畢業(yè)論文---混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在公交車上的應(yīng)用

1、<p>　　混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在公交車上的應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電能是人類生活中最重要的能源。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了更高要求。在提高電能質(zhì)量方面，儲(chǔ)能元件正發(fā)揮著越來越大的作用。本文中對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了研究。超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能元件，有儲(chǔ)電能力高，功率密度大的優(yōu)

2、點(diǎn)，可以快速充放電，而且壽命長，是高效實(shí)用的儲(chǔ)能元件。文中對(duì)電能質(zhì)量問題的現(xiàn)狀和超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理，建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對(duì)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真分析。</p><p>　　根據(jù)超級(jí)電容器的應(yīng)用實(shí)例，本文設(shè)計(jì)了基于混合型超級(jí)電容器的電動(dòng)車混合動(dòng)力電源系統(tǒng)，以提高動(dòng)力電源的輸出特性，實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化匹配。為超級(jí)電容器在電動(dòng)車

3、中的應(yīng)用進(jìn)行了初步地探索。</p><p>　　關(guān)鍵詞：混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，超級(jí)電容器，蓄電池，仿真</p><p>　　MIX STORED ENERGY SYSTEM’S ON PUBLIC TRANSPORTATION APPLICATION </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　P

4、ower is the most important resource in our daily life. Higher power quality has been requested by commercial and industrial customers with the rapid development of economics and technology. Power storage equipments play

5、a very important role in improving the power quality. Super capacitor is a new power storage quipment with the advantages of high power capacity, high energy density, rapid charging and discharging process, and virtually

6、 unlimited cycle life. The power storage technique in super</p><p>　　As an example of the application for super capacitors,we design a battery super capacitor hybrid power sources so as to achieve optimal po

7、wer performance of the power source ,it is necessary to explore the application of super capacitor on electric vehicle.</p><p>　　KEY WORDS：hybrid energy storage, super capacitor，MPPT，simulation</p>&

8、lt;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　第一章 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)1</p><p>　　1.1混合動(dòng)力汽市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1</p><p&

9、gt;　　1.1.1混合動(dòng)力汽市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2混合動(dòng)力汽車發(fā)展趨勢(shì)3</p><p>　　1.2 復(fù)合電源的技術(shù)及優(yōu)勢(shì)4</p><p>　　1.2.1復(fù)合電源的優(yōu)勢(shì)4</p><p>　　1.2.2超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展5</p><p>　　1.2.3復(fù)合電源研究的意義8&l

10、t;/p><p>　　第二章 電源特性介紹及復(fù)合電源建模9</p><p>　　2.1 蓄電池特性及影響因素9</p><p>　　2.1.1蓄電池的充放電特性9</p><p>　　2.1.2蓄電池的溫度特性10</p><p>　　2.1.3混合動(dòng)力車用蓄電池的選擇10</p><p>

11、;　　2.1.4蓄電池的容量特性12</p><p>　　2.2超級(jí)電容器特性及影響因素12</p><p>　　2.2.1超級(jí)電容器的分類12</p><p>　　2.2.2超級(jí)電容主要參數(shù)15</p><p>　　2.2.3超級(jí)電容模型16</p><p>　　2.2.4超級(jí)電容的充放電特性18<

12、/p><p>　　2.2.5超級(jí)電容的溫度特性20</p><p>　　2.2.6超級(jí)電容器的電量狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)20</p><p>　　2.3 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的介紹21</p><p>　　2.3.1常用雙向DC/DC拓?fù)浞治雠c選型22</p><p>　　2.3.2 DC/DC變換器工作原理24</

13、p><p>　　2.4 本章小結(jié)27</p><p>　　第三章 復(fù)合電路結(jié)構(gòu)及復(fù)合系統(tǒng)參數(shù)匹配28</p><p>　　3.1復(fù)合電源的基本結(jié)構(gòu)和工作原理28</p><p>　　3.1.1復(fù)合電源的基本結(jié)構(gòu)28</p><p>　　3.1.2 復(fù)合電源的工作原理28</p><p>　

