电动汽车中超级电容及变换器的研究

山东科技大学学士学位论文第1页共79页1摘要随着社会的发展和人类的进步，能源和环境问题越来越受到人们的重视。电动汽车应运而生，取代了传统的汽油为燃料的汽车。电能作为清洁能源若大规模的应用在汽车上，不仅可以减轻污染，也可以在一定程度上缓解能源紧张问题。纯电动汽车是新能源汽车的一种，具有良好的发展前景。控制器作为纯电动汽车研究的关键技术之一，受到了新能源汽车行业的广泛重视。开发出具有自主知识产权的控制器具有重要的意义。本文介绍了纯电动汽车的历史和发展状况，综述了纯电动汽车研发的关键技术，包括控制器、动力型铿电池技术、能量管理系统、电机驱动技术、整车通信网络等。控制器是纯电动汽车研发的关键技术之一，关系到车辆性能的优劣。本文对控制器的发展状况和工作原理进行了研究，并对控制器进行功能分析。关键词:电动汽车组成关键技术控制器电路分析2第2页共79页ABSTRACTPureelectricvehicleisanewenergyvehicle,withgoodprospectsfordevelopment.VehiclecontrollerasOneofthekeytechnologiesofpureelectricvehicleresearchhasbeenwidelyemphasizedbythenewenergyautomobileindustry..DevelopThevehiclecontrollerwithindependentintellectualpropertyrightshasimportantsignificance..TheenergymanagementstrategycanbeeffectiveandreliableToeffectivelyusetheenergyofthepowerbatterypack,improvethepureelectricvehiclecontinuedmileage.InthedomesticandinternationalvehicleBasedontheresearchofthecontroller,theresearchontheeffectivecontrolofbrakingenergyfeedbackandthevehiclecontrollerisstudied..目录1.绪论................................................................................................1山东科技大学学士学位论文第3页共79页1.1选题背景................................................................................................11.2纯电动汽车发展历程简介....................................................................21.3电动汽车电源系统研究现状................................................................32.超级电容器的原理及结构............................................................92.2超级电容器结构....................................................................................92.2工作原理及超级电容器储能系统......................................................132.3超级电容器的主要特点......................................................................142.4超级电容器的参数特性......................................................................163.DC/DC转换器的工作原理及特性..............................................203.1元器件及选择......................................................................................213.2基本的直流变换器..............................................................................234.电动汽车中的超级电容的建模和仿真.....................................274.1仿真软件的简介...................................................................................274.2超级电容的等效电路..........................................................................294.3超级电容的数学模型..........................................................................324.4超级电容的simulink模型与仿真...................................................334.5Boost电路的建模与仿真...................................................................365.