超级电容可以大电流放电那么用上万法甚至几十万法的超级电容可以做点焊机吗？哪位高手知道，请教一下_百度知道
超级电容可以大电流放电那么用上万法甚至几十万法的超级电容可以做点焊机吗？哪位高手知道，请教一下
理论上可以，但可能是成本原因吧，目前没见过用超级电容做点焊机的。点焊机不同于电焊机哦，电焊机可以没有持续电流，主要看瞬间放电能力
是的成本高啊！但是价格可能与点焊机差不多，但是可以方便移动，可能焊接的点少了些，这个与容量有关，但是技术理论应该是可行的
硬件开发工程师
不可以。因为电焊需要持续的电流
不是电焊机而是点焊机，点焊机只需要几百安甚至上千安的瞬间大电流，注意只是瞬间
点焊可以。现在就是这个原理
答题不易，您的采纳是我答题的动力如果你对这个答案有什么疑问，请追问如果满意记得采纳哦·~~
我需要有用过的人或懂超级电容的人回答，这是技术，我才知道可不可行
各个厂家技术秘密怎么会告诉你？
这不是秘密，这是点焊机的工作原理，点焊机是靠强大的瞬间电流来焊接的，那么只要满足这个条件应该是可行的，所以我才问有没有人用过
我说过了，电焊机就是这个原理
当然有人用过
电焊机是电焊机点焊机是点焊机两者是有很大区别的，你应该了解一下点焊机，
点焊机…………就是这个原理
不行，连续充放电太麻烦
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超级电容充电器的研究现状
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用超级电容做电焊机的电源行不？
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有人说，内阻太大，但是看指标，也可以啊。还有不用mos控制，行不，直接短路，充电电压控制电焊时间。做个最简单的电焊机。
用50F的超级电容5个串联，用12伏特的铅酸蓄电池充电。
可行不？可行的话，我就买来试试。
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签到天数: 233 天[LV.7]常住居民III
超级电容我试过 不行
有参数吗？内阻大的原因吗？&
该用户从未签到
以前论坛有做的，很多电解电容并联的
这个我知道，看过。&
该用户从未签到
超级电容我试过 不行
有参数吗？内阻大的原因吗？
该用户从未签到
本帖最后由 gotohell 于
18:15 编辑
以前论坛有做的，很多电解电容并联的
这个我知道，看过。但是还是有控制电流的装置，我想省去这个装置，不知道可行否。这样就不能控制时间了，但是可以用充电电压控制电流大小，没焊一次，充电一次。
签到天数: 6 天[LV.2]偶尔看看I
超级电容当然可以。
要买品牌公司的功率型超级电容。
电解电容能量密度太小，成本高
买maxwell的，不过只有二手的。&
签到天数: 6 天[LV.2]偶尔看看I
50F有些偏小，可以查看放电参数。
50f是小点，串联起来，才10f。可以提高点容量，但是价格又上去了。&
签到天数: 6 天[LV.2]偶尔看看I
旧的微波炉变压器外加几个零件控制，总体也就是百元左右，几个拉法电容也不便宜
用这个玩意造电焊机行不？&
这个方案也不错，很成熟。
我想搞个新的方案。&
该用户从未签到
觉得行，短路炸得很厉害。就差个时间控制器
该用户从未签到
旧的微波炉变压器外加几个零件控制，总体也就是百元左右，几个拉法电容也不便宜 ...
这个方案也不错，很成熟。
我想搞个新的方案。
该用户从未签到
超级电容当然可以。
要买品牌公司的功率型超级电容。
电解电容能量密度太小，成本高 ...
买maxwell的，不过只有二手的。
该用户从未签到
旧的微波炉变压器外加几个零件控制，总体也就是百元左右，几个拉法电容也不便宜 ...
用这个玩意造电焊机行不？
电焊机有点小，如果有1.5的电焊条应该可以的，
有人用两个微波炉变压器并联做电焊机的，烧2.5的焊条&
该用户从未签到
50F有些偏小，可以查看放电参数。
50f是小点，串联起来，才10f。可以提高点容量，但是价格又上去了。
签到天数: 6 天[LV.2]偶尔看看I
gotohell 发表于
用这个玩意造电焊机行不？
电焊机有点小，如果有1.5的电焊条应该可以的，
有人用两个微波炉变压器并联做电焊机的，烧2.5的焊条
签到天数: 2 天[LV.1]初来乍到
maxwell的功率型可以。。
储能型的 短路了连10A电流都不会有
内阻也太大了吧。
看来只能上maxwell了。不过只有二手的啊。&
该用户从未签到
得选内阻够小的，那个成品电容点焊机里面不也就两个大瓶子么~~~
技术发展了还是有好处的。
签到天数: 57 天[LV.5]常住居民I
楼主应该是要做点焊机，MOS控制省不得的。因为点焊时如果没有开关你的焊针压力很难控制
先试试，不行再上mos&
该用户从未签到
maxwell的功率型可以。。
储能型的 短路了连10A电流都不会有
内阻也太大了吧。
看来只能上maxwell了。不过只有二手的啊。
该用户从未签到
楼主应该是要做点焊机，MOS控制省不得的。因为点焊时如果没有开关你的焊针压力很难控制 ...
先试试，不行再上mos
以上言论纯属个人观点，与手电大家谈立场无关。
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超级电容辅助动力电动车电源建模与仿真研究
ｌ ｌ ｌ ＇ｌ ｌ，ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ！ｌ／ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ＇，ｌ ｌ ｌ ｌ １ １ １ １ＩＹ１５２８１５１分类号：１０７１０―２００４０５３９滚步犬海硕士学位论文超级电容辅助动力电动车 电源建模与仿真研究姚佼导师姓名职称汪贵平教授申请学位级别 论文提交日期学位授予单位 答辩委员会主席 学位论文评阅人 巨永锋 武自芳支Ⅱ控摘要电动汽车利用车载电能驱动车辆，使人们逐渐摆脱了对石化能源的依赖，但 由于受蓄电池性能的制约，其行驶里程有限；且在城市工况下，由于地形结构、 交通拥堵等因素，车辆加减速频繁，其寿命严重缩短。在现状城市道路工况下， 蓄电池必须在比能量和比功率、以及比功率和循环寿命之间做出权衡；超级电容 作为辅助能源，寿命长、效率高、充电迅速、功率密度高，同时也能够回收制动 能量。超级电容辅助动力电动车通过高能量密度和高功率密度的电源相互补充， 协调控制，降低了对单个电源的要求，延长了行驶里程，将有利于电动汽车的商业化推广和应用。首先对电动汽车动力蓄电池和超级电容分别进行了分析建模。在概况电动汽 车对动力蓄电池要求的基础上，着重研究了其充放电、容量、温度等工作特性， 并对传统的蓄电池模型进行了改进，建立了三阶蓄电池模型，进行了初步的仿真 验证，取得了较好的效果；在总结超级电容在电动汽车中应用的基础上，着重分 析了其工作机理、特性，采用相关试验和数学分析相结合的方法建立了其模型； 对蓄电池／超级电容复合电源的特性、结构进行了研究，将两者通过功率总线、功 率变换器等有机地结合在一起，建立了蓄电池／超级电容的复合电源模型。 其次，针对当前城市工况下电动汽车行驶的特点，提出了复合电源控制的目 标，并分别对电动汽车起动加速爬坡、匀速行驶和下坡制动减速三个典型工况下 的功率分配进行了分析研究。 最后，在分析了电动汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ各部分子系统和部件建模的基 础上，对其中的Ｆｏｃｕｓ纯电动汽车的电源模型和控制策略部分进行修改，建立了超 级电容辅助动力电动汽车整车模型，进行了仿真验证，并与原车的仿真性能进行 了对比。结果表明，其在加速性能、再生制动能量利用效率、能耗等方面有显著改善。关键词：电动汽车，蓄电池，超级电容，复合电源，控制策略ＡｂｓｔｒａｃｔＥｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ），ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓｔｒａｖｅｌ ｍｉｌｅａｇｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｌｙｕｓｄｉｓｐｏｓｅ ｏｆｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙｏｆ ｐｅｔｒｉｆｉｅｄｅｎｅｒｇｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｌｏｎｇｅｖｉｔｙ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｓａｌｓｏ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ ｓｈａｒｐｌｙ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅｃｏｍｍｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｔｅｒｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｒａｆｆｉｃｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｂａｌａｎｃｅｍｕｓｔｂｅ ｔａｋｅｎｂｅｔｗｅｅｎ ｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｏ，ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｃｙｃｌｅ ｌｏｎｇｅｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ，ｗｈｉｌｅ ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ，ａｌｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅ，ｍａｒｋｓ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ ｌｏｎｇｅｖｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｒａｐｉｄ ｃｈａｒｇｅ，ｈｉｇｌｌ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｒｅｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ ｈｉｇｌｌ ｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏｓｏｕｒｃｅａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｏｓｏｕｒｃｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ａｎｄ ａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｌｙ ｉｎ ＥＶ ｗｉｔｌｌａｎｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ－ｂａｓｅｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙｔｈｅ ｔｒａｖｅｌｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｌｅｓｓｅｎｓ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｓｏｕｒｃｅ，ｌｅｎｇｔｈｅｎｓｍｉｌｅａｇｅ，ａｌｌ ｗｈｉｃｈ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＥＶ． Ｆｉｒｓｔ，ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｎ ＥＶ ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ 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环境和能源两个角度来看待汽车的可持续发展（Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）战略，力求做到生态可持续性、经济可持续性、社会可持续性【１１。在这种背景下，节能环保的电动汽车（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＥＶ）走上了历史舞台。电动汽车从能源角度看主要有３种类型２，３】：纯电动汽车。单独依靠蓄电池提供动力源，属于零排放汽车。 燃料电池电动汽车。完全脱离了传统发动机和石化能源，依靠燃料电池组提 供动力源，属于零排放汽车，并且在反应过程中不涉及燃烧和热机做功，不受“卡 诺循环”限制，能量转换效率高，专家预测它将在３０＂５０年后在汽车领域占统治 地位。然而燃料电池目前状况下技术还不是很成熟，成本高，冷启动响应慢，无法捕获或回收制动等其他形式的能量，特别是水臌管理的复杂制约了其性能【４，５１。混合动力电动汽车。国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的定义为： 由两种或者两种以上的储能器、转化器作为驱动能源，其中至少有一种能够提供 电能，典型的有汽油机和蓄电池混合，柴油机和蓄电池混合等。为避免概念混淆， 专家们建议采用内燃机和蓄电池混合的动力来代表混合动力电动汽车，而把燃料 电池和蓄电池的混合动力称为燃料电池汽车，而把蓄电池和超级电容的混合动力 称为超大容量电容器辅助动力电动车，简称超级电容辅助动力电动车【３１。混合动力 电动车通过高能量密度和高功率密度能量源相互补充协调，降低了单个电源的要 求，延长了行驶里程，提高了燃料经济性，减少了环境污染。该车在发达国家已 经日臻成熟，它的耗油量较传统汽车低３０％，排放减少５０％．７０％。 从世界范围内电动汽车的发展过程来看，电动汽车的研究是从单独依靠蓄电 池供电的纯电动汽车开始的，但由于它是单独依靠蓄电池供电的，而目前动力蓄 电池在性能和价格上还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预 期的目的。燃料电池技术被认为是２ｌ世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具有 能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃第１章绪论料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。在此情况下，混合动力汽车成为电动汽车开发过程中最有可能市场化的一种过度车型，它将现有的几种能源转化器（如发动机）、储能器（如蓄电池、超级电容）通过先进控制系统相组合，大幅度降低了油耗，减少了污染物排放。国外普遍认为它是 现阶段投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型。电动汽车代表着汽车工业未来的发展方向，但即使全球各地都有电动汽车陆续上路，如何克服驱动系统和电池容量、效率以及充电方式便捷性等问题，仍然 是的电动汽车商业化的关键。从技术角度电动汽车主要存在以下几个问题：１．续驶里程有限。目前商用电动汽车一次充电后的典型行驶里程一般为１００ 到２４０ｋｍ，而这个数字通常还是建立在保持适当的行驶速度及具有较好的电池管 理系统基础之上的，这在现有条件是是很难实现的。因此比起传统内燃机汽车而 言，电动汽车的较短续驶里程是其“致命＂弱点。 ２．蓄电池寿命太短，加速动力差。由于蓄电池本身不能提供很高的功率密度， 导致其在尖峰工况下（如启动，爬坡等）过放电，而现有城市交通环境下，由于 交通拥挤等因素的影响，汽车加减速频繁，导致蓄电池放电电流剧烈波动，严重影响蓄电池的寿命。３．电动汽车价格昂贵。主要是电池技术复杂，成本太高，另外由于蓄电池质 量相对较重，需要采用一系列新材料、新技术减轻车身质量，致使电动汽车的造价居高不下。４．电池尺寸过大，减少了车辆中乘客以及货物的空间。 ５．间接污染严重。电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染不容忽视。如 铅酸电池中的铅，从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染；再如电能， 相当大一部分来自于火力发电，煤炭燃料也会造成大气污染。 ６．充电时间过长。传统的内燃机汽车，其燃料的补充仅需要几分钟；纯电动 汽车蓄电池的充电过程通常情况下则需要７＂－－＇８小时。 此外，现有电动汽车电源部分还存在着比功率较低、更换电池的费用较高以 及电池低温工作性能差等缺点。 如果要真正解决汽车废气污染问题，充分发挥电动汽车废气、噪声、振动污 染少等有点，少量电动汽车的投入使用是无济于事的，要实现电动汽车的产业化２长安大学硕士学位论文我们就应该对症下药，着力于电动汽车关键技术的研究和开发。从宏观上看，电 动汽车的关键技术主要有【６ｌ＝ １．电动机及其控制技术 电动机是车辆的心脏、动力源，它的功率、扭矩、转速、效率、体积、重量 等都是人们十分关注的性能指标。大功率、大扭矩、高效率、高功率密度是人们 追求的目标，而与之相配套的控制器也是当前技术的难点。２．电池技术电池是ＥＶ动力的源泉，高比功率、高比能量、安全、可靠、长寿命是对电池 的基本要求。但是，目前国际上还没有一种实用电池可以满足上述要求，也正是因为这一点，使得电池成为制约ＥＶ发展的瓶颈。３．能源管理技术 由于电池容量有限，所以ＥＶ中对能源的利用和管理非常重要，要求浪费尽可 能小，利用率尽可能高。为此，不但需要将因刹车、下坡消耗的能量回收起来， 还要对所有车用电器进行科学有效的管理。同时，要准确计算出电池的剩余能量 以及车辆的续驶里程，及时发现电池及用电器的故障，这些都是能源管理系统的主要功能。４．车身轻量化技术 研究表明，汽车的能量消耗与汽车自身总质量成正比。因此，要想减少不必 要的能量消耗，应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。目前，车载电池 的单位质量存储的能量太少，无法保证其较长距离的行驶。而且，对于电动轿车 而言，由于其布置空间较小，对乘员的舒适性要求高，所以减轻自身质量对这一 类汽车就显得更为重要。 对于电动汽车（ＥⅥ来说，电池、电机和车身结构件所占整车质量的比例较高， 因此，从电池、电机和车身结构入手减轻质量，则对整车的影响是十分明显的‘７１。１．２电动汽车车载能量源概述电源为电动汽车的驱动电动机以及车辆辅助系统提供电能。到目前为止，电 动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄 电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，将逐渐被其他能量源所取代。 正在发展的电源主要有是以下几种类型：可充电的电化学蓄电池（简称蓄电池）、 燃料电池、超级电容和超高速飞轮。其中，蓄电池、超级电容和飞轮为能量存储３第１章绪论系统，通过外界的充电过程实现储能，而燃料电池为能量生成装置，电能通过化 学反应产生。这些新型电源的应用，为动力蓄电池电动汽车的发展开辟了广阔的 前景。 １．２．１蓄电池蓄电池是目前以及近期电动汽车能量源的主要选择。动力蓄电池作为电动汽车的电源与一般内燃机汽车启动蓄电池不同。因为电动汽车既要在启动、爬坡、加速时进行大功率输出，还要在汽车中低速行驶时长时间的低功率输出，即要维 持较长的续驶里程。所以电动汽车的动力蓄电池应具有比能量高、比功率大、使 用寿命长、成本低、环境适应性和安全性好等性能【８１。