14、　3.2 復(fù)合系統(tǒng)的匹配參數(shù)優(yōu)化30</p><p>　　3.2.1 蓄電池和超級(jí)電容電量狀態(tài)控制參數(shù)32</p><p>　　3.2.2 電容充放電功率系數(shù)fchg32</p><p>　　3.2.3 電容能量利用系數(shù)K33</p><p>　　3.2.4 電池功率最大變化率33</p><p>　　3.3

15、 SOC 估算模型的建立33</p><p>　　3.3.1 SOC模型的構(gòu)成34</p><p>　　3.3.2 初始 SOC 的估算34</p><p>　　3.3.3 過程 SOC 的估算35</p><p>　　3.3.4 蓄電池 SOC 估算模型的建立35</p><p>　　3.3.5 SOC 的

16、估算策略36</p><p>　　3.4 本章小結(jié)37</p><p>　　第四章 電池的性能仿真及分析38</p><p>　　4.1混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)38</p><p>　　4.2鋰離子電池的性能39</p><p>　　4.3混合電源的仿真40</p><p>　　第五章

17、結(jié)論41</p><p>　　5.1全文總結(jié)41</p><p>　　5.2思考和展望41</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p><b>　　致 謝45</b></p><p>　　附錄一：外文原文46</p>&l

18、t;p>　　附錄二：外文譯文57</p><p>　　第一章 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)</p><p>　　1.1混合動(dòng)力汽市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)</p><p>　　1.1.1混合動(dòng)力汽市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了全球機(jī)械、能源等工業(yè)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)、交通等方面的發(fā)展。但是，汽車在造福于人類的同

19、時(shí)，也帶來了很大的弊端。每年環(huán)境污染中有一半以上的污染直接來自于汽車尾氣的排放，內(nèi)燃機(jī)汽車造成的污染日益嚴(yán)重，尾氣、噪聲對(duì)環(huán)境造成的破壞，已經(jīng)到了必須加以控制和治理的程度，這種情況在我國尤為突出，而且內(nèi)燃機(jī)汽車以燃燒油料、天然氣等寶貴資源為動(dòng)力，我國人口眾多，人均能源資源占有量不到世界平均水平的1/2，石油僅為1/10。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國未來能源缺口將越來越大。石油進(jìn)口依存度（凈進(jìn)口與消費(fèi)量之比）由1995年的6.6%上升為2

20、000年的20%，預(yù)計(jì)2010 年將上升為23%。內(nèi)燃機(jī)汽車造成的環(huán)境污染以及對(duì)資源的消耗，極大地威脅著人類社會(huì)的健康與生存。隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲，尋找新型能源和可替代能源已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展的必經(jīng)之路。新一代電動(dòng)汽車作為無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。</p><p>　　電動(dòng)汽車以電力驅(qū)動(dòng)，行使無排放（或低排放），噪聲低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機(jī)汽車

21、高得多。同時(shí)，電動(dòng)汽車還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（可以直接利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、顯示可控制）、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。依據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)汽車被認(rèn)為是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的替代品，成為當(dāng)今世界追逐的熱點(diǎn)。然而，由于現(xiàn)有電池技術(shù)還不能滿足電動(dòng)汽車對(duì)電池系統(tǒng)能量密度和功率密度還有壽命的要求，電動(dòng)汽車的性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到推廣應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。因此，常規(guī)純電池電動(dòng)車在短期內(nèi)替代內(nèi)燃機(jī)汽車的可能性微乎其微，但作為輔助能源和有限范圍內(nèi)運(yùn)輸工具有很大的市

22、場(chǎng)空間。</p><p>　　混合動(dòng)力汽車近年來發(fā)展很快，其中電池技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵問題。其所用到的超級(jí)電容器早期有兩個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，第一個(gè)是當(dāng)主能源能量不足時(shí)，充當(dāng)臨時(shí)備用電源和短時(shí)間供電的應(yīng)急電源。在這個(gè)應(yīng)用中超級(jí)電容器充當(dāng)了電池的角色，即當(dāng)主電源失效時(shí)，作為備用能源的超級(jí)電容器充當(dāng)主電源使用。超級(jí)電容器的第二個(gè)主要用途就是充當(dāng)峰值功率電源。在這些應(yīng)用中，超級(jí)電容器為系統(tǒng)單獨(dú)提供所需的峰值功率。</p

