨勢</p><p>　　美國市場研究機構(gòu)Frost&Sullivan不久前發(fā)布的一份報告預(yù)計，2002--2009年問全球超級

27、電容器產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量和銷售收入這兩項數(shù)據(jù)將分別以157％和49％的年增長率保持高速增長。美國圣地亞哥市的麥克韋爾技術(shù)公司預(yù)測，僅歐洲市場，未來5年的年需求量將超過數(shù)億美元。就中國市場而言，目前年需求量可達2150萬只(且每年都在以30％～50％的速度增長)，而整個亞太地區(qū)總需求則超過9000萬只。由于國內(nèi)能規(guī)模生產(chǎn)的廠家較少，年供應(yīng)量不到500萬只，這樣的生產(chǎn)規(guī)模還遠遠無法滿足國內(nèi)市場的需求，所以國內(nèi)大多數(shù)用戶還是通過進口來滿足需要。在市場

28、需求迅速增長的強力推動下，國內(nèi)現(xiàn)有的超級電容器生產(chǎn)企業(yè)正積極融資擴產(chǎn)，國際超級電容器生產(chǎn)大鱷也把戰(zhàn)略投資的目光鎖定中國，而相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)(如鋁電解電容器生產(chǎn)企業(yè))也正躍躍欲試準備介入這一新興市場。由此可見，超級電容器的商業(yè)前景十分誘人。</p><p>　　其原因在于：盡管混合動力汽車近年來發(fā)展很快，但電池技術(shù)仍然是阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵問題，主要缺陷有以下幾個方面：1 蓄電池在低溫下的工作性能極差，給駕駛員帶來諸多不

29、便。2 蓄電池的循環(huán)壽命有限，增加了使用更換電源的費用。3 廢舊電池的環(huán)保問題。最重要的是蓄電池不能滿足混合動力汽車短時間功率的要求，例如加速、剎車能量回收以及冷啟動。以鋰離子電池為例，鋰離子電池比能量很大，能夠達到100 Wh/kg，但充放電電流很小，不能滿足短時間內(nèi)大電流充放電的要求，一旦用于混合動力汽車，只能為駕駛員勻速駕駛提供功率，這樣使用才不會影響鋰離子電池的壽命，同樣它也就很難回收剎車時的制動能量，難于滿足駕駛員對整車加速性

30、能的要求。如果想通過增加電池的個數(shù)來彌補功率，勢必增加混合動力汽車的費用和重量，同時，大電流充放電還會影響電池的壽命，例如，在60%的放電深度（DOD）下，作峰值功率循環(huán)，鉛酸電池只有1000 次壽命，鎳氫電池也只有10000次壽命，而對一輛汽車而言，像這種情況，一年就可達上萬次。如果在混合動力汽車中使用鉛酸電池或者鎳氫電池的話，一到二年的費用大約是13000美元到17000美元。</p><p>　　超級電容是

31、近年來發(fā)展起來的新型能量存儲裝置，與常規(guī)電容器不同，超級電容利用雙電子層理論存儲電能，其容量可達法拉級甚至千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電能量密度高的優(yōu)點，可快速充放電，壽命長。由于超級電容優(yōu)良的充放電性能及廣闊的應(yīng)用前景，目前世界各國爭相研究，并越來越多地應(yīng)用到混合動力汽車上。日本日產(chǎn)汽車公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機、電動機和電容器的混合動力卡車。該車安裝有日產(chǎn)公司開發(fā)的新型電容器“超級電力電容器”，這種電容器

32、可以儲存汽車在減速時所產(chǎn)生的電力，電力儲存量是現(xiàn)有其它電容器的2倍。</p><p>　　目前，在發(fā)達國家，超級電容器的應(yīng)用備受重視，俄羅斯已在載重汽車上批量采用，德國也在客車啟動上應(yīng)用此類產(chǎn)品，這些產(chǎn)品正在向規(guī)?；?、市場化、大眾化方向迅速發(fā)展。在國內(nèi)，超級電容器的應(yīng)用尚處于起步階段。在鈕扣型超級電容器市場中，海外產(chǎn)品幾乎占據(jù)了90%以上的份額，競爭異常激烈。中國廠商正采取替代手段，利用低價策略(約為國外產(chǎn)品的4

33、0%～60%)、快速供貨、銷售布局完善，對中國終端應(yīng)用市場更加熟悉，技術(shù)支持與服務(wù)優(yōu)于國際品牌等各種優(yōu)勢來爭奪市場。在卷繞型和大型超級電容器方面，中國產(chǎn)品的技術(shù)水平與國際接近，市場份額較為理想。</p><p>　　近年來，超級電容器展現(xiàn)出更為廣泛的應(yīng)用前景。其中特別是在電動汽車上，　新能源汽車是全球汽車行業(yè)重點關(guān)注的領(lǐng)域，超級電容是其要害部件。盡管超級電容誕生的時間不長，國際上對這項新技術(shù)的研究還處于探索階段，

34、關(guān)鍵性能指標還有待進一步提升。然而，我國卻在超級電容公交電車的應(yīng)用方面領(lǐng)先一步。 　　 2006年8月28日，上海11路超級電容公交電車，即“上?？萍嫉巧叫袆佑媱澇夒娙莨浑娷囀痉毒€”投入運營，在實際應(yīng)用領(lǐng)域走在了世界前列。該車采用上海奧威科技公司開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超級電容。因此，國產(chǎn)超級電容受到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。超級電容器與電池聯(lián)合，分別可以提供高功率輸出和高能量輸出，既減小了電源的體積，又延長了電池的壽

