純電動客車超級電容儲能系統(tǒng)研究與計(jì)算界面設(shè)計(jì)

徐林勛，高 松

（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博255091）

超級電容電池與其它電池相比具有充電時(shí)間短、充放電循環(huán)壽命長、功率密度高以及可靠性高等特點(diǎn)，如今被廣泛應(yīng)用于純電動汽車的能量供應(yīng)系統(tǒng)［1]．超級電容作為汽車的儲能裝置，在整車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，其單體電池的排列連接方式不僅要滿足整車的性能要求（包括汽車的最高車速、爬坡度、續(xù)駛里程），而且還要滿足純電動汽車在制動能量回收過程中在確保電池安全的基礎(chǔ)上能夠盡可能儲存較多制動能量的要求．

本文在對超級電容的儲能原理進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，基于能量約束法對超級電容儲能陣列的容量以及連接方式進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)，并根據(jù)此方法通過MATLAB／GUI開發(fā)儲能系統(tǒng)計(jì)算界面，以在線得到滿足整車性能以及儲能要求的電池組陣列連接方式，為純電動客車的開發(fā)設(shè)計(jì)提供有效的工具．

1 超級電容儲能系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

在能量回收過程中，純電動容車超級電容儲能系統(tǒng)的主要作用是快速、有效地吸收更多的制動能量．為了滿足要求，超級電容儲能系統(tǒng)必須有足夠的容量來儲存最大制動能量，同時(shí)為了滿足超級電容儲能過程中的安全性要求，還要考慮再生制動過程中的峰值功率．

1．1 再生制動能量計(jì)算和峰值功率計(jì)算

純電動客車在制動過程中，最大制動能量為［2]

式中：E為再生制動能量（J）；m為車輛質(zhì)量（kg）；V0為制動初速度（m／s）；V1為制動末速度（m／s）；Fr為車輛運(yùn)行阻力（N）；s為制動距離（m）；Ff為車輛滾動阻力（N）；Fw為車輛空氣阻力（N）；Fb為車輛制動過程機(jī)械制動力（N）．

純電動客車整車技術(shù)要求見表1．一般要求汽車行駛速度為40～50km／h，汽車處于非緊急制動過程，即加速度一般在1．0～1．2m／s2［3]時(shí)制動能量才能被回收利用．為了計(jì)算方便，設(shè)汽車初始速度為50km／h，末速度為0，制動減速度維持在恒定值即1．0m／s2，則汽車行駛過程中總的阻力為Fr＝ma＝12kN．由于在制動過程中制動力中只有機(jī)械制動力消耗能量，而電制動力轉(zhuǎn)化為能量儲存在動力電池中，所以根據(jù)傳統(tǒng)汽車運(yùn)行特點(diǎn)一般取阻力值為8kN．由于

根據(jù)（1）～（4）式，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)余量，選取超級電容組所能儲存的最大能量為400kJ；儲能系統(tǒng)所能吸收的最大峰值功率為200kW．

表1 整車技術(shù)參數(shù)要求

1．2 超級電容儲能陣列設(shè)計(jì)

本文基于能量約束法進(jìn)行超級電容儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)．能量約束法是指根據(jù)需要吸收的能量來設(shè)計(jì)超級電容組的容量．根據(jù)超級電容器的能量公式可知，超級電容單體可儲存（或釋放）的能量為［4]

式中：C為超級電容的額定容量（F）；Un為超級電容額定電壓（V）；U0為超級電容充電開始電壓（V）．

超級電容放電深度為

由式（5）和式（6）可得超級電容單體可儲存的能量為

因此，超級電容組的儲能陣列可由汽車制動時(shí)需吸收的能量和單體電容的儲能容量表示，即

式中：P為超級電容組并聯(lián)個(gè)數(shù)，S為超級電容組串聯(lián)個(gè)數(shù)，E為再生制動能量，η為制動能量轉(zhuǎn)換效率，且

式中：η1為機(jī)械傳動部分效率，在一定轉(zhuǎn)速內(nèi)其值可以認(rèn)為是定值，取機(jī)械傳動效率為0．9［5]；η2為電機(jī)發(fā)電效率，在制動過程中發(fā)電效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化而變化，但在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為恒定，取發(fā)電效率為0．92；η3為電池充電效率，對于動力電池來說制動能量回收對應(yīng)短時(shí)間的大電流充電，其值可以認(rèn)為恒定，取電池充電效率為0．85．

因此，超級電容選用參數(shù)為：電容值1 500F，單體額定電壓1．3V，放電深度60%，則根據(jù)式（7）計(jì)算得到的單體超級電容的儲存能量為1064．7J．

根據(jù)式（5）～式（9）可得：超級電容儲能系統(tǒng)陣列排列連接應(yīng)滿足：P×S≥264．

2 超級電容連接方式選擇

2．1 連接方式選擇

對于P×S陣列的超級電容儲能系統(tǒng)，通常有兩種基本的連接方法：一種是先將S個(gè)超級電容單體串聯(lián)組成子系統(tǒng)，然后再由P個(gè)子系統(tǒng)并聯(lián)組成整個(gè)超級電容組，如圖1所示；另一種是先將P個(gè)超級電容單體并聯(lián)組成子系統(tǒng)，然后再由S個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)組成整個(gè)超級電容組，如圖2所示．不同的連接方式對連接的可靠性和超級電容器的容量分散度都有很大影響．

