超级电容电动公交车的研制

超级电容电动公交客车的研制DevelopmentofSupercapacitorElectricBus哈尔滨工业大学崔淑梅刘晓飞Email:[e-mail]摘要﹕本课题是在黑龙江省科技攻关重大项目“超级电容电动公交客车”支持下进行的。目的在于研究适于北方气候的基于超级电容的电动汽车。项目进行了全电容电动车电气系统与总体结构的设计与匹配，研究了适合全电容电动车的整车控制技术、电机及控制技术和能源管理技术。电驱动系统实现了宽电压供电范围的速度平滑控制，电容管理单元实现了电容充放电的均衡管理，提高了电容使用寿命，减小了故障。以电容为能源的电动车无污染、零排放、低温特性好，适于北方城市公交运行，具有良好的市场前景和社会效益。Abstract:ThisworkissupportedbykeyprogramsforscienceandtechnologydevelopmentofHeilongjiangprovince,SupercapacitorElectricBus.Theobjectiveisresearchingsupercapacitorbasedelectricvehicleswhicharesuitableforborealclimate.Inthisproject,designandmatchingofelectricalsystemandgeneralarchitectureinsupercapacitorelectricbusareconducted,whiletechnologyofvehiclecontrol,motorwithitscontrolandenergymanagementcontrolappliedtosupercapacitorelectricbusisalsostudied.Electricdrivingsystemrealizessmoothspeedcontrolwithwidevoltagerangepowersupply,andsupercapacitormanagementuinitimplementsthebalancingmanagementofsupercapacitorcharginganddischarging,extendingthelifeofsupercapacitorandreducingthefaults.Electricbuswithsupercapacitorasthepowersourcehastheadvantagesofnopollution,zeroemission,andgoodlowtemperaturecharacteristics,whichissuitableforurbanbustransportationoftheNorthwithgoodmarketprospectandsocialbenefits.关键词﹕电动汽车超级电容公交客车低温Keywords:ElectricvehicleSupercapacitorPublicbusLowtemperature1引言1.1研究的背景及意义由于环境污染和能源紧缺，电动汽车技术在世界范围内已引起高度重视，其研究也已取得很大进展。其中储能源是电动汽车的最主要问题。对于北方寒冷地区来讲，储能源的低温放电能力更是关键，基于蓄电池的电动汽车由于其低温放电能力差，在冬季很难使用。本课题是在黑龙江省科技攻关重大项目“超级电容电动公交客车”支持下进行的。目的在于研究适于北方气候的基于超级电容的电动汽车。最常用的储能源是蓄电池。但是超级电容器由于其特有的优点，正越来越受到人们的重视。超级电容器（Supercapacitor,SC）也称电化学电容器，是介于传统电容器和蓄电池之间的新型储能元件。与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、循环寿命长、使用的温限范围宽、对环境无污染等特点，适用于大功率脉冲电源、电动汽车驱动电源、电网负荷质量调节等领域，是非常有前途的一种新型绿色能源。电动汽车对电源的要求主要有：能量密度、功率密度、循环寿命、充放电时间、价格费用、可靠性和安全性。超级电容器具有很高的功率密度，非常短的充放电时间，极长的循环寿命以及高可靠性；使其在电动汽车领域越来越受到人们的重视。目前，日本、俄罗斯、美国、法国、澳大利亚、韩国等国家都在加紧电动汽车用超级电容器的开发应用。其中日本、美国都研制了超级电容混合动力车，俄罗斯研制了超级电容纯电动客车。以超级电容器为储能源的电动车在频繁起动、制动、加/减速的运行工况下，能量利用率高，充电时间短、适应温度范围宽，在城市市区运行线路在20公里以内的电动公交车以及短距离、线路固定的区域运行车辆：如火车站和飞机场的牵引摆渡车、学校和幼儿园的送餐车、公园的游览车等领域有非常广阔的应用前景。尤其是优异的低温特性，为北方寒冷地区发展电动汽车提供了可能。超级电容比功率高，但其比能量低，因此以超级电容为唯一能源的电动汽车，更需合理储能量与整车动力性、经济性间的关系。超级电容器放电时，电压变化范围宽，为得到平滑的运行速度，需要在电机与能源间加入特殊的控制器与控制算法，而且由于目前的超级电容单体差异较大，为了延长储能源整体的使用寿命，还需要对超级电容器加入均衡管理，这些都是超级电容器汽车的关键问题。1.2以超级电容器为唯一能源的电动汽车的特点以超级电容器为唯一能源的电动汽车有其独特的性能：(1)充电时间短，超级电容车一次充电时间只需要12—15分钟；(2)循环使用寿命长，其充电循环次数可达500000次；(3)适用温度范围宽，可以在低温条件下使用，温度范围为-40—50℃，超级电容车尤其适合在北方寒冷地区使用；(4)能量回收效率高，在需要频繁制动的城市交通条件下，其能量回收率可达70%；(5)续驶里程短，超级电容器比能量低，导致超级电容电动公交车续驶里程较短，一般为20—30公里。超级电容器电动公交车续驶里程短，跑不远，但充电速度快，可以弥补续驶里程短的缺陷。补救的方法是在城市交通线路的两端建立充电站。