由美国能源部、电能研究所、福特、通用、克莱斯勒公司以及电池生产商联 合成立的美国先进电池联合会（ＵＳＡｎＣ）致力于先进电池技术的研究，制定了电动 汽车动力蓄电池的中期、长期性能指标，具体如表１．１所示，这些性能指标比较苛刻，目前任何蓄电池都难以达到，因为ＵＳＡＢＣ制定这些目标时主要考虑使电动汽 车性能指标尽可能地接近燃油汽车。表１．１ 性能指标 ＵＳ．４ｄｌＣ蓄电池性能目标 中期比能量（ｃ／３放电率）／（Ｗｈ?ｋｇ。１）８０（期望达到１００） １３５ 能量密度（Ｃ／３放电率）／（Ｗｈ?Ｌ－１） 比功率（８０％ＤｏＤ／３０ｓ）／（Ｗ?ｋ９１） １５０（期望达到２００） ２５０ 功率密度／（ｗ?Ｌ。１） ５ 使用寿命（年） ６００ 循环寿命（８０９６ ＤＯＤ）／次 价格（ＵＳ￥?ｋｌｒ’?ｈ１）＜１５０ 一３０一６５ 工作温度／℃ ＜６ 充电时间／ｈ ０．２５ 快速充电时间（４０％～８０％Ｓｏｃ）／ｈ 辅助目标７５ 效率（Ｃ／３放电，６ｈ充电）／％ 自放电／％＜１５（４８ｈ）煳煳瑚瑚ｌｌ詈詈枷枷咖咖ｍ咖ｍ一㈣㈣一：Ⅲ呈维护 误用电阻 热损耗（高温电池）／（Ｗ／ｋＷ－１?ｈ’１）免维护 允许３．２注：Ｄｏ卜放电深度；ＳＯＣ卜荷屯状态 可用于电动汽车的蓄电池包括阀控铅酸电池（Ｖ叫、锌空气电池（Ｚｎ／Ａｉｒ）、∞堋黼斛 ∞汨制肼眦眦镍．镉电池（Ｎｉ．Ｃｄ）、镍．锌电池（Ｎｉ－Ｚｎ）、镍基电池（Ｎｉ―ＭＨ）、铝一空气电池（Ａ１／Ａｉｒ）、钠硫电池（Ｎａ／Ｓ）、钠镍氯化物（Ｎ棚ｉＣｌ２）、锂聚合物电池（Ｌｉ?Ｐｏｌｙｍｅｒ）和锂离子电池（Ｌｉ―Ｉｏｎ）等多种类型。４长安大学硕士学位论文１．２．２超级电容 超级电容（ＵｌｔｒａＣａｐａｃｉｔｏｒ）是近年来国际上出现的一种新型储能装置，它是 靠极化电解液来储存静电能量的电化学装置，又称为电化学双层电容，但是在储 能机理上，它是高度可逆的，寿命很长，可以千万次地反复充放电，而且在很大 的电流下（１０＂－１０００Ａ）可以快速充放电，此外有很宽的电压范围（超级电容单体的工作电压为Ｏ～２．５Ｖ）和工作温度范围（一４０～＋６５℃）。超级电容器的特别在于在充放电的整个过程中，没有任何化学反应和无高速 旋转等机械运动，不存在对环境的污染，也没有噪声，结构简单，质量轻，体积 小，是一种理想的储能器件。超级电容在电动汽车制动或下坡时回收能量，然后 在电动汽车行驶时放电，向驱动电机提供电能。 大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡具有极其重要的意义， 但超级电容器极低的能量密度使其不可能单独用作电动汽车的能量源，但作为辅 助能量使用有显著优势。在汽车启动和爬坡时快速提供大电流和大功率，在正常 行驶时由主动力源快速充电，在刹车时快速存储发电机产生的大电流，这可减少 电动汽车对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽 车的实用性，对于电动汽车的推广具有很重要的意义。１．２．３燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。 当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电 解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（ＡＦＣ）、磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ）、 熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）、固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）及质子交换膜燃料电池（ＰＥⅧＣ）等。燃料电池的特点如下： １．不受卡诺循环限制，能量转换效率高； ２．洁净、无污染、噪声低； 当燃料电池以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少４０％ 以上，若以纯氢气为燃料，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了ＣＯ、ＮＯ。、 ＳＯ”粉尘等大气污染物的排放，实现了零污染。 ３．模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适合分散供电。５第ｉ章绪论４．高温型燃料电池可实现热电连供。燃料电池技术提供了一种能提高能源利用率、减少废气排放的发电方式，其自身的优越性使其在电动汽车领域具有广泛的应用前景。然而燃料电池的商业化 仍需克服技术、经济等方面的障碍，如催化剂都是稀有金属，价格昂贵；电池反映所需的高浓度燃料和氧化剂技术要求高，而且要避免催化剂中毒；氢气十分易燃易爆，在燃料电池的商业化应用中，如何安全配送氢气燃料是一个很大的问题， 而且兴建氢气配送系统成本十分高。１．２．４复合电源在现有的技术条件下，任何一种能量源都不能同时提供高比能量和比功率， 所以都难以满足电动汽车的使用要求，于是国外有专家提出了复合电源的概念， 即电动车的电源由高比能量的能源和高比功率的能源共同组成。电动汽车中使用复合电源具备以下优势：实现了电动汽车对能量和功率要求的分离，使得电动汽车可以同时使用蓄电 池、燃料电池等高能量的能源和超级电容、超高速飞轮等高功率的能源。 充分利用了电动汽车各种能源的优点，如蓄电池技术成熟、成本低廉；燃料 电池高比能量和高燃油效率：超级电容比功率和瞬间充放电能力巨大等。 复合电源不要求单个能量源同时追求高比能量和高比功率，能源的寿命得以 延长，成本得以降低，同时电动汽车整车的尺寸、重量、价格也基本满足了市场的需求。当然，随着复合电源中使用的能量源数目的增加，整个动力系统的布置和控制难度加大。１．３超级电容辅助动力电动车概述１９，１０ｌ电动汽车发展到今天，主要的瓶颈就是蓄电池的问题。传统的蓄电池由于功 率密度偏低，在正常行驶时从蓄电池中吸收的平均功率相对低，而在加速和爬坡 时的峰值功率又相当高，在现有技术条件下，蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡，不能满足车辆的频繁地起步、加速和制动工况 的要求：而且由于加速时浪费了过多的能量，致使车辆的行驶里程也不能满足要求。超级电容以其循环效率高，循环寿命长，可以瞬间大功率充放电，工作温度范围广，作为辅助能量源则具有显著优点。它即可以提供较大的驱动电流，满足６长安大学硕士学位论文车辆行驶工况；又可以节省电池的能量，延长车辆的行驶里程；同时减少了蓄电 池的频繁充放电的工作状态，提高了蓄电池的使用寿命。由于超级电容的负载均 衡作用，电池的放电电流可以减小，加之它可以迅速高效吸收制动再生能量使得 车辆续驶里程得以极大提高。这样就可以使电动汽车对蓄电池的比能量和比功率 要求分离开来，蓄电池的设计可以集中于对比能量和循环寿命的要求，而不必过 多地考虑比功率问题。超级电容器与蓄电池组成的复合电源系统被认为是电动汽 车能量源的最佳组合，是解决未来电动汽车电源问题的最佳途径【１１，１２ｌ。 在国内，虽然对超级电容的研究和生产已经有了很大的发展，但蓄电池超级 电容组成的复合电源的设计及控制还处于起步阶段。由于电动汽车发展时间短， 我国与其他汽车先进国家的差距只有五年左右，我们应该抓好这个契机，大力发 展电动汽车。电源技术是电动汽车发展的关键技术，对其复合电源的设计和控制 方面的研究具有十分重要的战略意义。 超级电容辅助动力电动车结构布局如图１．１所示。图１．１超级电容辅助动力电动车结构布局超级电容和蓄电池采用并联的连接方式。正常工况下，超级电容不参与工作； 当车辆加速或者上坡时，超级电容通过ＤＣ／ＤＣ变换器的控制提供短期大电流，不 足部分由蓄电池供给，两者再经过电机控制器的调控，通过电机驱动车辆。１．４本课题意义及国内外研究现状１．４．１本课题的意义 对于电动汽车的研究，世界上现在主要分为三大流派：日本、欧洲和美国。各自的特征为：日本――混合动力汽车日趋成熟，燃料电池快速发展；欧洲――纯电动汽车欲退还留；美国――希望寄于燃料电池汽车。７第１章绪论由于电动汽车发展时间短，我国与欧美、日本等汽车先进国家的差距不大， 所以我们应该抓住这个契机，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、 地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关，赶超世界先进水平。 在超级电容的研究以及产业化方面，国内外都已经逐步趋于成熟，但超级电 容辅助动力电动车电源作为一种很有前景和市场推广力的电动汽车，对其电源部 分单个电源的控制，以及两个电源之间的协调控制，国内尚处于起步阶段，因此 对蓄电池超级电容电动车电源部分的建模与仿真研究具有重要的意义，它将为电 动汽车在我国的发展及完善奠定坚实的基础。１．４．２国内外研究现状美国政府于１９９３年提出新一代汽车合作伙伴计划（ＴｈｅＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ ｆｏｒａＮｅｗｏｆＶｅｈｉｃｌｅｓ，ＰＮＧＶ）计划，旨在提高汽车燃料效率，改善汽车工业的竞争能力，并减少有害气体和二氧化碳的排放，以改善生活环境；日本在开发混合 动力汽车方面处于全球领先，其低公害开发普及行动计划，旨在通过应用新技术， 谋求普及能够实现减轻环境负荷的低公害车，主要包括压缩天然气汽车、纯电动 汽车、混合动力电动汽车、甲醇汽车、低油耗且低排放五类；欧盟的电动汽车城 市运输系统（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ Ｃｉｔｙ ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ＥＬＣＩＤＩＳ）主要使电动汽车用于城市运输，从而评价城市运输系统的效率和环境影响。 