圖1 先串聯(lián)后并聯(lián)的儲能系統(tǒng)連接圖

先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式中，各串聯(lián)支路之間獨(dú)立，當(dāng)某一支路中的某一個(gè)電容單體出現(xiàn)故障或容量嚴(yán)重衰退時(shí)，將導(dǎo)致這一支路不能參與儲能，擴(kuò)大了故障面積；先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式中，某一電容單體出現(xiàn)故障時(shí)，其對并聯(lián)支路的等效單體電容值的影響隨著并聯(lián)個(gè)數(shù)的增加而降低，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性［6]．

圖2 先并聯(lián)后串聯(lián)的儲能系統(tǒng)連接圖

2．2 動力電池陣列值計(jì)算

P和S的值需根據(jù)超級電容組的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選取，除了要滿足上面超級電容陣列規(guī)模外，還要考慮電池組總電壓、電池組總?cè)萘恳约半姵爻杀救齻€(gè)方面，所以P和S的選擇變成了尋優(yōu)過程．

根據(jù)整車?yán)m(xù)駛里程數(shù)即以40km／h勻速行駛，其行駛里程不小于120km及所需功率和能量計(jì)算公式

得出：所需電池功率Prod＝27．75kW，所需電池能量Wrod＝2．997×108J．

根據(jù)并聯(lián)動力電池電壓不變、容量相加，而串聯(lián)動力電池電壓相加、容量不變，以及電池所需滿足的整車技術(shù)性能要求來確定約束條件．

目標(biāo)函數(shù)：以電池成本最小為目標(biāo)函數(shù)．

約束條件：以超級電容陣列規(guī)模、電池組總電壓以及電池總能量為限制條件．

建立尋優(yōu)計(jì)算模型：

因?yàn)橐笳嘦total＝500V，Uone＝1．3V，所以由式（12）和式（13）得出：S≥385且P≤1，即超級電容電池組不需要并聯(lián)連接，只需采用385塊單體電池串聯(lián)連接即可滿足整車技術(shù)要求．實(shí)際整車儲能系統(tǒng)由380塊單體蓄電池串聯(lián)組成．

3 超級電容儲能系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

Matlab／GUI圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對象（Objectj）構(gòu)成，用戶可通過一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動作或變化［7]．

圖3 電動客車超級電容儲能系統(tǒng)計(jì)算界面

Matlab／GUI是一種有別于其它用戶界面設(shè)計(jì)的新型界面開發(fā)方式，無需書寫大量的程序．除了使用M文件來創(chuàng)建GUI對象之外，Matlab還為用戶開發(fā)圖形界面提供了一個(gè)方便高效的集成開發(fā)環(huán)境——Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（matlab graphical user interface development environment，簡稱GUIDE），其主要是一個(gè)界面設(shè)計(jì)工具，進(jìn)行交互式的界面設(shè)計(jì)．GUI是MATLAB對象，因此它可以調(diào)用MATLAB中任何函數(shù)以及仿真模塊．

通過輸入整車的要求參數(shù)以及電池的性能參數(shù)，可在線計(jì)算儲能系統(tǒng)陣列，結(jié)果如圖3所示．

4 結(jié)束語

本文基于能量約束方法設(shè)計(jì)了超級電容儲能系統(tǒng)，并利用Matlab／GUI開發(fā)了儲能系統(tǒng)計(jì)算界面，通過計(jì)算界面可以快速得到滿足整車設(shè)計(jì)要求的儲能陣列排列方式．實(shí)際路況測試表明，運(yùn)用此方法設(shè)計(jì)的超級電容儲能系統(tǒng)可以滿足整車各項(xiàng)性能要求．

［1] Pandolfop A G，Hollenkamp A F．Carbon properties and their role in supercapacitors［J] ．Journal of Power Sources，2006，157（1）：11－27．

［2] 尹安東，趙韓，張炳麗．微型電動轎車制動能量回收及控制策略的研究［J] ．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（11）：1 760－1 761．

［3] 趙軒．電動汽車制動能量回收系統(tǒng)仿真與控制器設(shè)計(jì)［D] ．西安：長安大學(xué)，2010．

［4] 張慧妍，齊智平．超級電容器儲能單元設(shè)計(jì)分析［J] ．電源技術(shù)，2006（4）：322－324．

［5] 唐鵬，孫駿．電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)再生制動特性分析與仿真［J] ．移動電源與車輛，2006（4）：37－39．

［6] 馮晶晶．基于超級電容的再生制動能量吸收利用技術(shù)研究［D] ．南京：南京航空航天大學(xué)，2010．

［7] 陳垚光．精通MATLAB GUI設(shè)計(jì)［M] ．北京：電子工業(yè)出版社，2008．