超级电容在电动车中应用研究及发展趋势分析

2.1.3中国的现状

目前，国内对以超级电容作为惟一能源的电动汽车的研究取得了一定的进展，2004年7月我国首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行，该公交车利用超级电容比功率大和公共交通定点停车的特点，当电车停靠站时在30s内快速充电，充电后就可持续提供电能，时速可达44km/h。2005年1月上海交通大学与山东烟台市签署协议，共同投资开发超级电容公交电车，计划在烟台福山区建一条12km的示范线，在福山高新技术产业区建立年产1万辆新型环保超级电容公交车的生产基地。哈尔滨工业大学和巨容集团研制的超级电容电动公交车，可容纳50名乘客，最高速度20km/h。但是，国内目前对超级电容一蓄电池复合电源电动车的设计及控制，基本上还处于起步阶段。　2.2电动车中应用超级电容的拓扑结构

2.2.1纯超级电容电动车

直接以超级电容作为电动车的惟一能源，此方法结构简单、实用、成本低，而且实现了零排放，因此比较适合用于短距离、线路固定的区域，例如火车站或者飞机场的牵引车、学校和幼儿园的送餐车、公园的浏览车和电动公交车等。

2.2.2复合电源电动车

超级电容与蓄电池、燃料电池等配合可以组成复合电源系统，但燃料电池因为成本较高，现在还不能得到实际应用。因此，国内外对超级电容一蓄电池复合电源系统的研究更多，其拓扑结构概括如图2所示。图2a结构最简单，但由于没有DC/DC变换器，蓄电池和超级电容将具有相同的电压，以致超级电容仅在蓄电池电压发生快速变化时输出和接收功率，从而减弱了超级电容的负载均衡作用。图2b与图2c都采用了双向OC/OC变换器，图2b中双向DC/DC跟踪检测蓄电池的端电压，以调控超级电容的端电压使两者匹配工作。由于蓄电池端电压的变化比超级电容的端电压平缓，因此对于DC/DC，图2b比图2c易于控制。图2d理论上虽然具有更高的灵活性，但对DC/DC的控制策略要求非常精确复杂且不易维护。
                                
2.3复合电源系统的控制策略




2.3.1速度约束控制策略

当车辆起步时，超级电容中应当储存较多的能量，需要超级电容放电，保证电动车的加速性能，而当车辆在高速行驶的情况下，超级电容应当储存比较少的能量，以便在制动过程中接收较多的能量。超级电容储存的能量与其端电压的平方成正比，由于超级电容的端电压变化范围比较大，因此放电时如何控制其放电深度，以备在行驶过程中二次放电或进行再生制动回收充电，但需要在实验中反复进行测试才能获得。

2.3.2电流约束控制策略

电动车在行驶过程中，由于频繁地加速、减速和上下坡等原因，使得负载电流变化比较大，当负载电流太大以至于超过蓄电池所能承受的最大放电或充电电流时，为了避免电池组过放电或过充电，需要由超级电容放电或充电，以便改善电池组的工作状态，延长其使用寿命。电池组的工作电流为：



为了避免过大的回馈电流对蓄电池造成损害，可采用恒定充电电流的制动方式，即以蓄电池充电电流为被控对象。这是一种比较实用的控制策略，适合于采用蓄电池单电源系统的电动车。由于蓄电池电压在再生制动过程中不会发生明显的变化，因此电枢电流的上升不会太大。在超级电容一蓄电池复合电源系统中，由于超级电容端电压在单次再生制动过程中就会发生很大的改变，随着制动过程中超级电容端电压的上升和电机反电动势的下降，电枢电流将急剧上升，有可能对功率器件甚至电机造成损害，因此对超级电容充电时可采用恒功率的策略，即对再生制动过程中超级电容的充电功率进行控制。

在超级电容电压低的时候，采用大电流充电，当电容电压上升时，充电电流指令值下降，可兼顾能量回收与系统器件保护。

2.3.3综合控制策略

采用速度约束控制策略可使车辆的动力性能得到提高，而采用电流约束控制策略时蓄电池的电流可以工作在规定的范同内，对蓄电池有保护作用。这2种控制策略各有优缺点，采用综合控制策略。即将速度约束控制策略和电流约束控制策略进行综合应用，可以兼顾它们的优点，既能对蓄电池起到保护作用，延长电池的使用寿命，又能提高整车的动力性能。

3、西安交通大学的超级电容应用研究

西安交通大学电动车研发中心一直致力于电动车关键技术领域的研发，提交了15项国家发明专利，正式授权5项，有2项国际发明专利已经被正式受理。研发中心对电动汽车超级电容一蓄电池复合电源系统进行了研究，其核心是应用了双向全桥DC/DC变换器，该变换器具有能量双向流动以及升、降压功能。研发中心率先将Hα鲁棒控制算法应用到电动汽车复合电源能量回收技术上，和传统控制方法相比，Hα鲁棒控制可以方便地同时考虑输入电压的变化、负载扰动和其他非线性的补偿。由图3所示的实验表明，在市内道路行驶时，采用Hα，鲁棒控制的复合电源电动汽车(ⅪTUEV—I)比蓄电池单电源电动汽车提高续驶里程30%～50%。

西安交通大学电动车研发中心还依托西安交大科技园和博源电动车技术有限责任公司合作进行了超级电容一蓄电池复合电源微型电动车的研究。该微型电动车采用轮毂式无刷直流电机(BLDCM)，运用再生制动能量回收技术，并应用了μ综合鲁棒控制算法。实验证明，采用上述技术的微型电动车比普通电动车在动力性能和续驶里程上都有显著提高，尤其是在频繁刹车和突然加速的工况下，效果提高更明显。设计的复合电源微型电动车控制系统的主电路如图4所示，工作原理如图5所示，系统工作状态如表2所示。该复合电源微型电动车具有如下优点：①在车辆制动和减速时可大电流充电，从而提高能量回收效率，延长电动车的续驶里程;②超级电容的功率密度较大，因此可大电流放电，改善电动车的启动、加速、爬坡性能;③可避免蓄电池大电流充放电，提高蓄电池的使用寿命;④可提高制动力矩，改善制动系统的可靠性;⑤回收时可先对超级电容充电，再对电池充电，所以可控性较好;⑥结构紧凑，成本较万方数据。