具体到本课题，多能源电动汽车设计中的主要问题是能源间的协调控制，它与行驶模式工况、蓄电池容量、荷电状态（ＳＯＣ）、蓄电池管理密切相关【１３Ｊ；国际 电动汽车协会轮值主席陈清泉院士提出：随着超级电容的发展，它能够同时提供 加速、爬坡所需的全部能量，并能回收制动减速中的所有再生能量，它作为辅助 电源具有广泛的应用前景【１４】。然而现有的电动汽车仿真软件中，很少有涉及超级电容的仿真应用。如在ＡＤＶＩＳＯＲ２００２（ＡｄｖａｎｃｅｄＶｅｈｉｃｌｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ，先进汽车仿真器）中虽然包含了超级电容器的ＲＣ仿真模型，但此模型仅仅能作为电动车的唯 一电源，不能实现对超级电容与其他能源部件（如蓄电池等）联合使用的仿真研 究。在文献［１５．１７］ｄＰ，介绍了超级电容的不同物理模型和相应的参数获取方法。在文献［１８．２０】中介绍了复合动力源的仿真方法和有关结果分析。Ｊｕａｎ等人对超级电容加ＤＣ／ＤＣ变化结构和其控制法策略作了仿真和试验研究【２¨。近期，美国可再生国家能源实验室（ＮＥＲＬ）的Ｍａｔｔｈｅｗ Ｚｏｌｏｔ等人在复合动力源的仿真及优化方８长安大学硕士学位论文面作了不少工作【２２，２３１，提出了复合动力源选型和基于ＡＤＶＩＳＯＲ的优化的一般方 法。 我国十五期间“电动汽车８６３重大专项’’提出了“三纵三横＂的研究开发布 局，如图１．２所示。电动汽车重大专项总体专家组专项办公ｈ――卜叫盥理公司燃孝｜屯沲壁群项目Ｉ 燃 料电ｌ棍介动力整乍瑗日纯电动整午Ｊ奠目网Ｉ议专题ｌＩ．．．．．．．．．．．．一絮擀ｌ：西筻：多能源动力发幼枫ｌ’。一’。。慈器孙壶：多能源动力饨控翻系Ｉｌ篡？篡?魄总成控锚系电机驱动系总成控制系 Ｉ缸机驱动系 电池及电池管理系统多能源动力｝网阿 总成控制系ｌ乜划幽丽赢吲嚣刻凇屯池电池及｝乜池 管理系统专趱缀政策、法规、技术标准课题纽图１．２电动汽车重大专项提出的。三纵三横”研究开发布局及其组织管理模式“十一五＂期间，我国重点研究开发和掌握混合动力汽车、燃料电池汽车、 纯电动汽车，代用燃料汽车整车和零部件的关键技术，建立整车评价平台，推动 标准体系的建设，促进节能环保机车的产业化。清华大学在其承担的国家８６３燃 料电池客车整车项目上，搭建了燃料电池混合动力系统试验台，对燃料电池客车 整车控制系统进了一定的研究，其成果“燃料电池混合动力系统的功率分配方法＂ 已申请国家专利【２３】：同济大学在国家８６３电动汽车重大专项组组长万钢教授领衔 下，其“８６３＂计划“节能与新能源汽车＂重大项目“超越三号＂燃料电池轿车２００６ 年６月８日至１２日参加了在巴黎举行的全球清洁能源轿车“必比登＂挑战赛，在 ７个项目的严格测试中，取得了４个Ａ的好成绩，其中燃料经济性和车外噪声测 试指标名列第一。具体到本课题，西南交通大学的薛小军、王月明对于超级电容 的车辆制动能量回收进行了一定的研究【２４Ｊ；吉林大学的于远杉、王庆年对内燃机＋ 蓄电池＋超级电容混合动力汽车中的复合电源参数匹配与控制策略进行了一定程９第ｌ章绪论度的研究【２５１，重庆大学的冉振亚、曹文明【２６１，武汉理工大学的张靖、过学迅【１０１也分别对燃料电池／蓄电池、超级电容／蓄电池双能源电动汽车建模仿真作了一定的探索和研究。１．５本文研究的内容针对当前纯电动汽车中存在的问题，在超级电容辅助动力电动车车辆框架如 图１．３的指导下，用系统分析的方法，以能量流为纽带，综合电动车辆动力各部件 相互作用，兼顾模型准确度和复杂度间相互关系，完成对超级电容辅助动力电动 车电源的建模与仿真。仲裁麝的蒌本转矩 绅貔蔚豹快速转矩 蓄咆池鼠＇ｃ 答电池状杏汽率运幼控制配焉需求的 絮功转糠冒超级电容及其控翻盛功事 趣令电机及箕控翻真实 电瑰 转如潮门路援、翩动绐板驾驶员解释瓣翮墨苎！皇攀兰！ｌ车辆动念系统图１．３超级电容辅助动力电动车辆框架本文的研究内容如下：对于蓄电池、超级电容的参数、工作特性等进行一定的研究与分析，并在此 基础上用机理分析的方法建立各自的模型。 借鉴电动汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ中各种车型的电源模型，将前步的两个电 源模型整合成一个复合电源，并对其特性、工作模式、参数匹配等进行了研究。 结合实际车辆行驶路况、电源特性等诸多要素，制定超级电容辅助动力电动 车在各种工况下复合电源的控制策略。应用前述成果，对ＡＤＶＩＳＯＲ中的Ｆｏｃｕｓ整车模型进行改造，建立了超级电容辅助动力电动车的整车模型，并进行了仿真研究，着重分析了其在加速性能、经济性能、再生制动能量利用等方面的效果。１．６本章小结本章主要内容及结论：１０长安大学硕士学位论文概述了电动汽车的三种类型，并总结出其现有条件下存在的主要问题，以及 电动汽车未来发展的关键技术； 综述了电动汽车中常用的各种能量源的原理、特点，并对复合电源进行了～ 定程度的简述； 介绍了我国电动汽车发展的现状以及规划、布局，并着重对超级电容辅助动 力电动车结构，以及国内外本领域的研究现状进行了简要的概括总结。第２章蓄电池特性研究及建模仿真第２章蓄电池特性研究及建模仿真在电动汽车中，蓄电池的性能是决定整车性能的重要因素。虽然蓄电池在输出和储存电能时看上去是一个简单的电能存储装置，但实际上它的动态特性异常 复杂，其充、放电过程涉及化学、电、热等多学科领域。在充、放电过程中，蓄电池的各项性能参数，如电动势、内阻、荷电状态（ＳＯＣ，Ｓｔａｔｅ ｏｆＣｈａｒｇｅ）、库仑效率、自放电率、温度等相互影响，存在着错综复杂的关系，具有高度非线性；而蓄电池产生的热量使其自身温度升高，也对蓄电池整体性能产生显著影响，进而影响电动汽车的性能，因此，必须使电池温度保持在正常的工作温度范围内， 以使蓄电池综合性能最佳；电动汽车在行驶过程中，蓄电池处于充、放电交替进 行的状态，这些都给蓄电池的建模仿真带来很大的困难。对于蓄电池系统的建模 仿真，目前尚没有有效方法，常用的蓄电池模型，如内阻模型、阻容模型等，共 同的特点是通用性不强，精度不高，而且对温度管理系统的建模则做了过多和过 于主观的假设和简化。因此，对蓄电池的建模和仿真进行全面系统的研究是非常必要的【２７１。２．１电动汽车对动力蓄电池的要求电动车用动力蓄电池与一般起动用电池不同，它以较长时间的中等电流持续放电为主，间或以大电流放电（用于启动、加速或爬坡）。一般来说，电动汽车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态，因此，电动汽车对动力蓄电池的基本要求可归纳为以下几点： （１）比能量高 比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，它是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能。（２）充电技术成熟、时间短在充电时间上能够实现快速充电，蓄电池的正常充电时间应小于６ｈ，快速充 电达到额定容量５０％的时间应在２０ｍｉｎ以内。（３）连续放电率高、自放电率低 蓄电池要能够适应快速放电的要求，连续ｌｈ放电率可以达到额定容量的７０ ％左右。自放电率要低，电池能够长期存放。 （４）适应车辆运行环境１２长安大学硕士学位论文蓄电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特 殊的加热保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。（５）安全可靠蓄电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱、外壳，不会引起自燃或 燃烧，在发生碰撞等事故时不会对乘员造成伤害；废电池应能够回收处理和再生 利用，电池中有害重金属能够集中回收处理；电池组可以采用机械装置进行整体 快速更换，线路连接方便。（６）长寿命、免维护电池的循环寿命不低于１０００次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。２．２电动汽车蓄电池的发展与应用㈣２．２．１蓄电池制约电动汽车发展的因素 作为电动汽车的核心，电池性能的优劣，极大地决定着电动汽车技术的先进 性。目前使用的蓄电池严重制约着电动汽车发展的主要因素有： １．蓄电量小，充电后续驶里程短。目前电动汽车一次充电后行驶的最长距离为３８０ｋｍ左右。２．充电时间长，一般充电时间需４－－－＇８ｈ，使用极为不方便。 ３，单位装备质量的电荷量太小，使电动汽车自身质量过大，从而影响加速性 能和最大车速的提高，无法与燃油汽车相抗衡。 ４．使用寿命短。普通的蓄电池充、放电次数仅为３００＂－－＇４００次，即使是性能较 好的蓄电池的充放电次数也不超过７００＂－＇９００次。按每年充放电２００次计算，一个 蓄电池的寿命仅为４年，与燃油汽车的寿命相比太短。 ２．２．２高能蓄电池的发展与展望 电动汽车已是现代汽车工业技术发展的必然趋势，世界各国，各大汽车公司， 研究机构和大学正在研究、开发和制造不同的高能电池供电动汽车使用，同时也 为国防、电力、航空、航天、火箭和宇宙探测等多个高科技领域提高更先进和更 可靠的能源。展望未来高能电池必须具备的四个条件：①高比能量，高比功率和 高储能性能；②无毒性，免维护，高寿命；③材料资源丰富，能够回收再生，且 制造较简便：④价格便宜。１３第２章蓄电池特性研究及建模仿真２．３蓄电池的种类及其工作原理２．３．１蓄电池的种类 自１８５９年法国科学家普兰特发明铅酸蓄电池以来，蓄电池便以其低廉的价格、 易于获得的原材料和使用上的充分可靠性，在日常生活中得到了极为广泛的应用。 特别是近年来，随着高新技术的发展和人类环保意识的增强，蓄电池已成为目前以及近期电动汽车的主要能量源。电池按其工作原理主要分为物理电池、生物电池和化学电池三大类。物理电 池在一定条件下能实现能量的直接转换，如太阳能电池、核能电池和温差电池； 生物电池基于生物表现出来的带电现象，如利用酶、微生物或叶绿素做成的酶电 池、微生物电池和生物太阳能电池：化学电池是直接把化学能转换为电能的装置， 是目前技术最成熟、应用最广泛的电池。根据其工作性质和存储方式，化学电池又可分为一次电池、二次电池，燃料电池、储备电池四类。