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电动车辆车载超级电容器的能量管理
摘要：配备有作为最高能量单元的超级电容器组的电动车辆上的车载能源集成，可以在电动车辆的性能、电池寿命和能量经济性方面为我们带来实际的效益。我们可以根据技术性和经济性之间的权衡，来选择我们所能设想到的不同的结构。一个在焦耳Ⅲ项目下进行的由欧共体扶持的研究活动，其被命名为“电动车辆车载超级电容器的发展”（JOE3-CT95-0001条约），从1996年成立至今 一直进行着。他们的合作伙伴包括帅德福电池有限公司（项目领导者），阿尔卡特 - 阿尔斯通集团研究所（法国），菲亚特技术研究中心（意大利），凯撒斯劳滕工业大学(德国），电池生产商丹尼奥尼克斯（丹麦）和能源研究中心（荷兰）。该研究活动的目的是研究发展超级电容器组和其电子控制技术，并且将二者综合运用到两个分别由封闭主电源动力蓄电池电路和燃料电池系统供能的全面的动力系统。通过台架试验，验证了评估两个动力系统中的超级电容器组的效应这一行动是可行的。本文对这一项目进行了综述；测试验证能量管理策略原则，超级电容器电子控制装置，系统的框架结构和超级电容器基于仿真结果的要求。copy;1999爱思唯尔科学期刊杂志机构保留一切权利。
关键词：超级电容器组 燃料电池 电动车辆
绪论
道路电动车辆的性能要求，特别是在市区工况下，是通过传动系的不断变化的功率需求来对其描述的。
功率分布图显示功率的最高峰值是在车辆牵引和制动阶段达到的，然后再分别回收到车载电源中。在功率的急剧变化和有效能量回收的需求下，动力传递实现着减少能量损耗，但在功能行为、能源绩效和持久性方面与车载电源的最佳利用率产生了矛盾。
这些方案对于由电化学蓄电池或电化学发电机（燃料电池）或热电发动机（用于串联混合系统）供能的电力传动系统来说是可行的。
根据具体的目标或要求，在驱动力的实时需求下的电源放电状态可以为优化系统或者优化系统的部分组成提供了可能性。
由多个超级电容器单体串联和并联组成的超级电容器组，具有适合的能量密度参数和功率密度参数的特性，并且具有较高的充放电效率和较低的能量损耗，似乎是一个适合为电动车辆的车载电源提供辅助能量的装置，因此本文提出了一个能量优化管理的方案。
超级电容器的基本特性
超级电容器无论在物理性质方面还是材料方面都与传统的电容器有很大的区别。
在超级电容器中，绝缘体就是插入在两电极之间的电解液。当超级电容器两端加载电压时，在超级电容器内部的电极和电解质之间的界面会形成一个双电层。此时，电荷之间的距离相当于双电层的厚度，大概为几埃而已。这就能解释传统超级电容器（数量级为nF/cm2）和超级电容器（数量级为50cm2）在每平方厘米上的电容量的不同的原因。
对于传统电容器来说增加其储存电量的方法是在电容器两端加载高电压（直到3000V），相当于介质击穿电压。在超级电容器中，其两端的加载电压必定要受到溶剂或者有机电解液的分解电压（分别为1.23V和3.5V）的限制；在这种情况下，要增加超级电容器储存电量的唯一途径就是通过采用高比表面积的电极材料来提高电容值。特别是活性炭，它通过适当的化学处理可以达到的比表面积，以至于有的比电容。另外这样还能获得很低的内电阻值，从而可以让超级电容器获得很高的输出功率。
目前为止，只有由于在其两端加载外加电压所导致在两电极间产生电荷分离现象的电容器才被认为是超级电容器。其实这是另外一种类型的超级电容器，电化学超级电容器，当其处在充电或放电阶段时超级电容器内部会发生氧化还原反应。电化学电容器的两电极是由金属氧化物（钌、铱）组成，并且电解液是液态的。
超级电容器的特性总结综合在表1中。
表1
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电极材料 碳 碳 金属氧化物 |
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电解液 水电解质 有机电解液 水电解质 |