35、命。</p><p>　　目前，進入該市場的許多制造商已經(jīng)開始調(diào)整它們的設(shè)計，面向歐洲正在開發(fā)的14／42 V電源系統(tǒng)中的助力系統(tǒng)，或者面向電動汽車再生制動中的能量回收。</p><p>　　1.2 復(fù)合電源的技術(shù)及優(yōu)勢</p><p>　　1.2.1復(fù)合電源的優(yōu)勢</p><p>　　混合動力汽車電源裝置主要需求是能滿足短時間的大功率輸入/

36、輸出，即加速和剎車時的功率需求，如果同時滿足這兩種需要，對電池來講，其尺寸、重量、價格都難以滿足市場的需求；超級電容循環(huán)效率高，可以瞬間大功率充放電，循環(huán)壽命長，即使是深度放電對它也沒有什么影響，同時工作溫度范圍廣，-40℃也能正常工作，以上幾點都是電池比不上的。但是，目前超級電容在混合動力汽車上還不能完全取代電池的地位，原因是超級電容的優(yōu)點在于功率的輸入/輸出，而不是高能量。目前超級電容的比能量還只有4—5Wh/kg，不足以滿足混合動

37、力汽車對電源比能量的要求，迅速放電時電壓短時間內(nèi)會下降到理論限制電壓，且目前造價還很高，達到了15000$/ KWh。當(dāng)單純使用超級電容作為混合動力汽車電能量存儲裝置時，當(dāng)要求能夠釋放0.3KWh 能量時，所要求的超級電容器的造價就將高達6428$。所以出于價格方面的考慮，不宜單獨使用超級電容作為混合動力汽車的電存儲裝置。</p><p>　　為了解決混合動力汽車剎車、加速或爬坡時能量瞬時輸入/輸出的矛盾，我們可

38、以考慮使用蓄電池和超級電容構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)。由蓄電池和超級電容組成的復(fù)合電源系統(tǒng)可以把蓄電池的高比能量和超級電容的高比功率的優(yōu)點結(jié)合到一起。大電流輸入輸出會對大大降低電池的使用壽命，復(fù)合電源中由于有了超級電容的加入，全部的能量或功率不是由一個部分來提供，不僅可以減少電池的使用數(shù)量，而且還可以優(yōu)化輸出能量，提高每個部分的工作效率，增加電池使用壽命，系統(tǒng)的尺寸和重量以及成本都會有大幅度的降低。用蓄電池和超級電容器組成的復(fù)合電源系統(tǒng)可以使系統(tǒng)的能

39、量利用率提高15%以上，降低廢氣排放。超級電容器與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認為是解決未來電動汽車電源問題的最佳途徑。</p><p>　　1.2.2超級電容器的技術(shù)發(fā)展</p><p>　　在超級電容器的研制上，目前主要傾向于液體電解質(zhì)雙電層電容器和復(fù)合電極材料／導(dǎo)電聚合物電化學(xué)超級電容器。</p><p>　　在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1987年松下／三菱與

40、1980年NEC／Tokin的產(chǎn)品。這些電容器標稱電壓為2．3～6 V，電容從10F至幾F，年產(chǎn)量數(shù)百萬只。20世紀90年代，俄羅斯Econd公司和ELIT生產(chǎn)了SC牌電化學(xué)電容器，其標稱電壓為12～450 V，電容從1F至幾百F，適合于需要大功率啟動動力的場合。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美國Maxwell、Powerstor、Evans，法國SAb—F，澳大利亞Cap，韓國NESS等公司在超級電容器方面的研究均非常活躍。總的

41、來說，當(dāng)前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超級電容器基本上都是雙電層電容器。</p><p>　　按照工作原理的不同，超級電容器可以分為對稱型和不對稱型兩大類，其中對稱型超級電容器的兩極均采用相同的電極材料，一般為活性碳材料，這就是典型的由電極／電解質(zhì)構(gòu)成的雙電層電容器。而不對稱型超級電容器則分別采用不</p><p>　　同類型的材料作為兩極，即電容器的

42、一個電極依然是雙電層電極，而另一電極為法拉第準電容電極。不對稱型超級電容器具有比常規(guī)電容器更高的比能量、而且顯示更高的比功率。</p><p>　　1997年，俄羅斯ESMA公司開發(fā)出了一種典型的不對稱電容器，它是由活性碳電極與氧化鎳電極構(gòu)成的，電解質(zhì)為濃堿水溶液。該電容器的特點是，其中的氧化鎳電極的容量是碳電極的3～10倍，比先前裝置的輸出能量高出2倍。</p><p>　　因為采用的電

43、解質(zhì)體系不同，超級電容器又分為水溶液電解質(zhì)電容器和有機電解質(zhì)電容器。由于受到水的分解電壓限制，這類電容器的工作電壓都較低，一般在1．5 V以下；而有機電解質(zhì)溶液具有較高的分解電壓，因此這類電容器的工作電壓在2～3 V間。顯然，工作電壓的提高有利于提高電容器的輸出能量和比能量。但是由于其電導(dǎo)率低于水溶液電解質(zhì)，因此要制備高功率輸出的電容器，只能依靠非常薄的電極設(shè)計來實現(xiàn)。</p><p>　　從歷史發(fā)展角度看，19