结束语..........................................................................................40参考文献..........................................................................................41致谢辞..............................................................................................42附录..................................................................................................43山东科技大学学士学位论文第1页共79页1.绪论1.1选题背景汽车自诞生起已有一百多年历史，从生产、技术、经济效益等方面来看，都取得了巨大的成就。但传统的燃油汽车效率低、污染气体排放量大的问题仍然没有得到妥善解决。据估算，目前汽车所消耗的石油约占到全球石油年产量的一半以上。与此同时，内燃机燃烧所产生的有毒、有害气体也对大气环境造成了破坏。我国车辆众多，一些大中型城市道路拥挤，大气污染严重。有限的石油资源以及日益恶化的环境等问题，迫使汽车工业必须寻求更加节能的新能源汽车，以减少对石油的过度消耗和对环境的污染，保证汽车工业的长期稳定发展。纯电动汽车是新能源汽车中的一个重要发展方向。电动汽车是无排放交通工具，它将使空气污染大为减少，且使能源的利用多元化和高效化，达到能源可靠、和无污染地利用。动力蓄电池是现阶段电动车辆能量源的主要选择，但蓄电池存在功率密度偏低，大电流放电会损伤电池内部结构，缩短电池的使用寿命等问题。如果让蓄电池满足大电流和高功率要求，蓄电池的体积和质量都要增加，这样不但给电动汽车增加了重量，而且整车的成本也会增加。但车载电源技术一直是制约电动汽车发展和普及的瓶颈，成为电动汽车研究的一个重要课题。电池技术得不到突破性进展，电动汽车很难与燃油汽车竞争。当今，用超级电容和蓄电池组合成复合电源是一种车载电源的新方案。超级电容是近年来新发展起来的一种储能元件，具有比功率高和充放电寿命长等优点，适合于作为短时间的功率输出源，可以在电动车辆起动、加2第2页共79页速、爬坡时大功率放电，在车辆下坡制动时迅速吸收制动能量。同时也保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏[1]。1.2纯电动汽车发展历程简介世界上第一辆纯电动汽车（ElectricalVehicle，简称EV）问世于1883年，比内燃机汽车的诞生还要早，距今已有一百多年的历史。但因早期电池的比能量、比功率及可靠性等方面问题较多，纯电动汽车的性能远不及内燃机汽车，电动汽车始终没有市场化。随着新技术的镍氢动力电池、锂离子动力电池及高效电力驱动系统等高新技术的发展应用，纯电动汽车在经历了多次起伏后，又迎来了新的发展机遇，近年来再次受到各国政府、企业及高校的重视。尤其是在美国、欧洲、日本等发达国家。美国政府对电动汽车研究方面一直是大力支持，投入了大量的人力和财力。特斯拉（Tesla）公司和凤凰汽车（PhoenixMotorcars）公司分别推出了高性能的纯电动跑车和纯电动运动货车。加利福尼亚正准备建造电动汽车充电网络，一旦建成，电动汽车的使用将变得非常方便和实用。解决了续航的问题，电动汽车不失为一种新的可靠的交通工具。出于对资源缺乏和环境问题的担忧，日本是目前纯电动汽车发展速度最快的国家之一。三菱公司的“i-MiEV”、日产汽车公司的“Leaf”纯电动汽车等先后研制成功并投放市场。2009年到2012年在东京地区累计建设1000个充电站。在我国，近几年国家也开始大力支持电动汽车的研发，纯电动城市客车越来越普及，纯电动轿车也开始出现在马路上，我国的纯电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段[2]。山东科技大学学士学位论文第3页共79页1.3电动汽车电源系统研究现状国内的研究大多集中在燃料电池加超级电容上，不过蓄电池加超级电容方向也取得了不错的成果。在2003年，北京理工大学和北方尼奥普兰客车合作研制的“BFC6110-EV”型纯电动旅游客车，率先通过整车型式认证试验；该车采用锂电池和超级电容的复合电源的组合方式，主要技术指标达到预定要求。吉林大学将镍氢电池和超级电容组合，搭建了复合电源试验台架，并对复合电源的参数匹配理论以及控制策略进行了仿真研究。掌握了大量实验数据，为复合电源的开发奠定了基础。目前，吉林大学已完成复合电源仿真软件的编写和开发阶段的工作。2010世博会上出现了一批新颖的电动汽车，锂电池加超级电容的复合电源系统为动力，超级电容和锂电池相结合，可以行驶200公里以上。国外对于电动汽车的研究比较早，取得了一些很好的成果，研究成果比较突出的有：在美国，TobiasAnderson等人对装有镍氢电池和超级电容复合电源的电动车辆进行了部件参数匹配和仿真研究，并应用低通滤波的思想（LowPassFillerControl）实现了复合电源中蓄电池和超级电容充放电电流的控制。在加拿大，GregoryWight等人对装载超级电容的电动车辆进行了低温环境和不同行驶工况下的实车道路试验。测试结果表明，超级电容的加入帮助蓄电池减轻工作负荷，同时超级电容快速回收制动能量的特性，使整车燃油经济性得到提高。在意大利，菲亚特汽车公司应用铅酸蓄电池和超级电容组合驱动旗下CinquecentoElctra车型，性能测试结果显示，在完整ECE行驶循环下该4第4页共79页车型节能14%，在市区和郊区行驶工况下分别节能40%和20%。在日本，Chugoku电力公司和丰田公司研发中心合作在马自达BongoFriend车型上安装由阀控铅酸蓄电池和超级电容组成的复合电源，该复合电源使用40×2的