23、><p>　　電源或與電池一起在連續(xù)工作時(shí)提供穩(wěn)流低功率電源，而在峰值負(fù)載時(shí)提供一個(gè)高功率脈沖。在這里，超級(jí)電容器減弱了用電器對(duì)電池提供峰值功率的要求，這樣就可以大大延長電池的壽命，并減小了電池的整體尺寸。表1-1是超級(jí)電容器的主要應(yīng)用領(lǐng)域。超級(jí)電容器常常作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制輔助電源和應(yīng)急發(fā)電機(jī)中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源。</p><p>　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制應(yīng)用中，超級(jí)電容器作為在極端環(huán)境條件下

24、的應(yīng)急系統(tǒng)的可靠、免維護(hù)后備能源。將其安裝在扇葉旁的機(jī)艙內(nèi)。在這個(gè)應(yīng)用中，已存在幾千個(gè)組件，每個(gè)都有30余個(gè)電容器串聯(lián)，可提供3年多的全年全天候可靠服務(wù)。德國TOV贊助的220 F／28 V超級(jí)電容器組件成功地通過了為期一年的測(cè)試，在此測(cè)試中超級(jí)電容器作為應(yīng)急發(fā)電機(jī)的能源啟動(dòng)系統(tǒng)來啟動(dòng)大體積柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。</p><p>　　在卡車、坦克和火車發(fā)動(dòng)機(jī)中使用超級(jí)電容器可使電源的儲(chǔ)能系統(tǒng)體積減小50％，而且其可靠性也得

25、到改善。在這些應(yīng)用中，超級(jí)電容器組件優(yōu)秀的低溫性能使其具有很高的應(yīng)用價(jià)值。優(yōu)越的充放電性能對(duì)許多汽車應(yīng)用都非常重要，例如，本田公司已開發(fā)出其FCX型燃料電池車，其中一個(gè)超級(jí)電容器組件作為動(dòng)力儲(chǔ)存系統(tǒng)。由于燃料電池與超級(jí)電容器的聯(lián)合使此車的功率達(dá)到78kW。</p><p>　　混合電動(dòng)車的性能很大程度上取決于由電子驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力功率組件，超級(jí)電容器的性能正好可以滿足其所有要求。輕度混合電動(dòng)車在空檔停車和加速／減速／換

26、檔時(shí)由超級(jí)電容器提供輔助動(dòng)力，這樣使需要的總能量大幅下降，對(duì)于這些應(yīng)用，超級(jí)電容器的長循環(huán)壽命和良好的低溫性能使其成為理想的供電電源。</p><p>　　表1-1超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　1.1.2混合動(dòng)力汽車發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　美國市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Frost&Sullivan不久前發(fā)布的一份報(bào)告預(yù)計(jì)，2002--2009年問全球超級(jí)

27、電容器產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量和銷售收入這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)將分別以157％和49％的年增長率保持高速增長。美國圣地亞哥市的麥克韋爾技術(shù)公司預(yù)測(cè)，僅歐洲市場(chǎng)，未來5年的年需求量將超過數(shù)億美元。就中國市場(chǎng)而言，目前年需求量可達(dá)2150萬只(且每年都在以30％～50％的速度增長)，而整個(gè)亞太地區(qū)總需求則超過9000萬只。由于國內(nèi)能規(guī)模生產(chǎn)的廠家較少，年供應(yīng)量不到500萬只，這樣的生產(chǎn)規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足國內(nèi)市場(chǎng)的需求，所以國內(nèi)大多數(shù)用戶還是通過進(jìn)口來滿足需要。在市場(chǎng)

28、需求迅速增長的強(qiáng)力推動(dòng)下，國內(nèi)現(xiàn)有的超級(jí)電容器生產(chǎn)企業(yè)正積極融資擴(kuò)產(chǎn)，國際超級(jí)電容器生產(chǎn)大鱷也把戰(zhàn)略投資的目光鎖定中國，而相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)(如鋁電解電容器生產(chǎn)企業(yè))也正躍躍欲試準(zhǔn)備介入這一新興市場(chǎng)。由此可見，超級(jí)電容器的商業(yè)前景十分誘人。</p><p>　　其原因在于：盡管混合動(dòng)力汽車近年來發(fā)展很快，但電池技術(shù)仍然是阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵問題，主要缺陷有以下幾個(gè)方面：1 蓄電池在低溫下的工作性能極差，給駕駛員帶來諸多不