44、90年以前主要集中在低充放電率用超級電容器的研制，由于超級電容器比傳統(tǒng)電容器的電容量高、壽命長、可靠性高等特點，在計算機和電子備用電源領(lǐng)域中獲得了一定應(yīng)用，但這個階段技術(shù)進展較慢，市場應(yīng)用有限。</p><p>　　1990年以后超級電容器的發(fā)展得到人們的廣泛關(guān)注。超級電容器的研制開發(fā)得到加速，1991年NEC公司就已研制出1000F／5.5V儲能約為6 kJ的超級電容器?；诔夒娙萜鞯闹匾?，各工業(yè)發(fā)達國家都

45、給予了高度重視，并成為各國重點的戰(zhàn)略研究和開發(fā)項目。日本成立了“新電容器研究會”和NEWSUNSHINE開發(fā)機構(gòu)。從1996年起，歐共體在焦耳(Joule)項目框架下設(shè)置“開發(fā)電動車用超級電容器”(合同號JOE 3-CT．95．0001)項目，由法國、意大利、德國、荷蘭、丹麥等國共同研究和開發(fā)用于電動車能源管理的超級電容器。美國設(shè)立了“國家超級電容器研究與發(fā)展管理委員會”；美國三大汽車巨頭建立了USABC(US Advanced Bat

46、．tery Consortium)；美國能源部(包括美國軍方)也制定了相應(yīng)的發(fā)展超級電容器的研究計劃，其近期(1998--2003年)的目標要達到500 W／kg的比功率、5 Wh／kg的比能量；2003年以后更高的目標要達到1 500W／kg的比功率、15 Wh／kg的比能量、1萬次以上的循環(huán)壽命。目前，美國Maxwell公司的大功率超級電容器BCAP 3</p><p>　　在上述研究與發(fā)展的推動下，許多生產(chǎn)

47、超級電容器的廠商逐步形成和擴大，同時不斷推出可以應(yīng)用的產(chǎn)品。表1-2列出了世界上幾個主要的超級電容器生產(chǎn)商生產(chǎn)的產(chǎn)品及其主要性能。</p><p>　　表1-2 世界上幾個主要的超級電容器生產(chǎn)商及其相關(guān)技術(shù)</p><p>　　今年2月和9月，美國加州大學(xué)戴維斯分校交通研究所Andy Burke博士先后兩次來華訪問和講學(xué)。由于Burke博士實驗室的特殊地位，他們實驗室已經(jīng)拿到一系列國際新近

48、發(fā)展的鋰離子電池組產(chǎn)品和超級電容器產(chǎn)品，例如美國一家公司制造的LiFePO／LiThO，電池，日本生產(chǎn)的高電壓電容器等。這些電池和電容器都在Burke博士實驗室進行了測試評估，因此數(shù)據(jù)是可靠而真實的。具體測試的電容器有：Maxwell公司：2.7V的350F，1500F，2600F；Power Systems公司：2.7V、1350F；Power Systems公司：3.3V、1800F；LS Cable公司：2.8 V3200F；Fu

49、ji Heavy Industries公司：3.8V、1800 F和Apowercap公司：2.7V、55F。</p><p>　　其中最突出的是Power Systems公司制造的3.3 V，1800F,2007.11VOI.31 No.11922超級電容器，它是當(dāng)今世界上首個電壓超過3V的電容器，由此使電容器的比能量由5 Wh/kg提高至10Wh/kg。</p><p>　　對于超級電

50、容器，今后要研究的方向和重點是：利用超級電容器的高比功率特性和快速放電特性，進一步優(yōu)化超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。此外，在我國大力發(fā)展新能源這一政策指導(dǎo)下，在光伏發(fā)電領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，超級電容器以其快充快放等特點為改進和發(fā)展關(guān)鍵設(shè)備提供了有利條件。</p><p>　　在我國，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

51、容公司、上海奧威公司等正在開展超級電容器的研究。2005年，由中國科學(xué)院電工所承擔(dān)的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研</p><p>　　究”通過專家驗收。該項目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300 Wh／kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。另外，華北電力大學(xué)等有關(guān)課題組，正在研究將超級電容器儲能(SCES)系統(tǒng)應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)。但從整體來看，我國在超級電容器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水

52、平明顯落后于世界先進水平。</p><p>　　1.2.3 復(fù)合電源研究的意義</p><p>　　在國內(nèi)，雖然對超級電容的研究和生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但蓄電池—超級電容組成的復(fù)合電源的設(shè)計及控制還屬空白。由于混合動力汽車發(fā)展時間短，我國與其他汽車先進國家的差距只有五年左右，我們應(yīng)該抓好這個契機，大力發(fā)展混合動力汽車。電源技術(shù)是混合動力汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而對復(fù)合電源的設(shè)計和控制方面的研

53、究將為混合動力汽車在我國的發(fā)展及完善奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　第二章 電源特性介紹及復(fù)合電源建模</p><p>　　復(fù)合電源的比功率會比蓄電池的比功率大，比能量比超級電容的比能量大，通過合理的匹配可以使電源的負載適應(yīng)能力有較大提高，并具有良好的脈沖特性，能夠降低蓄電池內(nèi)部損耗、延長放電時間、增加使用壽命，改善電源可靠性和經(jīng)濟性。</p><p>　　要了解復(fù)