电动汽车上应用最多 的蓄电池（Ｂａｔｔｅｒｙ），又称可充电电池（Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙ），就属于二次电池 （Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）。 蓄电池电极上进行的反应都是可逆的，它通过充电方法使活性物质复原，从而获得再生放电的能力，实现多次充放电。常见的蓄电池有以下几种：铅酸电池、 锂离子电池、镍氢电池、金属氢化物／镍电池、钠／硫电池、锌／空气电池等。 铅酸蓄电池：是目前市场上能够大量提供且使用最多的蓄电池。但当前最好的铅酸蓄电池的比能量也只能达到３０－－－４０Ｗｈ／ｋｇ，而汽油的比能量是２０００Ｗｈ／ｋｇ，两者相差３００信）；其次，它的循环寿命短，在８０％ＤＯＤ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆＤｉｓｃｈａｒｇｅ，放电深度）时，只有２００－～３００次：最后就是充电时间太长，对用户的使用造成很大 不便。但它的优势在于技术成熟、价格低、资源丰富、可回收利用、性能可靠、 生产工艺成熟，因此本文后续章节用到的动力蓄电池均为铅酸蓄电池。胶体蓄电池：胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用 凝胶状电解质代换硫酸电解液，内部无游离的液体存在，在同等体积下电解质热 容量大，散热能力强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象：电解质浓度低， 对极板腐蚀弱；浓度均匀，不存在酸分层的现象。上述改进使其在多项重要性能 上优于阀控式铅酸免维护蓄电池，例如：使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长， 对环境温度的适应能力强，承受长时间放电、循环放电、深度放电及大电流放电能力强，有过充及过放电自我保护。１４长安大学硕士学位论文镍氢蓄电池烈ｉ一姗）：镍氢蓄电池起源于２０世纪６０年代初期，它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，具有镍镉蓄电池的所有性能，而且能量密度还高于镍镉蓄 电池。它的主要优点是：比能量高（达９５Ｗｈ／ｋｇ，一次充电可行驶的距离长）；比 功率高（可达９００Ｗ／ｋｇ：在大电流工作时也能平稳放电，加速爬坡能力好）：低温 放电性能好；循环寿命长（８０％放电深度超过１０００次）；安全可靠，免维护；工作 环境温度为－－３００℃～＋５００。Ｃ，高低温工作能量损失少；对环境不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是，Ｎｉ一姗蓄电池成本太高，价格昂贵，另外Ｎｉ．ＭＨ电池的记忆效应和充电发热等方面的问题值得关注。 锂离子蓄电池：锂是世界上最轻的金属，构成电池时，输出电压近４伏。锂 离子蓄电池被普遍认为具有如下的优点：比能量大、比功率高、自放电小、无记 忆效应、循环特性好、可快速放电、效率高、工作温度范围宽、无环境污染等。 锂离子蓄电池电极为锂金属氧化物和储锂软材料，充放电时锂离子在正负电极之 间漂移传递电能。根据电解质的小同，分为锂离子电池ＬＩＢ（Ｌｉｔｈｉｕｍ―ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ）和 锂聚合物电池ＰＬＢ（Ｐｏｌｙｍｅｒ ｌｉｔｈｉｕｍ―ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ）。ＬＩＢ是一种高能量、高功率电池， 高能量ＬＩＢ比能量远超过ｌＯＯＷｈ／ｋｇ，高功率ＬＩＢ的比功率超过１０００Ｗ／ｋｇ，循环 寿命超过１０００次。 其它动力电池：除了铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池外，较为成功的电动 汽车动力电池还有钠氯化镍电池（ＮａＮｉＣｌ２）和锌空气电池（Ｚｉｎｃ．ａｉｒ）。 ２．３．２铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池的“双极硫酸盐化理论＂已得到广泛应用【２９】。按此理论，铅酸电 池在其正、负极板上进行的化学反应过程用化学方程式表示如下： 正极板氧化反应：ｅｂｏ！＋４Ｈ＋＋ｓｏ，２一《≥ｍ她＋２Ｈ２０负极板还原反应：（２．１）Ｐｂ＋ｓｏ，２一石触。。＞ＰｂＳ０４＋２Ｐ一将上面两式合并，得铅酸蓄电池充、放电时的化学反应方程式为：（２．２）Ｐｂｏ！＋２Ｈ：ｓｏ！＋Ｐｂ拳＿＿ＰｂＳＯ！＋２％Ｄ＋ＰｂＳＯ！正极 负极 正极 负极１５∞）由上可知，放电过程中，化学反应由左向右进行，铅酸电池正极的活性物质第２章蓄电池特性研究及建模仿真二氧化铅（Ｐｂ０２）和负极的活性物质海绵状铅（Ｐｂ）与电解液硫酸（Ｈ２Ｓ０４）反应生成硫酸铅（ＰｂＳ０４），此过程中硫酸被消耗掉，且生成有水，所以硫酸浓度逐渐 减少，电解液比重下降；充电过程中，正极板上的硫酸铅氧化成二氧化铅，负极 板上的硫酸铅还原成海绵状铅，同时生成硫酸，消耗水，所以硫酸浓度提高，电 解液比重增加。２．４蓄电池的技术参数■蓄电池容量在一定放电电流条件下，电池给出的电量或有效工作时间，用安培时（Ａｈ） 表示。可分为理论容量、实际容量和标称容量等。 理论容量：根据蓄电池的活性物质，按法拉第定律计算出最高理论值。实际容量：在一定条件下所能输出的电量，等效于放电电流Ｉ与放电时间ｔ的 乘积。额定容量（保证容量）：按标准所规定的放电电流条件下，电池应该放出的最 低限度的容量，达不到此值，蓄电池不合格。＿荷电状态（Ｓｔａｔｅ ｏｆＣｈａｒｇｅ，ｓｏｃ）蓄电池荷电状态（ｓｏｃ）用来反映蓄电池的剩余容量，其数值上的定义为蓄 电池剩余容量占其总容量的百分比：ＳＯＣ＝％／Ｑ。 式中：如一电池在当前条件下还能输出的容量（剩余容量）；ＱＪ。一电池在当前条件下所能放出的最大容量。 如果将电池充满电状态定义为ＳＯＣ＝Ｉ，且有（２．４）Ｑ删＝如＋Ｑ式中：Ｑ一电池已放出的容量。 则式（２．４）可表示为：（２．５）ＳＯＣ＝１一Ｑ／Ｑ。一蓄电池能量（２．６）蓄电池在一定放电条件下，电池对外做功时所能输出的电能，单位为Ｗｈ或ｋＷｈ。 标称能量：在一定放电条件下，蓄电池所输出的能量，为额定容量和额定电 压的乘积。１６长安大学硕士学位论文实际能量：一定放电条件下，蓄电池所输出的能量，蓄电池的实际能量为实 际容量与平均工作电压的乘积。 比能量（质量比能量）：单位质量蓄电池所能输出的能量，单位为Ｗｈ／ｋｇ或 ｋＷｈ／ｋｇ，比能量越高，汽车一次充电后行驶的距离越长。 能量密度：单位体积蓄电池所能输出的能量，单位为Ｗｈ／Ｌ，或ｋＷｈ／Ｌ，能量 密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。■开路电压在外电路没有电流流过状态下蓄电池的端电压称为开路电压。蓄电池的开路 电压等于组成蓄电池的正极的混合电势与负极混合电势之差。蓄电池的开路电压 在数值上略小于蓄电池的电动势。 －充电电压与放电电压 由于蓄电池的本身化学变化特殊性，蓄电池在充放电时的端电压变化表现不同。 充电时：Ｕ＝Ｅ＋△纹＋△纯＋侬 放电时： Ｕ＝Ｅ一（△织＋△纯）一坎（２．７）（２．８）式中：Ｕ一蓄电池端电压，△织一正极板超电势，△让一负极板超电势，Ｊ一充、放电电流Ｒ一蓄电池内阻。 由此可见：蓄电池的端电压，在充电过程中逐渐升高至充电终止电压，在放 电过程中逐渐降低至放电终止电压，且充放电时间越短，端电压的变化越大。 ?充电速率和放电速率 为了比较不同容量的蓄电池，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示， 而用蓄电池的额定容量Ｃ和放电时间ｔ来表示，称为电池的充放电小时率或倍率。 例如一个额定容量Ｃ为ｌＯＯＡｈ的电池，充电２小时后，电池完全充满，则它的充电电流为： ，＝Ｃ／２＝０．５Ｃ（彳） （２．９）即它的充电速率为Ｏ．５“倍率＂或２小时率，放电速率与此类似。 ●放电深度（Ｄｅｐｔｈｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅ ＤＯＤ）１７第２章蓄电池特性研究及建模仿真在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。 ●蓄电池的内阻蓄电池的内阻主要包括欧姆内阻和极化电阻。欧姆内阻因板栅腐蚀、电极变 形、电解液的浓度和温度而改变，但是其变化范围很小，在每次检测电池内阻过 程中，可以认为是不变的；而极化电阻随温度、电解液密度，以及放电电流的变化而变化，是一个受因素影响的变量。蓄电池内阻越小，工作输出电流时内部压降就越小，电池将输出较高的工作 电压和较大的电流，输出能量和容量就越大。 ■循环寿命 在蓄电池实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电循环次数。电池在 开始使用的一段时间内，电池容量增加大约５％＂－－１０％，接下来一段时间，电池的 容量基本不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池老化过程。一般来讲，当电池容量下降到额定容量的７５％左右时，就可以认为电池的寿命基本结束了。２．５蓄电池的充放电特性１２８，３０ｌ以恒定的电流对单格铅酸蓄电池充电时，蓄电池的端电压变化如图２．１所示。以额定的魁魄充电小时数（－＞ 图２．１铅酸蓄电池充电特性曲线充电初期，蓄电池端电压升高很快（曲线ＯＡ段）。因为极板上的活性物质还 原成了Ｐｂ０２和Ｐｂ时，在活性物质微孔中形成的硫酸量剧增，来不及向外扩散， 因此电池电动势增大，同时电池的内电压剧增，所以端电压升高很快。１８长安大学硕士学位论文充电中期，活性物质微孔中的硫酸增加速度和向外扩散速度渐渐趋于平衡， 故蓄电池端电压增高减慢（曲线ＡＢ段）。 充电后期，极板上的大部分ＰｂＳ０４已经还原成Ｐｂ０２和海绵状Ｐｂ，所以端电压 比较缓慢地上升。如果继续充电，则电流使水大量分解，在两个极板上开始析出 气体。正极板上的氧气使正极板上形成氧化电极，提高正极电位，同时由于气体 为不良导体，从而使蓄电池的内阻继续增大，因而端电压又继续上升（曲线ＢＣ段）。 