29、便。2 蓄電池的循環(huán)壽命有限，增加了使用更換電源的費(fèi)用。3 廢舊電池的環(huán)保問題。最重要的是蓄電池不能滿足混合動(dòng)力汽車短時(shí)間功率的要求，例如加速、剎車能量回收以及冷啟動(dòng)。以鋰離子電池為例，鋰離子電池比能量很大，能夠達(dá)到100 Wh/kg，但充放電電流很小，不能滿足短時(shí)間內(nèi)大電流充放電的要求，一旦用于混合動(dòng)力汽車，只能為駕駛員勻速駕駛提供功率，這樣使用才不會(huì)影響鋰離子電池的壽命，同樣它也就很難回收剎車時(shí)的制動(dòng)能量，難于滿足駕駛員對(duì)整車加速性

30、能的要求。如果想通過增加電池的個(gè)數(shù)來彌補(bǔ)功率，勢(shì)必增加混合動(dòng)力汽車的費(fèi)用和重量，同時(shí)，大電流充放電還會(huì)影響電池的壽命，例如，在60%的放電深度（DOD）下，作峰值功率循環(huán)，鉛酸電池只有1000 次壽命，鎳氫電池也只有10000次壽命，而對(duì)一輛汽車而言，像這種情況，一年就可達(dá)上萬次。如果在混合動(dòng)力汽車中使用鉛酸電池或者鎳氫電池的話，一到二年的費(fèi)用大約是13000美元到17000美元。</p><p>　　超級(jí)電容是

31、近年來發(fā)展起來的新型能量存儲(chǔ)裝置，與常規(guī)電容器不同，超級(jí)電容利用雙電子層理論存儲(chǔ)電能，其容量可達(dá)法拉級(jí)甚至千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電，壽命長。由于超級(jí)電容優(yōu)良的充放電性能及廣闊的應(yīng)用前景，目前世界各國爭(zhēng)相研究，并越來越多地應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車上。日本日產(chǎn)汽車公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電容器的混合動(dòng)力卡車。該車安裝有日產(chǎn)公司開發(fā)的新型電容器“超級(jí)電力電容器”，這種電容器

32、可以儲(chǔ)存汽車在減速時(shí)所產(chǎn)生的電力，電力儲(chǔ)存量是現(xiàn)有其它電容器的2倍。</p><p>　　目前，在發(fā)達(dá)國家，超級(jí)電容器的應(yīng)用備受重視，俄羅斯已在載重汽車上批量采用，德國也在客車啟動(dòng)上應(yīng)用此類產(chǎn)品，這些產(chǎn)品正在向規(guī)?；?、市場(chǎng)化、大眾化方向迅速發(fā)展。在國內(nèi)，超級(jí)電容器的應(yīng)用尚處于起步階段。在鈕扣型超級(jí)電容器市場(chǎng)中，海外產(chǎn)品幾乎占據(jù)了90%以上的份額，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。中國廠商正采取替代手段，利用低價(jià)策略(約為國外產(chǎn)品的4

33、0%～60%)、快速供貨、銷售布局完善，對(duì)中國終端應(yīng)用市場(chǎng)更加熟悉，技術(shù)支持與服務(wù)優(yōu)于國際品牌等各種優(yōu)勢(shì)來爭(zhēng)奪市場(chǎng)。在卷繞型和大型超級(jí)電容器方面，中國產(chǎn)品的技術(shù)水平與國際接近，市場(chǎng)份額較為理想。</p><p>　　近年來，超級(jí)電容器展現(xiàn)出更為廣泛的應(yīng)用前景。其中特別是在電動(dòng)汽車上，　新能源汽車是全球汽車行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，超級(jí)電容是其要害部件。盡管超級(jí)電容誕生的時(shí)間不長，國際上對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)的研究還處于探索階段，