54、合系統(tǒng)的特性，首先就得先了解組成復(fù)合系統(tǒng)的蓄電池和超級電容各自的特性及影響因素；電池和超級電容特性包括充放電特性、溫度特性以及容量特性；另外還必須研究蓄電池和超級電容模型的建立方法，在此基礎(chǔ)上，通過合理的配置可以構(gòu)建出復(fù)合系統(tǒng)的模型，經(jīng)過某特定工況的實驗循環(huán)，就可以得出復(fù)合系統(tǒng)的特性及影響因素。以下將對以上提出的研究內(nèi)容逐一加以說明。</p><p>　　2.1 蓄電池特性及影響因素</p><

55、;p>　　2.1.1 蓄電池的充放電特性</p><p>　　在放電過程中，蓄電池內(nèi)部同時發(fā)生電化學(xué)氧化—還原反應(yīng)，使存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為可用的電能，放電過程通常以電池的放電電流和電壓的等級為特征。圖2-1 是典型的鉛酸電池的充放電特性曲線，它是電池的端電壓在不同的充放電率下與充放電時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，蓄電池的端電壓隨著放電時間和放電率的增加而下降。其他類型電池的放電特性曲線也顯示出相同的變化趨

56、勢，但是變化的幅度要小。從圖上還可以看出大電流充電時，電壓上升較快，最終達到較高的電壓值。電壓上升快的原因是反應(yīng)生成的硫酸速度快，濃度增加快。而充電終期保持較高的恒定電壓是因為電流增大，兩極的極化增大以及克服內(nèi)阻的電壓降增大。一般地說，用較大電流充電固然可以加快充電過程，但能量損失也大。大電流放電時，放電開始后電壓下降明顯，曲線平緩部分縮短，其斜率也大。</p><p>　　圖2-1 不同電流條件下的充放電曲線&

57、lt;/p><p>　　2.1.2 蓄電池的溫度特性</p><p>　　電池在不同溫度時，其特性曲線也有變化。圖2-2 為溫度與充、放電特性曲線關(guān)系。電解液溫度越低則放電時平均電壓越低，而充電電壓越高；反之，電解液溫度越高，則放電平均電壓越高，充電電壓越低。蓄電池在低溫放電時電壓低，是由于硫酸的粘度增加，流動性差，擴散緩慢，兩極極化增加，電池內(nèi)阻增加，在個別情況下可能是負極鈍化所引起?？傊?，

58、在低溫條件下，負極性能可能成為限制容量和電池電壓下降的主要原因。低溫充電時，充電電壓急劇上升，活性物質(zhì)難于轉(zhuǎn)化。</p><p>　　圖2-2 溫度與充放電曲線關(guān)系</p><p>　　1—-30℃；2—-25℃；3—-15℃；4—-5℃；5—5℃；6—15℃；7—25℃；8—33℃</p><p>　　2.1.3 混合動力車用蓄電池的選擇</p>&

59、lt;p>　　儲能電源是制約電動車輛發(fā)展的關(guān)鍵因素，要使電動車輛進入實用過程，對儲能電源提出的要求是：比能量高，比功率大，使用壽命長，成本低廉。應(yīng)用于混合動力汽車的幾種常見電池類型有鉛酸電池、鎳氫電池以及鋰離子電池，他們都是通過極板與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)來進行儲能的。表2-1 列舉了幾種儲能電源的性能參數(shù)。</p><p>　　表2-1混合動力汽車車載蓄電池性能對比</p><p>

60、<b>　　A .鉛酸蓄電池</b></p><p>　　鉛酸蓄電池己有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源.它也是成熟的電動車輛蓄電池，目前約有80%一90%的采用率。它可靠性好、原材料易得、價格便宜。鉛酸電池比能量約為30-40Wh/kg，比功率約為100一150W/kg。比功率基本上能滿足驅(qū)動車輛的動力性要求。但它有兩大缺點;一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行

61、駛里程較短;另一個是使用壽命短，使用成本過高。</p><p><b>　　B .鎳氫蓄電池</b></p><p>　　鎳氫蓄電池和鎳福電池一樣，也屬于堿性電池，其特性和鎳鎬電池相似，不過鎳氫電池不含福、銅，不存在重金屬染問題。鎳氫電池比能量達75一80Wh/kg，比功率達160一230W/kg，循環(huán)使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動汽車上試用，其中一類

62、車一次充電可行駛345Km。有一輛車一年中行駛了8萬多公里。估計隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展，其比能量可超過80Wh/kg，循環(huán)使用壽命可超過2000次。通用汽車公司已把它作為今后幾年優(yōu)先考慮動力蓄電池。但是價格昂貴成為鎳氫電池快速發(fā)展的障礙。</p><p><b>　　C .鋰離子電池</b></p><p>　　鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型

63、高能蓄電池。其優(yōu)點是比功率和比功量高，比功率達300一600Wh/kg，比能量達100一150Wh/kg，是當(dāng)前比能量最高的蓄電池。1995年，索尼公司又開發(fā)成功用于電動車的鋰離子蓄電池，共分兩種類型。一種是用于純電動車容量為100的圓柱形單體電池，8只串聯(lián)成一個電池模塊;另一種是用于混合動力車，容量為22J以上，8只串聯(lián)成電池模塊，其輸功率為前者的2.7倍。用于純電動車的電池稱為高能型鋰離子蓄電池，用于混合動力車的電池稱為高功率型鋰離