当充电达到曲线ＣＤ段时，如果继续充电，因极板上活性物质ＰｂＳ０４已全部 还原，所以电解液剧烈沸腾，而端电压稳定在２．７Ｖ左右。继续充电，端电压也不 会再升高，只是白白消耗电能电解水，若在Ｄ点停止充电，由于气体扩散蓄电池 内阻减少，端电压迅速降低（曲线ＤＥ段）。随后由于活性物质微孔中的硫酸逐步 扩散，使活性物质微孔中电解液比重渐渐降低，一直到极板内外电解液趋于相同， 端电压慢慢下降至２Ｖ左右（曲线ＥＦ段）。 应当指出蓄电池的充电还受到充电电流的影响，充电电流越大，活性物质硫 酸铅的反应越快，反应生成的硫酸速度越快，浓度增加越快，蓄电池端电压也上 升越快。但在充电末期，由于活性物质反应接近完成，大电流绝大部分用来电解 水，如果析出气体过多，会强烈冲刷反应生成的活性物质（Ｐｂ和Ｐｂ０２），使之脱 落，从而降低蓄电池容量，严重影响蓄电池性能，所以充电末期，应采用较小的电流充电。蓄电池充电完毕并稳定后，如果以恒定的电流连续放电，其端电压变化如图２．２所示。图２．２铅酸蓄电池放电特性曲线１９第２章蓄电池特性研究及建模仿真假设蓄电池在充电后，经过２小时以上稳定。此时两极活性物质微孔中的电 解液浓度与极板外部的主体电解液的浓度已趋于平衡，电池的端电压即开路电压等于电池的电动势。放电开始后，由于活性物质微孔中参与反应的少量硫酸很快被消耗完并生成 水，而较远离极板的电解液的扩展速度缓慢，不能及时补充活性物质中微孔内所 消耗掉的硫酸，使微孔中电解液的浓度迅速下降，致使其端电压迅速降低，如图中曲线的ＯＡ段所示。 随着放电的继续进行，进入放电中期，电解液中的硫酸由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使活性物质表面的硫酸浓度增大，活性物质表面和微孔内因放电而消耗掉的硫酸与扩散得到的硫酸趋于平衡，从而使活性物质表面和微孔内电解液浓度接近稳定，因而蓄电池的端电压也比较稳定。当然，由于放电过程中硫 酸不断被消耗，整个电池内电解质中的硫酸含量减少，浓度降低，活性物质表面 和微孔内的电解液浓度也缓慢下降，从而电池的端电压呈缓慢降低的趋势。如曲线ＡＢ段。在放电末期，电池极板上的活性物质大部分已变为ＰｂＳ０４，由于ＰｂＳ０４的体 积较大，在极板表面和微孔中形成的ＰｂＳ０４使极板外电解液深入困难，因此在微 孔中已稀释的电解液很难和容器中的电解液相互混合。同时硫酸铅的导电性能较 差，致使内阻加大，所以蓄电池的电压很降落很快，如曲线ＢＣ段。放电至Ｃ点时，电压已降至１．８Ｖ左右，此时应该结束放电。如果继续放电，此时极板外的电解液几乎停止深入极板活性物质微孔内部，微孔中的电解液也几乎都变成了水，蓄电池的端电压急剧下降，如图中虚线部分段ＣＤ所示。这时处于过放电状态，虽然能放出部分能量，但是经常过放电可能引起极板的硫化，这将 会降低蓄电池的充电、放电反应速度，加速蓄电池的老化，降低其使用容量，因 此定义此电压为放电终止电压。如果此时停止放电，则铅酸蓄电池的电压立即回升。随着活性物质微孔内浓度很低的电解液和相对浓度较高的主体电解液相互扩散，最后端电压将稳定在２Ｖ 左右，如图中曲线的虚线部分段ＣＥ所示。同充电过程一样，蓄电池的放电电压也与放电电流密切相关，大电流放电时 蓄电池端电压下降明显，平缓部分缩短，曲线的斜率也很大，放电时间很短。随着放电电流的减小，蓄电池的电压呈下降趋势，曲线也比较平缓，放电时间延长。２０长安大学硕士学位论文这种放电特性对蓄电池的正确使用有重要意义。２．６蓄电池的容量特性蓄电池的容量特性是指蓄电池的容量与充放电电流之间的关系。蓄电池容量 的影响因素很多【３１１，但最主要的影响因素是充放电电流的大小。故需要通过试验 来确定蓄电池的实际容量与电流的关系（即容量特性）。我们通过几组恒流放电试验，检测所用的蓄电池组（１２Ｖ铅酸电池组）恒流放电过程所能放出的电量。由于受条件限制，当大电流放电时电流还不是恒电流， 所以取电流的平均值来估计其恒电流值，通过处理得到如表２．１的试验结果。表２．１蓄电池容量数据根据著名的Ｐｅｕｋｅｒｔ经验公式，蓄电池的容量Ｃｋ与蓄电池电流Ｉｋ关系式为Ｃｋ＝口露式中，ａ、６一电池常系数。 由式（２．１０）可得：（２．１０）塘Ｇ＝ｌｇａ＋ｂｌｇＩｋ（２．１１）根据试验数据，利用最ｄ＇－－乘法拟合得到系数ａ，ｂ，如表２．２，拟合曲线如图 ２．３所示。表２．２蓄电池容量特性参数系数实际标定值ａ１３１．３１０７ｂ－０．２９３４２１第２章蓄电池特性研究及建模仿真图２．３电池容量特性曲线２．７蓄电池的温度特性图２．４为温度与单格蓄电池的充、放电特性曲线关系。电解液温度越低，放电时平均电压越低，充电电压越高；反之，电解液温度越高，放电平均电压越高，充电电压越低。蓄电池在低温放电时电压低，是由于硫酸的粘度增加，流动性差， 扩散缓慢，两极极化增加，蓄电池内阻增加，在个别情况下可能是负极钝化所引 起。总之，在低温条件下，负极性能可能成为限制容量和蓄电池电压下降的主要 原因。低温充电时，充电电压急剧上升，活性物质难于转化。蔫电池 麓电跟（Ｖ）３．ｎＶＶ●２．８ ２．６ ２。４－●■●＂●■●Ｖ２．２ ２．Ｏ●●＿Ｊ■?Ｖ１．８ ２４ 。６ 充放电时阀（ｈ）８ｌＯｌ一．３０℃ｌ２一?２５℃８ ３一．１５℃８ ４一－５℃８５－－５℃；６―１５℃；７―２５℃；８―３３℃图２．４温度与充放电曲线关系长安大学硕士学位论文２．８传统的蓄电池模型２．８．１理想的蓄电池模型 理想蓄电池等效模型如图２．５所示，其中％为理想电压源，尺细为蓄电池内阻， ％为负载电压，，为电流，电流箭头所示方向为正，反向为负。图中所有参数均为 时不变参数。它是当前电动汽车中仿真软件普遍采用的电池模型。 在理想蓄电池等效模型中％＝Ｖｏ一‰（２．１２）图２．５理想蓄电池等效模型模型参数中，开路电压由对蓄电池的开路实验测得，蓄电池内阻由蓄电池充 满电时开路试验和负载试验的结果决定。 这个模型中的参数都是恒定的，而实际情况显然并非如此。因此，该模型只 适用于一些假设蓄电池容量是无穷大或者负载上消耗的能量相对来说很小的情 况，这样的假设对于常用的大功率场合显然是不相符的，只能用于某些电路的仿 真，真正并不适用于ＥＶ和ＨＥＶ。但这种简单的蓄电池模型反映了蓄电池中基本 的电量关系，以后的蓄电池模型都是由这个简单的模型演变而来。２．８．２Ｔｈｅｖｅｎｉｎ模型及其修正模型 考虑到充放电情况下蓄电池的内阻是不同的，产生了如图２．６所示的Ｔｈｅｖｅｎｉｎ模型。这种模型中有两个内阻皿和如，分别代表充电和放电过程中电池的内阻。 亿和砌模拟了所有形式的能量损失，包括电损失的能量和非电损失的能量。图２．６ 中的理想二极管表示在充电和放电过程中疋和如只有一个电阻被使用。这些二极 管只是为了建模的目的而存在，在蓄电池中没有实际的物理意义。虽然这种模型 比理想模型要好些，但这种模型没有考虑到电容的影响，比如蓄电池中产生的瞬 态电流现象。所以在本质上是非动态的，也不适合于ＥＶ和ＨＥＶ的应用。第２章蓄电池特性研究及建模仿真图２．６Ｔｈｅｖｅｎｉｎ蓄电池模型为了模拟电池中电解质的扩散现象和由此产生的瞬态电流现象，对Ｔｈｅｖｅｎｉｎ模型进行了修改【３２１，如图２．７所示：图２．７修正的Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效电路电池模型其充电放电电路模型的动态方程式如下：％２一％毒＋％毒一厶吾，当％ｓＶｏ ％＝一％面１＋‰壶一厶吉，当％＞Ｖｏ式中，厶：！堡二堕…（２．１３） （２．１４）％当电池放电时取厶为正，充电时厶则取负。图中电容Ｃ代表极化电容，它模 拟了电池内部的化学扩散现象，其值决定于ＳＯＣ、温度，以及电池装置的设计。 这种电池模型具有以下优点：①通过加入极化电容Ｃ，考虑了在ＥＶ和ＨＥＶ 上瞬态电流情况的产生；②不仅考虑了由电现象所产生电阻和电容现象，而且考虑了由电池中水的电解所产生电阻和电容现象，以及由温度所带来的其他影响。 该模型虽然考虑了一些非线性因素，但是其参数是不随时间变化的，且在推导开长安大学硕士学位论文路电压时要假设在～个很短的时间间隔内，充放电电流是随时间变化的，而电动 汽车匀速行驶过程中要求恒流放电，因此该模型的实用性也较差。 ２．８．３四阶动态模型０３３ｌ 蓄电池模型分静态模型和动态模型两种。上述的模型均为静态模型，对于恒 流和电流变化平缓的充放电过程能很好的描述；但对于车载的蓄电池而言，由于 汽车负载的不断变化，电流剧烈变化（如启动、上下坡阶段），此时静态模型效果 不佳。正基于此，Ｇｉｇｌｉｏｌｉ，Ｃｅｒｏｌｏ Ｐ等人提出了四阶段动态等效模型，如图２．８所示。这个模型是比较经典的蓄电池等效模型，使用也较为广泛【３４１。该模型把蓄电池描 述成一个等价的电路网络。电路结构主要由两个分支电路组成：①主分支电路（厶 走向）：主要考虑蓄电池内部的欧姆效应（ｍ），能量散发（Ｒｗ）和电极反应（如）等现象；②辅分支电路（厶走向）：主要考虑水解反应（当Ｌ≥‘时）和自放电现象（当Ｌ＝Ｌ时）。 在图２．９的电路中，Ｇｉｇｌｉｏｌｉ等人对四阶动态模型进行了进一步改进，考虑了 蓄电池内部电化学极化和浓度极化效应，将图２．８中的Ｒ，具体化为心。、亿：、冠。、 Ｒ：等，同时在决定其参数的时候考虑了温度的影响，充分考虑了蓄电池充放电过程的复杂性。图２．８四阶动态响应等效模型第２章蓄电池特性研究及建模仿真图２．９考虑各种极化作用的四阶动态等效模型 四阶动态等效模型把蓄电池看作一个以电流为输入，以电压作为输出的动力学系统，采用４个状态变量来描述：Ｑ表示蓄电池用掉的电矿△丁：７一互表示电解液与环境的温度之差，厶和Ｌ表示能量转换电流和能量发散电流。 在此模型中，荷电状态ＳｏＣ和放电深度Ｄｃｈ定义如下：ＫＣ’（ｎ ＳｏＣ＝Ｉ朋Ｑ．两Ｄ曲＝Ｉ（２．１５）、Ｌ“Ｑ。万（２．１６）其中，丁为温度，Ｌ为可变电流，ｃ．（丁）是与温度有关的蓄电池的电容量：Ｃ．∽＝Ｃ０（１－争数，Ｃ（Ｉｍ，丁Ｊ是与电流和温度有关的电容量，其定义如下：（２．１７）其中，弓为电解液的冰点温度，Ｃｏ为蓄电池在零度时的电容量，万为经验参ｃ以驯：―！盟≮一１＋ｆ，Ｋ一１夕Ｉ南ｒ（２．１８）此模型考虑的因素比较周全，对蓄电池的机理、能量的走向表达得很清楚，能够得到的结果比较令人满意，是经典蓄电池等效模型中准确性较好的一个模型。 