34、關(guān)鍵性能指標(biāo)還有待進(jìn)一步提升。然而，我國卻在超級(jí)電容公交電車的應(yīng)用方面領(lǐng)先一步。 　　 2006年8月28日，上海11路超級(jí)電容公交電車，即“上?？萍嫉巧叫袆?dòng)計(jì)劃超級(jí)電容公交電車示范線”投入運(yùn)營，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域走在了世界前列。該車采用上海奧威科技公司開發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超級(jí)電容。因此，國產(chǎn)超級(jí)電容受到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。超級(jí)電容器與電池聯(lián)合，分別可以提供高功率輸出和高能量輸出，既減小了電源的體積，又延長了電池的壽

35、命。</p><p>　　目前，進(jìn)入該市場(chǎng)的許多制造商已經(jīng)開始調(diào)整它們的設(shè)計(jì)，面向歐洲正在開發(fā)的14／42 V電源系統(tǒng)中的助力系統(tǒng)，或者面向電動(dòng)汽車再生制動(dòng)中的能量回收。</p><p>　　1.2 復(fù)合電源的技術(shù)及優(yōu)勢(shì)</p><p>　　1.2.1復(fù)合電源的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　混合動(dòng)力汽車電源裝置主要需求是能滿足短時(shí)間的大功率輸入/

36、輸出，即加速和剎車時(shí)的功率需求，如果同時(shí)滿足這兩種需要，對(duì)電池來講，其尺寸、重量、價(jià)格都難以滿足市場(chǎng)的需求；超級(jí)電容循環(huán)效率高，可以瞬間大功率充放電，循環(huán)壽命長，即使是深度放電對(duì)它也沒有什么影響，同時(shí)工作溫度范圍廣，-40℃也能正常工作，以上幾點(diǎn)都是電池比不上的。但是，目前超級(jí)電容在混合動(dòng)力汽車上還不能完全取代電池的地位，原因是超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)在于功率的輸入/輸出，而不是高能量。目前超級(jí)電容的比能量還只有4—5Wh/kg，不足以滿足混合動(dòng)

37、力汽車對(duì)電源比能量的要求，迅速放電時(shí)電壓短時(shí)間內(nèi)會(huì)下降到理論限制電壓，且目前造價(jià)還很高，達(dá)到了15000$/ KWh。當(dāng)單純使用超級(jí)電容作為混合動(dòng)力汽車電能量存儲(chǔ)裝置時(shí)，當(dāng)要求能夠釋放0.3KWh 能量時(shí)，所要求的超級(jí)電容器的造價(jià)就將高達(dá)6428$。所以出于價(jià)格方面的考慮，不宜單獨(dú)使用超級(jí)電容作為混合動(dòng)力汽車的電存儲(chǔ)裝置。</p><p>　　為了解決混合動(dòng)力汽車剎車、加速或爬坡時(shí)能量瞬時(shí)輸入/輸出的矛盾，我們可

38、以考慮使用蓄電池和超級(jí)電容構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)。由蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源系統(tǒng)可以把蓄電池的高比能量和超級(jí)電容的高比功率的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起。大電流輸入輸出會(huì)對(duì)大大降低電池的使用壽命，復(fù)合電源中由于有了超級(jí)電容的加入，全部的能量或功率不是由一個(gè)部分來提供，不僅可以減少電池的使用數(shù)量，而且還可以優(yōu)化輸出能量，提高每個(gè)部分的工作效率，增加電池使用壽命，系統(tǒng)的尺寸和重量以及成本都會(huì)有大幅度的降低。用蓄電池和超級(jí)電容器組成的復(fù)合電源系統(tǒng)可以使系統(tǒng)的能

39、量利用率提高15%以上，降低廢氣排放。超級(jí)電容器與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來電動(dòng)汽車電源問題的最佳途徑。</p><p>　　1.2.2超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展</p><p>　　在超級(jí)電容器的研制上，目前主要傾向于液體電解質(zhì)雙電層電容器和復(fù)合電極材料／導(dǎo)電聚合物電化學(xué)超級(jí)電容器。</p><p>　　在超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1987年松下／三菱與