2超级电容电动客车总体设计2.1以超级电容器为唯一能源的电动汽车关键问题(1)超级电容允许将其电压放的很低，因此其电压变化范围非常宽。为了最大限度的利用充进去的电能，一般用于电动汽车时，使用的最低电压为最高电压的一半甚至更低。如320V~680V，160V~360V。因此，需要电机及其控制系统，在极宽的范围内能够满足整车的动力性不变，制动能量回收效率高。满足动力性不变意味着无论储能源电压如何变化，电机及其控制系统都可以根据车况的要求，在整个区域能平滑调速。这对于电机和控制系统提出了较高的要求。(2)超级电容能量有限，但可以快速大电流地吸收能量，对于城市公交客车，频繁启动、制动，加速、减速，因此必须很好地研究制动能量回馈技术。(3)目前超级电容器的一致性还不是很好。因此，超级电容器组的使用寿命远远不及单一超级电容器的寿命。当对串联的超级电容器组充电时，流过每一超级电容器的充电电流相同，而各个超级电容器或多或少都存在诸如化学组分、运行温度、湿度等因素的不同，导致各个超级电容器特性不同，每个超级电容器所能充入的电量有所差别。同样的，放电时每个超级电容器所能放出的能量也会有所差别。如果让超级电容器组在这种情况下运行而不加以适当的管理，超级电容器组间的不一致性会逐步扩大，使得在使用中有些超级电容器出现过充或过放的情况，这两种情况都会明显缩短超级电容器的寿命。而且，超级电容器组间的不一致性导致不能有效的利用串联电容器组的容量。因此，对超级电容器进行均衡是保证超级电容电动汽车寿命和提高续驶里程所必须的。2.2基本设计思想黑龙江省城市公交电动客车要求运行于城市短距离公交线路，在终点站进行快速充电，适应北方寒冷地区天气。由于对低温特性的要求，选择超级电容作为电动车能源。超级电容器与化学电池相比，具有比功率高、等效串联电阻小、适合大电流快速充放电、性能受温度变化影响小的特点，这对于城市工况下频繁启动、爬坡、加速而又要求电动车电源能快速大电流充放电非常适合。另外，从电动车长期使用更换电源的频率角度来看，超级电容器的使用循环寿命高（可达10万次），使用超级电容器比使用化学电池的总体成本要低。超级电容器的缺点是比能量低，驱动汽车的续驶里程短，这可由它所具有的快速充电特性来弥补。据此初步确定超级电容电动公交客车在城市工况下一次充电的续驶里程为15~20km，最高车速为50km/h，充电时间小于15分钟；采用12米公交电车车体。电驱动系统采用PWM斩波的IGBT控制下的永磁直流电动机系统，电容置于车体下方，其他装备按目前公交客车水平设计。2.3电气系统总体配置超级电容电动客车的动力及电驱动控制管理系统的总体构成如图1所示，电容器组的充电器为地面充电站形式。图中带箭头的粗实线表示能量流，当行车时，超级电容器组为电机驱动单元供电，由电机驱动控制单元以脉宽调制（PWM）方式控制电机旋转，再经变速器及差速器（由于采用单电机驱动，仍保留传统汽车中成熟的机械差速技术）驱动车辆运行。当车辆制动时，电动机处于发电状态，电机控制单元的制动斩波电路工作，使电机发电电压泵升，给超级电容组充电，实现能量回馈。此外，超级电容组还经过DC/DC向辅助电源充电，辅助电源为整车管理单元、电容组管理单元和其它辅助电器及仪表提供相应的电源。图1超级电容电动客车电气系统总体构成图中带箭头的细实线表示信息流。整车管理单元作为电动车的中枢，接收驾驶员通过钥匙和加速或制动踏板给出的命令，并根据电容组管理单元和电机驱动控制单元传来的信息进行相应的计算、判断和处理，把最终的决策发送到相关的单元去执行或显示。3控制系统研制3.1驱动电机电动汽车的驱动电机通常要求能够频繁的起动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大；而工业驱动电机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电机比较独特，应单独归为一类。与常规工业驱动电机不同的是：●电动汽车驱动电机需要有4～5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；●电动汽车驱动电机最高转速要求达到在公路上巡航时基速的4～5倍；●电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；●电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；●为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高、动态性能好；尤其是超级电容车供电电压变化范围大。●电动汽车驱动电机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下。本系统中采用的是永磁电机。永磁直流电动机是由永磁体建立励磁磁场的直流电动机。它除了具有普通电励磁直流电动机所具备的下垂的机械特性、线性的调节持性、调速范围宽和便于控制等特点外，还具有体积小、效率高、用铜量少、结构简单和运行可靠等优点。重要的是加上一定的控制后还可适用在电源电压和负载变动情况下要求转速稳定的场合。采用一个永磁加增磁绕组混合励磁的直流驱动电机，其中永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼。增加增磁绕组的目的是：通过控制增磁绕组励磁电流或磁场的大小，能够克服纯永磁它励直流电机不能产生足够的输出转矩，以满足电动汽车低速和爬坡时的大转矩要求，而电机的重量或体积比串励励磁或只有它励绕组励磁的直流电机轻或小。3.2电机控制系统由于电动汽车中采用有限能量电源供电，为了提高能源效率，要求电机既可以电动运行又可以再生制动，将减速和刹车时的制动能量回馈给有限能量源储存起来。电动客车电机驱动器（以下简称驱动器）将超级电容器能量经变换后驱动电机旋转进而驱动车辆行驶，同时可以将刹车和减速时产生的再生制动能量回收储存在超级电容器中，可以最大限度的提高电容器能量利用率，增加车辆续驶里程。基于该分析，驱动器需要具有双向能量传递功能，即可以驱动电动机双象限运行，结合电容（工作电压范围160~320V）和电机参