但该模型阶数较高，计算比较困难，所需时间很长，不易进行实时的计算处理；而且模型的建立需要大量经验参数，需要进行大量的实验，使模拟过分复杂化，给使用带来困难。２６长安大学硕士学位论文２．９三阶蓄电池模型及其仿真综合２．８中各个模型的特点，蓄电池的建模既要能较好地反映蓄电池的充放电过程，又不能过于复杂，所以我们在参考国内外资料基础上，对上述模型进行改 进，建立了三阶蓄电池模型１３５１，并对其进行了仿真验证。该模型的结构如图２．１０。 它由主反应支路和寄生支路两部分组成，其中ＲＣ网络和电压源Ｅ－构成主反应支ｌ’’路，电流ＩＤ的走向为寄生支路。主反应支路考虑了电池内部的电极反应、能量散发和欧姆效应，寄生支路则主要考虑充电过程中的析气反应，并以代数形式表示。 其中环境温度Ｔａ和电池电流Ｉ为模型的输入变量，电池电压Ｖ、放出的电量Ｑｓ以及电解液温度Ｔ为模型的输出变量。模型的输入输出变量关系如图２．１１。图２．１０蓄电池三阶动态模型图２．１１模型输入输出变量关系图应用ＭＡＴＬＡＢ＼ＳＭⅡ，姗＜４．０对该线性模型进行仿真计算，仿真时间步长设为１ｓ，其模型的仿真结构如图２．１２所示。 同时选用某国产铅酸电池的第９单格进行相关实验。实验采用充电规范要求 的国际标准化两阶段恒流充电，对铅酸蓄电池进行充电分为三个过程：（１）充电电流１８Ａ（图中丁＝Ｄ叫，）；（２）充电电流９Ａ（Ｔ＝ｔｒ嘞）；（３）充电结束，电池 静置（弘幻～）。实验结果和模型的仿真结果如图２．１３所示，实验采集的数据与仿真模型仿真 的单格电压Ｖ和电解液温度Ｔ。比较如表２．３所示，其误差分析如表２．４所示。２７第２章蓄电池特性研究及建模仿真、，ａｌａｒ∞－ｃ●日图２．１２三阶蓄电池仿真模型结构图￡ｂ ＝它萼钙崮 掣 翟 魍 ■譬 摹舞 粤 ，１１０＂（１）图２．１３实验结果与仿真结果比较 表２．３实验数据与仿真数据比较表２．４实验数据与仿真数据的误差电压／Ｖ 温度／ｏｃ３．２１９ＩｌｌａＸ｛旧一ｘｌ’Ｉ｝，ｉ＝１，２，…，ｎ０．０６９０２８长安大学硕士学位论文通过对两者的对比分析发现使用三阶模型，当充电电流稳定时，仿真计算值 与实测值基本一致，虽然电流出现阶跃时，会出现一定的误差，但基本上符合ＧＢ／Ｔ １８３３２．１．２００１电动道路车辆用铅酸的要求【３６１。２．１０本章小结本章主要内容及结论： 结合电动汽车特点，分析了电动汽车对动力蓄电池的要求； 在阐述了电动汽车用动力蓄电池的种类、工作原理、技术参数等基础之上， 分析了其充放电特性、容量特性和温度特性； 总结传统蓄电池模型的基础之上，建立了三阶蓄电池模型，并通过试验和仿 真对其有效性进行了验证。第３章超级电容特性研究及建模仿真第３章超级电容特性研究及建模仿真３．１超级电容的发展及其在电动汽车中的应用前景‘３７ｌ１９５４年，Ｂｅｃｋｅｒ首先提出了关于双电层超级电容器的专利；日本ＮＥＣ电气公司和松下公司在２０世纪７０年代先后开发出了具有数法拉（Ｆ）容量并可快速充放电的双电层电容器“Ｓｕｐｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＂和“Ｇｏｌｄ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＂作为小型后备电源使用；８０年代末开始，随着数字电路的大量出现，双电层超级电容器开始步入了商业化阶段；进入９０年 代后期，电动车、太阳能装置、重型机械，军事航空等对电容的容量和功率提出了更高 的要求，在世界范围内出现了对大功率超级电容器的需求，世界上主要的工业国均开始 重视该类产品的研究，许多发达国家都已把超级电容器项目作为国家重点战略研究和开 发项目，并相继提出了近期和中长期发展计划，如１９９６年欧共体制定了镍镉电动汽车超级电容器的发展计划（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ Ｓｕｐｅｒ－ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ），美国能源部（包括美国军方）也制定了相应的发展超级电容器的研究计划，开发目标是要达到 １５００Ｗ／ｋｇ，循环使用寿命在１００００次以上。 电源是电动汽车的心脏，电源技术是电动汽车的关键技术。电动汽车对电源的要求 主要在能量密度、功率密度、循环寿命、充放电时间、价格费用、可靠性和安全性等方 面。由第二章中可以看到，传统动力蓄电池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用 以及寿命等方面存在一定的局限性，而超级电容器作为一个高功率、可在短时间内储存能量的装置，能够回收刹车时得到的能量，使之再次用于车辆的加速启动和爬坡过程中，使得主电源（电池、内燃发动机、燃料电池等）的容量大小缩减并在优化的状态下运行。因此，超级电容器在电动汽车领域有着广阔的应用前景，超级电容器将是未来电动汽车 开发的重要方向之一。３．２超级电容的储电原理、特性及分类超级电容器主要是通过电极／电介质界面双电层中的离子的吸附和脱附，或者电极表面的快速电化学反应，来实现能量的储存与释放的，电容器的最大充放电性能是由活性 物质表面的离子去向和电荷转移速度控制的。在整个充放电的过程中不涉及电极结构的 变化，也几乎没有氧化还原反应发生，同时在理想状态下，电极上也没有发生决定反应速度和限制电极寿命的活性物质的变化。因此，理论上超级电容器应具备很高的功率密 度和循环寿命。 与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点【３８】主要体现在：３０长安大学硕士学位论文（１）功率密度高：可达１０２～１０４Ｗ／ｋｇ，远高于目前蓄电池的功率密度水平；（２）循环寿命长：在几秒钟的高速深度充放电循环５０万次～１００万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低１呲０％；（３）工作温限宽：由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大，因此其容量变化远小于蓄电池。目前商业化超级电容器的工作温度范围可达－－４０ ℃～＋８０℃：（４）免维护：超级电容器充放电效率高，对过充电和过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电，在理论上是不需要进行维护的； （５）绿色环保：超级电容器在生产过程中不使用重金属和其它有害的化学物质， 且自身寿命较长，因而是一种新型的绿色环保电源。 从储电原理上，超级电容可以分为两大类： ■双电层电容器 双电层电容器是基于高比表面积碳材料与溶液间界面双电层原理的电容器。它可以 用Ｈｅｌｍｈｏｔｚ的双电层模型来说明。该模型认为电极表面的静电荷从溶液中吸附部分不规则分配的离子，它们在电极／溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层，如图３．１所示，由于界面 上存在位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，这样充电界面由两个电荷层组成，一 层在电极上，另一层在溶液中，因此称为双电层电容器。它是一种静电型能量储存方式， 电容器总电容为正负两极电容串联的结果。摩自主圆密 向量占弱‘、． ．Ｊ｜ｆ’冬．．／‘＼．ｂ．有外加电源电源ａ形卜加电源电压＿法拉第准电容图３．１双电层电容原理图法拉第准电容的电极中包含二维（如氢或一些金属（Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃｕ））或准二维（如多３ｌ第３章超级电容特性研究及建模仿真孔过渡金属氧化物Ｒｕ０２，Ｉｒ０２等）材料，在充放电过程中，电极表面发生的是电沉积或 氧化还原过程。这种电容的储能方式不再是单纯的物理储能，而是与蓄电池一样发生了 法拉第电荷传递的电化学变化过程。但是其充放电却具有电容特性：①两极电位与电极 上施加或释放的电荷几乎呈线性关系；②如果该系统电压随时间呈线性变化ｄＷｄｔ＝Ｋ，则会产生恒定或几乎恒定的电流１＝Ｃ?ｄＶ／ｄｔ＝Ｃ－Ｋ。法拉第准电容不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极表面积下，法拉第准电容可以是双电层电容量的 １０－－，１００倍。３．３超级电容主要参数例＿额定电压Ｖｗ：超级电容的最高工作电压。－电流ＩＬ：对超级电容充电后，为使电容器在某一电压处于稳定状态而从外部施 加的一个电流。＿时间常数ＲＣ：如果把一个超级电容模拟为一个电荷和一个电阻的简单串联组 合，则电容和电阻的乘积便为时间常数。 ＿等效串联电阻：当一个超级电容被模拟为包括电感、电容、电阻的等效模拟电 路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。一静电容量：对超级电容进行恒流放电时，其放电电量与放电电位变化值的比值。－理想存储能量：超级电容存储能量的理想值，是超级电容从额定电压起进行恒 流放电至１／２额定电压时止所累积放出的能量。对一个简单的电化学电容，其理想存储 能量值可以通过０．５ＣＶｗ２计算。＿平均放电功率：平均放电电流和平均放电电压的乘积。?最大输出功率：当超级电容外接一个合适的负载时，其可以达到的最低输出功 率，计算公式为Ｖ２／（４Ｒ），Ｖ为超级电容初始电压，Ｒ为超级电容等效串联电阻。－放电效率：一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入能量的百分比。?电压保持能力：将超级电容恒流充电至额定电压，再以额定电压恒压充电３０ｍｉｎ，然后在室温条件下开路静置７２ｈ后，超级电容端电压与额定电压的比值。３．４超级电容特性分析３．４．１超级电容充放电特性１３７１ 超级电容的充放电曲线如图３．２所示，电压和时间呈指数和负指数关系。它充电初３２长安大学硕士学位论文期比较缓慢，后期比较快；而在放电初期比较快，后期渐渐变缓，而电动汽车要求快速 充放电，以减缓对蓄电池的大电流冲击，所以电压不能下降到零再进行充电，单体超级 电容的工作状态只能是图３．