40、1980年NEC／Tokin的產(chǎn)品。這些電容器標(biāo)稱電壓為2．3～6 V，電容從10F至幾F，年產(chǎn)量數(shù)百萬只。20世紀(jì)90年代，俄羅斯Econd公司和ELIT生產(chǎn)了SC牌電化學(xué)電容器，其標(biāo)稱電壓為12～450 V，電容從1F至幾百F，適合于需要大功率啟動(dòng)動(dòng)力的場(chǎng)合。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美國Maxwell、Powerstor、Evans，法國SAb—F，澳大利亞Cap，韓國NESS等公司在超級(jí)電容器方面的研究均非常活躍?？偟?/p>

41、來說，當(dāng)前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級(jí)電容器市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超級(jí)電容器基本上都是雙電層電容器。</p><p>　　按照工作原理的不同，超級(jí)電容器可以分為對(duì)稱型和不對(duì)稱型兩大類，其中對(duì)稱型超級(jí)電容器的兩極均采用相同的電極材料，一般為活性碳材料，這就是典型的由電極／電解質(zhì)構(gòu)成的雙電層電容器。而不對(duì)稱型超級(jí)電容器則分別采用不</p><p>　　同類型的材料作為兩極，即電容器的

42、一個(gè)電極依然是雙電層電極，而另一電極為法拉第準(zhǔn)電容電極。不對(duì)稱型超級(jí)電容器具有比常規(guī)電容器更高的比能量、而且顯示更高的比功率。</p><p>　　1997年，俄羅斯ESMA公司開發(fā)出了一種典型的不對(duì)稱電容器，它是由活性碳電極與氧化鎳電極構(gòu)成的，電解質(zhì)為濃堿水溶液。該電容器的特點(diǎn)是，其中的氧化鎳電極的容量是碳電極的3～10倍，比先前裝置的輸出能量高出2倍。</p><p>　　因?yàn)椴捎玫碾?/p>

43、解質(zhì)體系不同，超級(jí)電容器又分為水溶液電解質(zhì)電容器和有機(jī)電解質(zhì)電容器。由于受到水的分解電壓限制，這類電容器的工作電壓都較低，一般在1．5 V以下；而有機(jī)電解質(zhì)溶液具有較高的分解電壓，因此這類電容器的工作電壓在2～3 V間。顯然，工作電壓的提高有利于提高電容器的輸出能量和比能量。但是由于其電導(dǎo)率低于水溶液電解質(zhì)，因此要制備高功率輸出的電容器，只能依靠非常薄的電極設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　從歷史發(fā)展角度看，19

44、90年以前主要集中在低充放電率用超級(jí)電容器的研制，由于超級(jí)電容器比傳統(tǒng)電容器的電容量高、壽命長、可靠性高等特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)和電子備用電源領(lǐng)域中獲得了一定應(yīng)用，但這個(gè)階段技術(shù)進(jìn)展較慢，市場(chǎng)應(yīng)用有限。</p><p>　　1990年以后超級(jí)電容器的發(fā)展得到人們的廣泛關(guān)注。超級(jí)電容器的研制開發(fā)得到加速，1991年NEC公司就已研制出1000F／5.5V儲(chǔ)能約為6 kJ的超級(jí)電容器。基于超級(jí)電容器的重要性，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都

45、給予了高度重視，并成為各國重點(diǎn)的戰(zhàn)略研究和開發(fā)項(xiàng)目。日本成立了“新電容器研究會(huì)”和NEWSUNSHINE開發(fā)機(jī)構(gòu)。從1996年起，歐共體在焦耳(Joule)項(xiàng)目框架下設(shè)置“開發(fā)電動(dòng)車用超級(jí)電容器”(合同號(hào)JOE 3-CT．95．0001)項(xiàng)目，由法國、意大利、德國、荷蘭、丹麥等國共同研究和開發(fā)用于電動(dòng)車能源管理的超級(jí)電容器。美國設(shè)立了“國家超級(jí)電容器研究與發(fā)展管理委員會(huì)”；美國三大汽車巨頭建立了USABC(US Advanced Bat