64、子電池。高能型電池已于1900年裝在日產(chǎn)汽車公司開發(fā)的第一輛鋰離于電動汽車上(日產(chǎn)Al一rtEaV)，在北京第一屆國際電動車展覽會上展出。</p><p>　　2.1.4 蓄電池的容量特性</p><p>　　各種蓄電池如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等的可用容量隨著放電率的增加而有所下降。圖2-3 表示了不同蓄電池的可用容量與放電率的關(guān)系。蓄電池能放出的功率有限，在大電流快速充

65、放電情況下，極板上迅速產(chǎn)生極化現(xiàn)象，內(nèi)阻迅速增加，充放電效率下降明顯。在電池SOC 數(shù)值在0.3-0.8 之間，電池放電率大于1C（3C-8C）時，電池容量會明顯下降。另外，溫度對鉛酸電池的容量影響也較大，隨著溫度的降低容量減小。</p><p>　　圖2-3 各種電池不同放電倍率下的可用容量</p><p>　　2.2 超級電容器特性及影響因素</p><p>　

66、　2.2.1超級電容器的分類</p><p>　　超級電容器的組成結(jié)構(gòu)與化學(xué)電池非常相似，也是由正極、負極、隔膜、電解液等組成。單就從儲能原理上去分析，超級電容器大致可以分為兩類：</p><p><b>　　A 雙電層電容</b></p><p>　　雙電層電容器是基于高比表面積碳材料與溶液間界面雙電層原理的電容器，</p>&

67、lt;p>　　可用Helmhotz 的雙電層模型闡述。是建立在Helmhotz等于19世紀末提出的雙電層理論基礎(chǔ)之上的。雙電層電容是在電極／溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙所產(chǎn)生的。當(dāng)對電容器進行充電時，電解液中的陰、陽離子分別向正、負極遷移，在電極表面形成雙電層；當(dāng)電容器對負載放電時，電極表面的陰、陽離子向溶液本體移動，形成放電電流。</p><p>　　換種說法，Helmhotz 模型認為

68、電極表面的靜電荷從溶液中吸附部分不規(guī)則分配的離子，它們在電極（溶液界面）的一側(cè)離電極一定距離排成一排，形成一個電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的界面層。由于界面上存在位壘，兩層電荷都不能越過邊界彼此中和，這樣充電界面由兩個電荷層組成，一層在電極上，另一層在溶液中，因此稱為雙電層。超級電容器是從多孔電極材料得到其儲存電荷面積的，材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達數(shù)干平方米，例如多孔結(jié)構(gòu)的碳高達2000m／g。而超級電容中電

69、荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10。巨大的表面積，以及電荷之間非常小的距離，使得電化學(xué)雙層電容器形成大的電容量。一個超級電容器的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。</p><p>　　靜電電容量C 與電極表面積S 成正比，與平板電極間距離成反比。在雙電層電容中電極表面至離子中心的距離d 即所謂電雙層厚度，它取決于電解質(zhì)的濃度以及離子的大小，對于高濃度電解質(zhì)則在0.5nm~1.0nm 范圍。若電解

70、質(zhì)的介電率為ε，則其靜電容量為式2-1;</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　由于每個單元電容器有兩個電極，可視為兩個串聯(lián)的電容器，故電雙層電容器所存儲的電量q 與施加電極間電壓V 和靜電容量C ,有如式2-2： </p><p><b>　　(2-2)</b></p><

71、;p>　　存儲電容器中的電能則為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　a不帶電 b帶電</p><p>　　圖 2.4 雙電層電容原理圖</p><p>　　顯然，為了使雙電層電容器有效地存儲更多電荷，要求極化電極應(yīng)該

72、有盡可能大的比表面積且電解液中的離子能完全接近，從而形成更大面積的雙電層。正因為如此，采用高表面積活性炭做電極比一般陶瓷或鋁電解電容器存儲的電荷多得多，所積存的電量也比后者大10萬至100萬倍。目前討論得比較多的也是由活性炭作電極的碳-碳雙電層電容器。</p><p>　　目前，雙電層電容器一般采用炭材料作為其電極材料，可應(yīng)用于此的炭材料主要有活性炭粉末、炭黑、炭纖維、玻璃炭、炭氣凝膠、納米炭管等，電解液采用強堿

73、(如KOH、NaOH等)、強酸(如H2SO4等)和有機混合溶液(一般由電解質(zhì)鹽和高電導(dǎo)率的有機溶劑組成)。近年來，以碳材料為電極物質(zhì)的雙電層電容器已被大規(guī)模商品化了，廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品的備用電源和一些要求高功率輸出的場合，日本、美國、韓國等處于該項技術(shù)的領(lǐng)先地位。</p><p><b>　　B 法拉第準電容</b></p><p>　　法拉第準電容器主要利用電

74、極表面、內(nèi)部快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準電容”來實現(xiàn)電荷和能量的儲存，其電荷與能量的儲存方式與雙電層電容器不同。在電極面積相同的情況下，法拉第準電容的容量遠高于雙電層電容的容量，可以是后者的lO～100倍。它一般使用金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物為電極材料，主要使用的材料有RuO、NiO、MnO、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其中金屬氧化物電極是通過在電極表面或內(nèi)部的二維或準二維空間中電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生快速可逆的氧化還原反應(yīng)，使