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最高电压值（V） 1 3 1 比功率（kW/kg) 0.8-2.6 1.5-5 0.5 比能量（Wh/kg） 0.2-1.3 3-6 1 |
超级电容器组结合车载电源的应用
由于具有较高的比功率，超级电容器可以结合电化学能量源来为行驶中的电动车辆提供所需要的功率峰值。超级电容器组和电化学能源组成的复合能源系统有一下的一些潜在优点：
- 当汽车在不同行驶工况下需要不断变化的功率时，可以提高整车效率和能量经济性。
- 确保较高的表现性能和很好的整车响应，不受能量源的状态影响（包括能量源的寿命）。
- 提高能量源的持久性对高额定功率需求的依赖程度。
- 提高电动车辆的各方面性能，作为车载能源的负载均衡和更高的能量回收效率的共同影响下的结果。
通常来说，这些潜在的优点对能量源、蓄电池和燃料电池来说都同样有效。不过需要注意的是，对于燃料电池来说，和超级电容器结合是至关重要的手段当实现制动能量回收这一功能时。
良好的加速性能让其拥有了良好的道路适应和运作效能特性，这是除了续航里程以外，让电动车受到市场热烈欢迎的原因。超级电容器组和蓄电池组合或者和燃料电池组合，都可以根据不同工况的要求，通过使电源的比功率和比能量这两个参数相互独立实现系统设计优化。
该方法的结果，可以实现在设计蓄电池时只用考虑能量储存能力和寿命要求，而不需考虑功率需求。对于燃料电池来讲，可以根据较低的功率需求，实现按大小分类且合理地设计能源发电装置（堆栈，重整装置，辅助装置），并伴随带来经济效益，这样的举措被认为是整个系统的均衡方案。
在焦耳Ⅲ项目下的“车载超级电容器的发展”研究活动
4.1参考车辆和周期
为了预测超级电容器在动力系统中的响应，“车载超级电容器的发展”项目自1996年创立开始一直进行至今，该项目的目的在本文摘要中已描述。
为了定义动力系统的能量需求和功率需求，设定了两部参考车辆：一部由电池提供动力的城市汽车（EV#1），另一部由燃料电池为动力的厢式货车，它们的一些主要特性和参数已列入表2。
作为参考周期，ECE15循环的市区部分已被考虑在内。为了评估电动车的更高性能，缓冲区使这更高性能得以实现，加速时间从26s减短到8s。这个修正后的周期可以被假定为基于瞬时能量/功率源的能量估算。
对于EV#1来说，已经把基于真实的市区循环工况的任务分析包括在内了（图1和图2）。
表2
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EV#1 EV#2 |
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整备质量（kg） 1215 1575 装载质量（kg） 200 320 Cx 0.314 0.35 最高车速（km/h) 110 100 0到50km/h（s） 8 8 |
时间
汽车速度
图1.ECE15市区循环工况
图2.菲亚特500的城市循环工况
4.2能量流管理
动力系统功率缓冲器的使用要求一个介于功率源（超级电容器组）和能量源（动力电池或燃料电池系统）之间的一个精确的能量流管理。以下几点是能量管理的部分策略：
- 电池须在功率比尽可能连续不断且平稳的短区间内传递能量，直到达到车辆最高稳定车速时所需要的功率的数值。
- 取决于牵引力需求的最大功率单元，传递的功率应超过上述提到的功率级别并且可以回收制动能量。
- 如果能量需求超过了最高功率单元所能提供的能量，根据基于实际电压范围的定义，电池须接管为动力系统提供能量。
- 超级电容器组应能被车辆的动能和动力电池在低功率比下提供的能量所再充电来补充部分效率损失。
- 如果最大功率单元已经处于电量充满的状态，所回收回来的能量应直接从动力传动系统输送至电池组。
- 车辆所有工况下的综合能量效率应该最大化，根据能量转移损耗和负载平衡效益之间的权衡。
为了展现能量管理策略，使超级电容器组的电压为汽车车速的函数，关系如下公式：
式中，是超级电容器组最大工作电压对应的能量值；是对应于车速所需的能量值；是车轮和超级电容器组的总效率；m和v分别为车辆的质量和速度。
4.3动力传动系统结构
本结构方案设计选择了在超级电容器组和动力电池之间接合的超级电容器组阵列方案，如图3.