46、．tery Consortium)；美國能源部(包括美國軍方)也制定了相應(yīng)的發(fā)展超級(jí)電容器的研究計(jì)劃，其近期(1998--2003年)的目標(biāo)要達(dá)到500 W／kg的比功率、5 Wh／kg的比能量；2003年以后更高的目標(biāo)要達(dá)到1 500W／kg的比功率、15 Wh／kg的比能量、1萬次以上的循環(huán)壽命。目前，美國Maxwell公司的大功率超級(jí)電容器BCAP 3</p><p>　　在上述研究與發(fā)展的推動(dòng)下，許多生產(chǎn)

47、超級(jí)電容器的廠商逐步形成和擴(kuò)大，同時(shí)不斷推出可以應(yīng)用的產(chǎn)品。表1-2列出了世界上幾個(gè)主要的超級(jí)電容器生產(chǎn)商生產(chǎn)的產(chǎn)品及其主要性能。</p><p>　　表1-2 世界上幾個(gè)主要的超級(jí)電容器生產(chǎn)商及其相關(guān)技術(shù)</p><p>　　今年2月和9月，美國加州大學(xué)戴維斯分校交通研究所Andy Burke博士先后兩次來華訪問和講學(xué)。由于Burke博士實(shí)驗(yàn)室的特殊地位，他們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)拿到一系列國際新近

48、發(fā)展的鋰離子電池組產(chǎn)品和超級(jí)電容器產(chǎn)品，例如美國一家公司制造的LiFePO／LiThO，電池，日本生產(chǎn)的高電壓電容器等。這些電池和電容器都在Burke博士實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估，因此數(shù)據(jù)是可靠而真實(shí)的。具體測(cè)試的電容器有：Maxwell公司：2.7V的350F，1500F，2600F；Power Systems公司：2.7V、1350F；Power Systems公司：3.3V、1800F；LS Cable公司：2.8 V3200F；Fu

49、ji Heavy Industries公司：3.8V、1800 F和Apowercap公司：2.7V、55F。</p><p>　　其中最突出的是Power Systems公司制造的3.3 V，1800F,2007.11VOI.31 No.11922超級(jí)電容器，它是當(dāng)今世界上首個(gè)電壓超過3V的電容器，由此使電容器的比能量由5 Wh/kg提高至10Wh/kg。</p><p>　　對(duì)于超級(jí)電

50、容器，今后要研究的方向和重點(diǎn)是：利用超級(jí)電容器的高比功率特性和快速放電特性，進(jìn)一步優(yōu)化超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。此外，在我國大力發(fā)展新能源這一政策指導(dǎo)下，在光伏發(fā)電領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，超級(jí)電容器以其快充快放等特點(diǎn)為改進(jìn)和發(fā)展關(guān)鍵設(shè)備提供了有利條件。</p><p>　　在我國，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨

51、容公司、上海奧威公司等正在開展超級(jí)電容器的研究。2005年，由中國科學(xué)院電工所承擔(dān)的“863”項(xiàng)目“可再生能源發(fā)電用超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研</p><p>　　究”通過專家驗(yàn)收。該項(xiàng)目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300 Wh／kW超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。另外，華北電力大學(xué)等有關(guān)課題組，正在研究將超級(jí)電容器儲(chǔ)能(SCES)系統(tǒng)應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)。但從整體來看，我國在超級(jí)電容器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水

52、平明顯落后于世界先進(jìn)水平。</p><p>　　1.2.3 復(fù)合電源研究的意義</p><p>　　在國內(nèi)，雖然對(duì)超級(jí)電容的研究和生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但蓄電池—超級(jí)電容組成的復(fù)合電源的設(shè)計(jì)及控制還屬空白。由于混合動(dòng)力汽車發(fā)展時(shí)間短，我國與其他汽車先進(jìn)國家的差距只有五年左右，我們應(yīng)該抓好這個(gè)契機(jī)，大力發(fā)展混合動(dòng)力汽車。電源技術(shù)是混合動(dòng)力汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而對(duì)復(fù)合電源的設(shè)計(jì)和控制方面的研

53、究將為混合動(dòng)力汽車在我國的發(fā)展及完善奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　第二章 電源特性介紹及復(fù)合電源建模</p><p>　　復(fù)合電源的比功率會(huì)比蓄電池的比功率大，比能量比超級(jí)電容的比能量大，通過合理的匹配可以使電源的負(fù)載適應(yīng)能力有較大提高，并具有良好的脈沖特性，能夠降低蓄電池內(nèi)部損耗、延長放電時(shí)間、增加使用壽命，改善電源可靠性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　要了解復(fù)