75、金屬氧化物電極儲存高密度的電荷；而導(dǎo)電聚法拉第準電容的電極包含二維（比如：H 或者一些金屬（Pb、Bi、Cu））或準二維（比如：多孔過渡金屬氧化物（RuO2、IrO2））材料，當(dāng)用無定形的或水合氧化釕作為電化學(xué)電容器的電極材料時，質(zhì)子可以吸附到無定形Ru02的基體中，也可以從無定形Ru02的基體中解吸附，因此它具有高達768F／g的比電容值。這種依靠質(zhì)子的吸附與解吸附而形成的電容稱為準法拉弟電容。在充放電過程中，電極表面的發(fā)生電沉淀或氧

76、化還原反應(yīng)過程。這種電容的儲能方式不再是單純的物理儲能，而是與電池一樣發(fā)生了法拉第電荷傳遞的電化</p><p>　　法拉第準電容不僅發(fā)生在電極表面，而且可深入電極內(nèi)部，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積下，法拉第準電容可以是雙電層電容量的10－100倍。實際上，對于雙電層電容器而言，其電極材料也并非局限碳材料，而且或多或少的會有電化學(xué)反應(yīng)；另外二維、準二維材料也有很大一部分雙電層容量，

77、二者界限并不是非常明晰，因此很多文獻在使用超級電容時未對這個概念進行嚴格區(qū)分。</p><p>　　C 混合型超級電容器</p><p>　　為了同時獲得較高的能量密度和功率密度，人們開始設(shè)計新型混合型(非對稱型)電化學(xué)超級電容器，即電容器的一極是雙電層電極，另一極為法拉第準電容電極。混合型超級電容器綜合了前兩類的優(yōu)點，可以更好地滿足實際應(yīng)用中負載對電源系統(tǒng)能量密度和功率密度的整體要求。目

78、前研究的混合型超級電容器主要有Ni（OH)JKOI-I／AC、PbOJH2SOJAC、AC／有機電解質(zhì)，Li4Ti5012等，其中Ni(OH)／AC混合型超級電容器已經(jīng)實現(xiàn)了商品化，并已成功應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域.</p><p>　　該電容器正極由于使用了Ni(OH)：電極，提高了正極的析氧電位，整個電容器的工作電壓可以達到1．5 V，遠高于水系電解液雙電層電容器(1．0 V左右)，其能量密度可以達到lO一15 W

79、h／kg?；旌闲统夒娙萜鞯哪芰棵芏容^雙電層電容器有大幅度的提高，因此，不同體系和不同材料的混合型超級電容器將成為未來研究的熱點和發(fā)展方向。</p><p>　　2.2.2 超級電容主要參數(shù)</p><p>　　A .工作電壓V：電容器能夠連續(xù)保持的最大電壓。</p><p>　　B .電流I：對電容器進行充電后，為使電容器在某一電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)而從外部施加的一個電

80、流。</p><p>　　C .時間常數(shù)RC：倘若一個超大容量電容器能夠模擬為一個電容和電阻的簡單串聯(lián)組合，則該電容和電阻的乘積便為時間常數(shù)。時間常數(shù)的單位為秒，相當(dāng)于將電容器恒壓充電至滿充容量的63.2%時所需要的時間。</p><p>　　D .等效串聯(lián)電阻：當(dāng)一個電容器被模擬為包括電感、電容、電阻的等效模擬電路時，此時的電阻部分即為等效串聯(lián)電阻。等效串聯(lián)電阻可以利用交流阻抗技術(shù)或者電

81、流階躍測試技術(shù)測試得到。</p><p>　　E .放電容量：電容器在放電過程中可以放出的全部容量，具體計算方法是將放電過程中一個瞬間電壓與電流的乘積對放電時間進行積分。</p><p>　　F .理想存貯能量：電容器存貯能量的理想值。對于簡單的電化學(xué)電容器，其理想存貯能量的大小可以計算。 </p><p>　　G .平均放電功率：平均放電電流和平均放電電壓的乘積即

82、為平均放電功率；</p><p>　　H .最大輸出功率：當(dāng)為電容器外接一個合適的負載時，其可以達到的最大輸出功率，可以由公式V 2 /4R計算得到，此時V 為電容器的初始電壓，而為電容器的等效串聯(lián)電阻。</p><p>　　I .放電率：在一個特定的充放電循環(huán)中，電容器放出的能量占充入能量的百分比。</p><p>　　2.2.3超級電容模型</p>

83、<p>　　超級電容的結(jié)構(gòu)和普通電容不一樣，所以其模型也應(yīng)與普通電容有所不同。在文獻中，都有超級電容的不同物理模型和相應(yīng)的參數(shù)獲取方法。目前，超級電容的等效模型包括：經(jīng)典RC 模型，三支路模型（如圖2-5）。但是三支路模型中各個建模參數(shù)必須要經(jīng)過復(fù)雜的試驗才能得到，比較難以實現(xiàn)，所以現(xiàn)在廣泛采用的超級電容模型還是經(jīng)典RC 模型。圖2-7 表示的是超級電容物理模型的回路圖，模型由三部分組成，R1 代表充放電電阻并且與損失有關(guān)，

84、R2 表示自放電損失。</p><p>　　圖 2-5超級電容器三支路模型</p><p>　　超級電容等效RC 模型如圖2-6所示，模型由三部分組成，R1 表示充放電電阻并且與損失有關(guān)，R2 表示自放電損失，一般很大。</p><p>　　圖 2-6 電容等效RC模型</p><p><b>　　(2-4)</b>&

