关于超级电容在车辆领域...

交大密西根学院UM‐SJTU Joint Institute

关于超级电容在车辆领域应用的报告

赵晨（研2）、尹赫（研1）马澄斌（博士生导师、助理教授）上海交通大学密西根学院

2012年9月25日

上海交通大学密西根学院 Univ. of Michigan‐Shanghai Jiao Tong Univ. Joint Institute

国外动态

2002年本田推出的FCX燃料电池-超级电容混合动力车，是世界上最早实现商品化的燃料电池汽车。

2012年马自达推出的i-Eloop能量

回馈系统。利用超级电容吸收制

动回馈能量，可节省10%的油耗。

2002年日产推出地4吨柴油混合

动力卡车，超级电容组寿命可保

证在10年以上（60万公里）。


我国的应用现状（1）

2004年我国首辆“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江试运行，30秒满充电，时速44km/h。

2005年上海交通大学和山东烟台市签署协议，开发超级电容公交车辆并建设12km示范线。

哈尔滨工业大学和巨荣集团研制的超级电容公交车，可容纳50名乘客。


我国的应用现状（2）

2010年上海世博会上投入了纯超级电容大巴。一

次充电可行驶5公里以上，靠站1分钟充电后即可

继续行驶。无尾气，零排放的同时，可节约燃料

成本60%左右。

工作电压（V） 360～600 -

最高充电电压（V） 610 -

静电容量（F） 200 -

储存能量（wh） 6400 300～600V

最高充放电电流（A） 200 -

组件内阻（Ω） 0.22 -

重量（kg） 980 含箱体及各种辅助器件

表1：超级电容城市客车电容器组件技术指标

参考链接：1. http://www.aowei.com/article_view.php?typeid=9&id=1532. http://www.aowei.com/case_view.php?typeid=1&id=4


电池-超级电容混合能源测试系统

锂电池

超级电容 DC/DC直流变换器直流电源和电子负载

LabView控制PC


混合能源系统高精度仿真模型

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 160010

12

14

16

18

20

SimulationExperiment

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16005

6

7

8

9

10


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-10

-7.5

-5

-2.5

0

2.5

5

7.5

10


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-10

-7.5

-5

-2.5

0

2.5

5

7.5

10


初始状态：14.8V（超级电容），8.4V（电池）回馈能量制动约束：V<20km/h时不回馈能量

超级电容电压

电池电压

电池电流

超级电容电流

时间 [s]

电压

[ V ]

电流

[ A ]

电流

[ A ]

电压

[ V ]

Time [s]

电池和超级电容混合系统

超级电容

超级电容电压

直流变换器锂离子电池

功率电源电子负载

电池电压

放电

7.4V 10Ah （2串4并)

充电


基于内阻分析的最优控制策略

RBat’

RDC/DC’

RCap

超级电容

超级电容电压

直流变换器锂离子电池

功率电源电子负载

电池电压

放电

根据能量守恒定律, 直流变换器的等效内阻和电池的内阻转换到超级电容一端，如上右图所示，从而可以根据他们电阻值的比例来确定最优能量分配，从而提升系统的整体效率。

2'

DR

R BatBat

DCDC

DonLDCDC I

VD

RDDR

R/

22/

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 15

5.5

6

6.5

7

7.5

8

Distribution Coefficient

E_l

oss[

Ws]

能量损失计算(使用等效内阻)

最优控制策略是让电池提供平均功率

充电


电池温度模型（电池保护）

1C(2.5A)恒流放电

R

PdtdC e

s

ddUIRIPs int

2

Rθ: 热阻Cθ: 热容θ: 电池的温度θe: 环境温度Ps: 热损失Rint: 电池的内阻I: 电池的电流

0.5C(1.25A)恒流放电

从上图来看, 在恒流放电的情况下，电池温度模型温度上升的曲线和试验曲线的趋势大致吻合，最大的温度误差为±2。


1. 温度：T高温会加速电池的老化，其关系符合阿伦尼乌斯方程（Arrhenius Equation, 通常用来表达温度和反应速率的关系）。其中，A是电池老化的速率，A0是该指数关系的系数，Ea是化学反应的活化能，R和T是气体常数和电池的绝对温度。

2. 动态功率负载：P(t)相对于恒定功率负载，动态负载能够加速电池老化的速率，由于动态功率负载特征比较多，比如功率曲线的形状，变化速率和幅值的大小，其分别对电池老化的影响需要进一步讨论分析。

3. 使用的电荷量：容量衰减和进出锂离子电池正负极的电荷量有关，也就是电池电流绝对值的积分。在恒流的情况下，就可以认为和电池的放电深度有关系。当有回馈制动时，该指标能够更好的分析电池的老化特性。

电池老化关键因素分析（电池保护）

注意: 过度充电和深度放电可以通过设定电池端最高电压和最低电压来被避免，所以这两个方面可以不予考虑。

dttI )(


牵引蓄电池等效电路模型

模拟蓄电池自放电和水解效应

模拟蓄电池极化特性

模拟蓄电池开环电压

模拟蓄电池内阻特性


V+

-

Vpn

-C-

Voltage Limit

V+

-

V_load

PS

Switch1

Bat_v oltageSingal

# S# P

Current

ON/OFF

SOC

Loss

Supercapacitor

Loss

+-

Subsystem1

STOP

Stop Simulation

f(x)=0

Solver

167

S_UC

<

RelationalOperator

PS

+-

R2

PS

+-

R1

PS

+-

R0

5

P_UC

PSS

PS2

Ipn(Vpn)I_Load

I+

-

I

Ground

[A]

Goto

-K-

Gain3

-K-

Gain

[A]

From

25

Environment temperature

Em

6.522

Display4

-0.6557

Display3

29.17

Display1

Time Current

Cycle Calculation

UC_ON/OFF

Current

UC_Cha/Dis

UC_Current

Bat_Current

Current DistributionClock

C

+-

C2

Voltage ON/OFF

Break_R_ON/OFF

Temp Bat_Temp

LossIm

Vpn

C2

Em

R1

R2R0

IPN

Battery Parameter Calculation

铅酸蓄电池-超级电容动力机车仿真模型

铅酸蓄电池内部参数计算

铅酸蓄电池等效电路模型

功率分配模块

超级电容模型

制动电阻开关控制

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Chengbin Ma (马澄斌)E-mail: [email protected]: +86-21-3420-6209Web: http://umji.sjtu.edu.cn

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