２中的ａ到ｃ这一段，然后循环往复，不断地进行充放电。充放电时阅（墨） 图３．２电容的充放电曲线３．４．２超级电容充放电效率特性 假设超级电容以恒定的电流Ｉ充放电，经时间ｔ，超级电容的电量从Ｑ１到Ｑ２，电压 从Ｕｌ到Ｕ２，则该超级电容储存／释放的能量Ｅ为：Ｅ：三鲤＝鲍２ｔ㈨）此时超级电容器的内阻ＲＣ消耗的能量ＥＲ为：乓：１２Ｒｃｔ＝掣也ｆ（３．２）定义超级电容时间常数ｒ－－ＲＣ，充放电深度夕＝Ｕ／Ｕ２（充电）或夕＝Ｕ２／Ｕｔ（放电）， 由（３．１）（３．２）得充电效率刁。和放电效率刀ｄ关系式为：仉２再瓦２万硒习而 仉＝两Ｅ＝而石丽ｔ铲竽４≯器，Ｄ十』娜） （３．３）ｎ４，其中ｒ为时间常数，ｔ为充放电时间，夕为放电深度。 一般超级电容放电电压是从Ｖｗ降到１／２Ｖｗ，效率较高，此时的放电深度∥＝ｏ．５。从 夕＝０．５开始，超级电容器放电时，对于相同的放电时间常数，超级电容的效率随放电深 度增大而减小，随放电时间ｔ增大而增大。对于相同的夕，刀。永远大于ｒ／ｄ；同时ｒ越 小，相同放电时间效率也越高，并且基本上接近：但随着ｆ的增大，偏差迅速增大。 综上所述，在选择超级电容器时，要综合考虑效率和时间常数之间的匹配关系，根 据电容器的成本随着时间常数的增大而增大的原则，在不影响使用要求的前提下，应尽 可能的使用时间常数小的超级电容器，此时充放电时间可以设计为相等。３３第３章超级电容特性研究及建模仿真３．４．３超级电容的内阻特性１４０Ｉ超级电容等效内阻（Ｒｉ）主要由电极内阻、溶液内阻和接触电阻组成【４１１。在实验室对超级电容进行恒流一恒压循环实验时发现，在充电结束转向放电时，电 容端电压会突然回落；而在放到结束转向充电时，电容端电压会突然上升。这是因为恒 压充（放）电结束前，充（放）电电流已经很小，可以忽略等效内阻的电压降，电路端 电压骗近似等于电容电压Ｕ；接下来在进行恒流充放电开始后，电流很大，内阻引起 压降％不能忽略，造成电压明显下降（上升）。测出充电时电压上升值ＡＶ。ｈ和放电时电压下降值ＡＶｄ。ｈ，可以认为他们是内阻压降引起的。这样可以计算充电等效内阻＆ｈ和放电等效内阻凡ｃｈ。屯：华数据（来源于ＮＲＥＬ）。‰：监－／）５．３（Ｒｉ也是电流和温度的函数。表３．１为Ｍａｘｗｅｌｌ ＰＣ２５００超级电容的一组等效内阻试验表３．１不同工作温度和电流下的等效电阻ⅣｍＱ３．４．４超级电容的容量特性 超级电容本征容量的定义如下ｃ＝万Ｉｄｔ对本征容量的标定常采用如下方法：（３．６）ｃ：盟：丝ｙ哪ｙ懈 放出的电荷量，在理想情况下它们是相等的。（３．７）Ｖ一为电容充满电时的工作电压，Ｑ。ｈ和Ｑｄｃｈ分别表示完全充电和放电时，充入和实验室条件下通常采用恒流一恒压循环测试的方法对容量进行标定，即先以恒定电流Ｉ充电至电压上限Ｖ一，并在此电压下继续充电一定时间（如１０Ｓ）；充电结束后转向放电，维持放电电流至电压下限Ｖｒｎｉｎ，再在此电压下放电一定时间。通过这样的试验可长安大学硕士学位论文以测出充电电量Ｑ。ｈ和放电电量Ｑｄｃｈ，取平均值Ｑ，用Ｃ＝Ｑ／Ｖｎｍ计算本征容量。 超级电容本征容量与充放电电流和电解液温度有关，即Ｃ＝Ｃ（Ｔ，Ｉ）。表３．２为Ｍａｘｗｅｌｌ ＰＣ２５００超级电容器的一组实验数据，数据来源于美国国家可再生能源实验室（ＮＥＲＬ）。 根据此表，然后利用插值表的方式可以方便获得任何温度和电流下的本征容量值。表３．２不同工作温度和电流下的本征电容量Ｃ／Ｆ３．４．５超级电容组的选择 由于单体超级电容工作电压比较低，一般情况下是将若干个单体串并联起来，形成超级电容组，作为电动汽车的辅助电源。超级电容组的线性充放电性能较好，电压和时 间呈线性关系。电动汽车应用超级电容的目的就是快速充放电，所以超级电容的容量要 满足一定的充放电时间，《ＧＢ厂ｒ １８３８６．２００５电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》要求在整车峰值功率处加速持续时间市区工况下为２６ｓ，市郊工况下为４Ｉｓ，由图３．３可知ＭａｘｗｅｌｌＰＣ２５００３６００Ｆ超级电容组在电压下降到额定电压一半之前，可以维持１００Ａ电流恒定放电１００ｓ左右，不但可以保证峰值功率处较长时间加速，而且还能提供足够 的制动能量回收。由图３．３可知，以１００Ａ恒电流充电时的电压特性，超级电容大电流充电迅速，效率较高。Ｉ － ● ● ● ●－Ｉ ● ● ● －－Ｉ ● ● － －Ｉ● Ｉ － ● ●；● Ｉ ● ● ●；● ● ● ● ●麟． ‘≮ｊＡ１．?－－ｑ－－－－ｏ＼、＼、ＪＤ甜≮！、ｆｆＰ Ｉ．、弋≮‘＼、．‘◇３５ｉ＼；＼．图３．３超级电容组充放电曲线第３章超级电容特性研究及建模仿真３．５超级电容模型的建立及仿真根据上述章节的超级电容特性，超级电容数学模型如下：本征容量：Ｃ＝Ｃ（Ｔ（ｔ），Ｉ（ｔ）），通过试验获得； 等效内阻：Ｒｉ＝Ｒｉ（Ｔ（ｔ），Ｉ（ｔ）），通过试验获得；充放电功率：Ｐ（ｔ）＝Ｕｏ（ｔ）木Ｉ（ｔ）－－［Ｕ（０－－Ｉ（ｔ）Ｒｉ（Ｔ，Ｉ）］木Ｉ（ｔ）；单体蚯坼妒删一嬲；荷电熵ＳＯｃ何＝笋势；充电效率：仇：下―－』兰竺鳖；【‘［ｑ（ｆ）一ｔ（ｆ）Ｒｙ。（ｔ）ｄｔ放电效率：％：―ｆｓ―［Ｕ＿ａ（－ｔ）―＿ｌ―ａ（―ｔ）Ｒ型ｄ］ｉａｄ；Ｕａ（ｔ）ｌａ（ｔ）ｄｔ式中ｃ代表充电，ｄ代表放电。 以ＮＥＲＬ的Ｍａｘｗｅｌｌ ＰＣ２５００超级电容试验数据为基础，用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立一个超级电容组（１４９个单体超级电容串联起来，单体超级电容电压上限２．５Ｖ，电压下限１．２５Ｖ， 初始荷电状态值为Ｏ．８）的仿真模型，并对其进行一个循环的等功率充放电仿真。其仿 真模型如图３．４，当输入一个等功率放电一充电循环曲线（如图３．５），模型输出中的荷电状态变化和电流变化如图３．６。图３．４超级电容的仿真模型长安大学硕士学位论文奢菱鼍锌罾 疆。破伤真埘嘲ｆ／ｓ 图３．５一个循环等功率放电充电曲线茧杂蒌糍伤嚣时弼，，ｌ图３．６荷电状态和电流变化曲线从图３．６可以看出，放电时荷电状态ＳＯＣ值下降，充电时ＳＯＣ值升高。由于内阻 损耗的存在，ＳＯＣ随时间的变化不是绝对线性关系，呈近似线性关系，并且最终ＳＯＣ 值回到近似Ｏ．７７左右，相对初值０．８降低了一些：放电时电流增大，充电时电流减小， 这是由于放电时ＳＯＣ值降低电压降低，充电时ＳＯＣ值升高电压升高，为维持４００Ｗ功率， 电流需相应变化，同时由于内阻损耗的缘故，电流变化呈近似线性关系。３．６本章小结本章主要内容及结论： 概述了超级电容的发展里程，并对其储电原理、参数进行了分析； 对超级电容的充放电、内阻、容量等特性进行了较为深入的分析与研究； 结合试验，建立了超级电容的仿真模型，并进行了初步的仿真验证。３７第４章蓄电池超级电容复合电源结构分析及建模第４章蓄电池／超级电容复合电源结构分析及建型研究表明，复合电源的比功率会比蓄电池的比功率明显变大，比能量比超级 电容的比能量大，通过合理的匹配可以使电源的负载适应能力有较大提高，并具 有良好的脉冲特性，能够降低蓄电池内部损耗、延长放电时间、增加使用寿命，改善电源可靠性和经济性［４２，４３】。４．１复合电源特性４．１．１复合电源的连接形式。删 超级电容与蓄电池的并联一般有三种方式，包括直接并联，通过电感器并联， 以及通过功率变换器并联。直接并联结构、电感器并联结构中超级电容组的端电压必须强制和蓄电池组保持一致，其组合方式和容量利用率受到很大限制；功率 变换器并联结构如图４．１，它可以使蓄电池组和超级电容组的端电压不同，增加了 设计灵活性；同时也可以通过功率变换器使蓄电池的输出电流限定到安全可靠的 范围，因而能够大大提高系统功率：而且在此情况下，蓄电池基本上以恒流输出 方式工作，优化了蓄电池的放电过程。因此，现阶段的电动汽车中复合电源的连 接方式普遍采取此方式。网ｌｏ＿＿＿－ｏ■ｏ－＿ｌ一＇－－＿＿－ｏ’ｏ－＿＿－＿一ｌ燃线审ｌ网４．１．２复合电源的工作模式 复合电源的工作模式：在低功率要求时，蓄电池满足电机的功率要求，或者 满足电机功率要求的同时给超级电容充电；在高功率要求时，蓄电池和超级电容 同时满足电机的功率要求；在制动时，超级电容回收制动能量，或者在电容不能再回收时由蓄电池回收能量。其基本的工作模式如图４．２所示。具体的复合电源功 率分配策略见下一章。３８长安大学硕士学位论文绷途，耙竣匝三＇一‘●■■－－＿＿＿●＿＿＿＿－－＿－＿‘＿●－＿－＿＿－制动＿厂Ｆ皱图４．２复合电源工作模式４．２复合电源结构特点４．２．Ｉ复合电源的组成 蓄电池超级电容复合电源主要由蓄电池、超级电容、ＤＣ／ＤＣ功率变换器、功 率总线、控制策略等几部分组成，如图４．３所示。由于蓄电池超级电容已在前两章中作过介绍，控制策略将在下章中详细介绍，所以本节仅对ＤＣ／ＤＣ变换器和功率总线进行介绍。警电泡能够握供的功积车辆图４．３复合电源的组成结构４．２．２ＤＣ／ＤＣ变换器工作原理 功率变换器ＤＣ／ＤＣ是超级电容与功率总线之间的一种周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给超级电容的电压，实际上是作为一个电压调节系统而 工作的。由于采用斩去输入电压而变成在时间上断续的脉冲输出，这类调节器又 可叫做斩波器，它们大多采用ＩＧＢＴ功率半导体器件等作为电子开关。控制超级电容的ＤＣ／ＤＣ功率转换器要求具有体积小、重量轻、结构紧凑、工作可靠、效率高、 造价低的特点。３９第４章蓄电池／超级电容复合电源结构分析及建模依据超级电容工作状态要求，功率转换器ＤＣ／ＤＣ要有双向升降压变换的功能， 其主回路拓扑结构如图４．４所示。越级电容ＯＣ－－ＤＣ变换器蓄电池图４．４ＤＣ／ＤＣ变换器与蓄电池连接示葸图ＤＣ／ＤＣ变换器为升降压型，即：当超级电容的电压低于蓄电池的端电压时， ＤＣ／ＤＣ变换器通过工作电路抬升输出电压，使超级电容和蓄电池符合匹配工作条 件。同时，当超级电容的容量不足时，蓄电池会向超级电容进行充电，经过ＤＣ／ＤＣ 变换器的降压电路使得超级电容达到能量饱和状态。在升压模式中，ＳＷ２始终处于断开状态，当ＳＷｌ在控制周期内开关时，可以从超级电容到电池组输出端传输所需的能量。当ＳＷｌ接通的时候，能