85、lt;/p><p>　　圖2-7 超級電容等效電路模型</p><p>　　其中：ic—流進超級電容系統(tǒng)的電流A,i0—存儲在超級電容系統(tǒng)中的</p><p>　　凈電流[A]；R2—自放電電阻[Ω],C—電容。</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　?。≧1 是充電電阻）

86、</p><p>　　圖2-8 是超級電容開路電壓在SIMULINK 中表示的運算法則。表示了</p><p>　　以參數(shù)電流作為輸入和開路電壓作為輸出的超級電容輸入輸出系統(tǒng)。因為</p><p>　　自放電電阻的影響可以忽略，系統(tǒng)的充電效率ηcharge 可表示為：</p><p><b>　　（2-6）</b><

87、;/p><p>　　放電效率可以表示為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　圖2-8 超級電容模型的SIMULINK 表示</p><p>　　系統(tǒng)中超級電容模型如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9 復(fù)合系統(tǒng)中超級電容模型圖</p><p

88、>　　2.2.4超級電容的充放電特性</p><p>　　電容組假設(shè)以恒定的電流I 充放電，經(jīng)時間t，電容器的電量從Q1 到Q2，電壓從U1 到U2，則電容器組儲存/釋放的能量E為：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　可見，當(dāng)電容的電量下降到一半時，能量已經(jīng)變?yōu)樵瓉淼?5%，如果繼續(xù)讓電容放電，能量利用率

89、會很低，因此，設(shè)定電容的充放電區(qū)間為[0.5 1]。此時電容器組的內(nèi)阻RC 消耗的能量ER 為：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　定義超級電容的時間常數(shù)τ=RC，充放電深度β=U1/U2（充電）或β=U2/U1（放電），由式2-8、2-9 得充電效率ηc 和放電效率ηd 關(guān)系式：</p><p><b&

90、gt;　　(2-10)</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　針對不同的時間常數(shù)τ、充放電時間t 和放電深度β，超級電容的充放電效率特性如圖2-12 所示。τ=6ΩF 時，β=0.5 時，超級電容器組的充放電時間與充放電效率的關(guān)系如圖2-11 所示。</p><p>　　為了保證對超級電容所存

91、儲的電量有效地加以利用，其電量荷電狀態(tài)值也</p><p>　　應(yīng)該嚴格的加以限制，超級電容的荷電值范圍可以適當(dāng)?shù)拇笮?，這樣有利于它</p><p>　　積極地參與工作。存儲在超級電容中的電能為</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　一般超級電容放電電壓從V0降到V0/2效率較高，此時超級

92、電容的能量利用率為75%，放電深度β=0.5。從β=0.5時，超級電容器組的充放電效率圖2-10中可以明顯看出，充放電時：對于相同的放電時間常數(shù)，放電時間越長，放電的效率越高；對于相同的充放電時間，放電時間常數(shù)越小，充放電效率就越高。在選擇超級電容器時，要綜合考慮效率和時間常數(shù)之間的匹配關(guān)系，根據(jù)電容器的成本隨著時間常數(shù)的增大而增大，所以，在不影響使用要求的前提下，應(yīng)盡可能的使用時間常數(shù)小的超級電容器。</p><p

93、>　　圖2-10充放電時間、深度和充放電效率的關(guān)系 圖2-11 充放電時間和充放電效率的關(guān)系</p><p>　　2.2.5超級電容的溫度特性</p><p>　　在50A 和250A 恒流放電情況下電容器容量的變化是工作溫度的函數(shù)，如圖所示電容器在-40－60℃的溫度變化范圍內(nèi)內(nèi)阻只有很小的變化。由此可見超級電容器的溫度特性。</p><p>　　圖2-1

94、2 某一超級電容器的溫度特性</p><p>　　2.2.6 超級電容器的電量狀態(tài)信號的檢測</p><p>　　電容的電量狀態(tài)也是指電池的剩余容量與額定容量的比值，用百分比來表示(0≤CSOC≤1)，但荷電狀態(tài)值與電容器端電壓成線形關(guān)系，其值計算相對蓄電池來說比較簡單，計算式如2-13所示。</p><p><b>　　(2-13)</b>

95、</p><p>　　式中:Voc—電容器開路電壓；Vmin—電容器最小電壓；Vmax—電容器最大電壓。 </p><p>　　圖2-13 計算SOC 的SIMULINK 仿真模型圖</p><p>　　該模塊的輸入端為電流和溫度，為某一仿真時間的SOC 計算程序。其中：乘積模塊的功能為根據(jù)庫侖效率的值對輸入電流進行修正；增益模塊實現(xiàn)單位的轉(zhuǎn)換；積分模塊通過電流輸入

96、得到已經(jīng)使用的容量值。</p><p>　　2.3 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的介紹</p><p>　　目前，大多數(shù)DC/DC變換器是單向工作的，即變換器能量流動的方向只能是單向的。然而，對于需要能量雙向流動的場合，如果仍使用單向DC/DC變換器，則需要將兩個單向DC/DC變換器反方向并聯(lián)使用，這種做法雖然可以達到能量雙向流動的目的，但是總體電路會變得非常復(fù)雜，雙向DC/DC變換器則可以避免上述