图3. 带有DC/DC转换器的传动系统与超级电容器组的串联连接
该结构的主要特点有：
- DC/DC转换器可以显示流入或流出超级电容器组的最大功率的数值；
- 超级电容器组的电压要保持比动力电池电压的最小值低一些；所以，采用一个更加简单的DC/DC转换器设计。DC/DC转换器可以在牵引阶段的时候只工作在逐步上升模式和在制动阶段的时候只工作在逐步下降模式；
- 较低的工作电压可以采用更少的串联超级电容器单体的数量和减少超级电容器组模块的复杂程度；
- 有可能实现添加辅助发电机（辅助电源设备配置）而不用修改现有的结构。
4.4电子控制设备
电子控制设备是超级电容器组系统至关重要的一部分。他们可以管理系统组成之间的能量流动和检查并调节超级电容器组单体的情况，当车辆通过一个平衡系统运行的时候。
三个电子设备必须和超级电容器组包含在动力系统中：一个DC/DC转换器、一个超级电容器组的电子模块（简称EMSB）和一个能量管理单元（简称EMU).
DC/DC转换器与超级电容器组和动力电池接合。没有了DC/DC转换器，就不可能控制超级电容器组和动力电池之间的能量流动，这取决于他们的电压值和内阻值。通过一个电流控制的DC/DC转换器和基于传动系统的功率要求和超级电容器组的电荷状态，可以根据一个明确的策略去管理流进和流出超级电容器组的比功率。
超级电容器组电子模块的任务是管理每个单体之间的电流流动来限制单体间的电压不均衡。实际上，使不同的单体的电压处在一个尽可能小得范围内，就限制了破坏性的过充现象（由于受到有机溶剂或液体溶液的分解电压的影响）发生的可能性。另外，各个单体之间的电压分配均匀性影响超级电容器组所能提供的能量大小。
造成单体间电压不均衡有两个主要因素：电容量和泄漏电流方面的差异。由于上述原因，良好的串联连接需要公差较小的电容值。
为了实现各个单体之间的平衡，可能会采纳两个主要的解决方法，采用有源元件或无源元件。第一个解决方法表明了最低电压单体要通过参数合适的DC/DC转换器来充电；这个方法的缺点是成本昂贵而且电路设计非常复杂。第二个解决方法表明电压最高的单体通过并联的无源元件（电阻）来实现放电，该方案比前一个方案的成本要低得多。
另外，超级电容器组电子模块可实行超级电容器组的温度实时监测，并且对一定数目的超级电容器采取温度措施对实施系统保护策略很有帮助。
能量管理单元监控整个动力系统能量流动采取以下操作：
- 在短期阶段内通过DC/DC激活策略进行能量管理。
- 关于DC/DC转换器的温度保护。
- 全球警报申请书授予控制操作关闭以防过电压，过温度或者安全关键故障检测。
4.5.动力系统整体方案
图4. EV#1由动力电池供能动力系统
图5. EV#2由燃料电池供能的动力系统
基于上述的方案构思，此后，两个动力系统的方案被纳入考虑范围，包括系统主要部件之间的连接方式（如图4、5）。
4.6仿真结果
根据表3.中列出的输入数据，已经对系统包括超级电容器组进行了仿真。
正弦交流电压已经根据在4.3章节中的方案构思中进行了定义，并且为了了解变频器在功率和能量方面输入要求，基于初步仿真的电容量估算已经完成。传动系统的效率图已经在CRF中进行的台架试
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