97、不利影響。雙向DC/DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)實際需要完成能量雙向傳輸?shù)闹绷髯儞Q器。雙向DC/DC變換器可以非常方便地實現(xiàn)能量的雙向傳輸，使用的電力電子器件數(shù)目少，具有效率高、體積小和成本低等優(yōu)勢。</p><p>　　雙向DC/DC變換器可廣泛的應(yīng)用于直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、直流電機驅(qū)動電路、移動發(fā)電系統(tǒng)及混合電動汽車中的輔助動力供應(yīng)系統(tǒng)等應(yīng)用場合。在這些需要能量雙

98、向流動的場合，兩側(cè)都是直流電壓源或直流有源負載，它們的電壓極性保持不變。圖2-14和2-15分別為雙一單向DC/DC變換和雙向DC/DC變換功能框圖。</p><p>　　圖2-14 雙-單向DC/DC變換器 圖2-15雙向DC/DC變換器</p><p>　　2.3.1常用雙向DC/DC拓撲分析與選型</p><p>　　本文

99、對設(shè)計的雙向DC/DC變換器提出了以下要求以適應(yīng)混合動力電動汽車的實際情況:</p><p>　　(l)在變換器輸出功率一定的條件下要求其具有較高的功率體積比，這樣便能很好地解決混合動力電動汽車車內(nèi)有限安裝體積的問題;</p><p>　　(2)在整個工作負載范圍內(nèi)要求雙向DC/DC變換器必須具有較高的效率。這是由于混合動力電動汽車車載電池的輸出功率受到車體體積的限制，所以不可能設(shè)計得十分

100、寬裕。</p><p>　　由于隔離式直流變換器需要大功率的高頻變壓器，極大地加重了變換器的體積，而且二次能源變換一定會降低系統(tǒng)的效率，常用于混合動力電動汽車的雙向直流變換器有雙向cuk變換器、雙向bucUboost變換器、雙向SePic變換器、雙向半橋變換器等,下面對其工作原理分別進行介紹。</p><p>　　A.雙向cuk變換器</p><p>　　雙向euk

101、變換器原理如圖2-16a。圖2-16b和圖2-16 c。繪出了雙向euk變換器正向工作時的電路圖。此時開關(guān)管Ql工作，Cuk變換器中的電容C3的容量要求很大，變換器穩(wěn)態(tài)工作時，C的電壓基本保持恒定。當(dāng)Ql導(dǎo)通時，電池組向電感Ll充電，電容C3經(jīng)負載和電感LZ放電;當(dāng)Ql關(guān)斷時，電池組和電感LI向電容C3充電，電感L向負載供電。</p><p>　　圖2-16d和圖2-16e繪出了cuk變換器反向工作時的電路圖。開

102、關(guān)管Ql截止，而QZ放電;當(dāng)QZ導(dǎo)通時，負載向電感LZ充電，電容C3經(jīng)電池組向電池L、放電;當(dāng)QZ截止時，負載和電感L向電容C充電，電感L1向電池組供電。</p><p>　　a 雙向cuk變換器主電路</p><p>　　b 正向Q1開通工作電路 c 正向Q1關(guān)斷工作電路</p><p>　　d 反向Q2開通工作電路

103、 e 反向Q2關(guān)斷工作電路</p><p>　　圖2-16雙向cuk主電路及工作方式</p><p><b>　　B.雙向半橋變換器</b></p><p>　　雙向半橋變換器工作原理如圖2-17a。雙向半橋變換器正向上作時，開關(guān)管Ql工作，QZ截止，此時電路即為Boost升壓變換電路(如圖2-17b);反向工作時，開關(guān)管QZ工作，Q

104、I截止，此時電路即為Buek降壓變換電路(如圖2-17c)。</p><p>　　a 雙向半橋變換器主電路</p><p>　　b 正向升壓變換電路 c 反向降壓變換電路</p><p>　　圖 2-17雙向半橋主電路及工作方式</p><p>　　C.雙向變換器比較與選型</p><

105、;p>　　通過以上對四種雙向DC一DC變換器的分析，可以發(fā)現(xiàn)雙向半橋變換器相對其它三種變換器具有以下的優(yōu)點:1、控制電路相對簡單;2、開關(guān)元件和二極管承受的電壓、電流最小;3、利用電感傳遞能量，可以節(jié)省一只大容量的傳遞電容;4、器件的導(dǎo)通損耗最小，使得變換器效率更高。</p><p>　　基于以上這些優(yōu)點，目前國內(nèi)外混合動力電動汽車雙向DC一DC變換器多采用雙向半橋變換器。因此，本文也采用雙向半橋變換器，下

106、面對其進行拓撲分析。</p><p>　　2.3.2 DC/DC變換器工作原理</p><p>　　如何在蓄電池和超級電容之間分配功率是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵問題，其基本方法是平均功率由蓄電池提供，而峰值功率由超級電容提供。復(fù)合電源控制策略的目標都是在保證整車動力性能的前提下，充分發(fā)揮超級電容“削峰填谷”的作用，減小大電流對電池的沖擊，延長電池的使用壽命，提高充放電效率;最大限度的回收制動能量，提

107、高整車的燃油經(jīng)濟性。電機要求功率較大時，將其分成兩部分，快速變化的峰值功率由復(fù)合電源中的電容提供，而余下的平均功率由電池提供，這很好的綜合電池和超級電容兩者的特性。當(dāng)超級電容或電池能量較高或較低時，由另外一方對其進行放電或接受其充電。</p><p>　　功率變換器DC/DC是超級電容與功率總線之間的一種周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是改變供給超級電容的電壓，實際上是作為一個電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作的。由于采用斬去