54、合系統(tǒng)的特性，首先就得先了解組成復(fù)合系統(tǒng)的蓄電池和超級(jí)電容各自的特性及影響因素；電池和超級(jí)電容特性包括充放電特性、溫度特性以及容量特性；另外還必須研究蓄電池和超級(jí)電容模型的建立方法，在此基礎(chǔ)上，通過合理的配置可以構(gòu)建出復(fù)合系統(tǒng)的模型，經(jīng)過某特定工況的實(shí)驗(yàn)循環(huán)，就可以得出復(fù)合系統(tǒng)的特性及影響因素。以下將對(duì)以上提出的研究?jī)?nèi)容逐一加以說明。</p><p>　　2.1 蓄電池特性及影響因素</p><

55、;p>　　2.1.1 蓄電池的充放電特性</p><p>　　在放電過程中，蓄電池內(nèi)部同時(shí)發(fā)生電化學(xué)氧化—還原反應(yīng)，使存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為可用的電能，放電過程通常以電池的放電電流和電壓的等級(jí)為特征。圖2-1 是典型的鉛酸電池的充放電特性曲線，它是電池的端電壓在不同的充放電率下與充放電時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，蓄電池的端電壓隨著放電時(shí)間和放電率的增加而下降。其他類型電池的放電特性曲線也顯示出相同的變化趨

56、勢(shì)，但是變化的幅度要小。從圖上還可以看出大電流充電時(shí)，電壓上升較快，最終達(dá)到較高的電壓值。電壓上升快的原因是反應(yīng)生成的硫酸速度快，濃度增加快。而充電終期保持較高的恒定電壓是因?yàn)殡娏髟龃?，兩極的極化增大以及克服內(nèi)阻的電壓降增大。一般地說，用較大電流充電固然可以加快充電過程，但能量損失也大。大電流放電時(shí)，放電開始后電壓下降明顯，曲線平緩部分縮短，其斜率也大。</p><p>　　圖2-1 不同電流條件下的充放電曲線&

57、lt;/p><p>　　2.1.2 蓄電池的溫度特性</p><p>　　電池在不同溫度時(shí)，其特性曲線也有變化。圖2-2 為溫度與充、放電特性曲線關(guān)系。電解液溫度越低則放電時(shí)平均電壓越低，而充電電壓越高；反之，電解液溫度越高，則放電平均電壓越高，充電電壓越低。蓄電池在低溫放電時(shí)電壓低，是由于硫酸的粘度增加，流動(dòng)性差，擴(kuò)散緩慢，兩極極化增加，電池內(nèi)阻增加，在個(gè)別情況下可能是負(fù)極鈍化所引起?？傊?，

58、在低溫條件下，負(fù)極性能可能成為限制容量和電池電壓下降的主要原因。低溫充電時(shí)，充電電壓急劇上升，活性物質(zhì)難于轉(zhuǎn)化。</p><p>　　圖2-2 溫度與充放電曲線關(guān)系</p><p>　　1—-30℃；2—-25℃；3—-15℃；4—-5℃；5—5℃；6—15℃；7—25℃；8—33℃</p><p>　　2.1.3 混合動(dòng)力車用蓄電池的選擇</p>&

59、lt;p>　　儲(chǔ)能電源是制約電動(dòng)車輛發(fā)展的關(guān)鍵因素，要使電動(dòng)車輛進(jìn)入實(shí)用過程，對(duì)儲(chǔ)能電源提出的要求是：比能量高，比功率大，使用壽命長，成本低廉。應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的幾種常見電池類型有鉛酸電池、鎳氫電池以及鋰離子電池，他們都是通過極板與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行儲(chǔ)能的。表2-1 列舉了幾種儲(chǔ)能電源的性能參數(shù)。</p><p>　　表2-1混合動(dòng)力汽車車載蓄電池性能對(duì)比</p><p>

60、<b>　　A .鉛酸蓄電池</b></p><p>　　鉛酸蓄電池己有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)力源.它也是成熟的電動(dòng)車輛蓄電池，目前約有80%一90%的采用率。它可靠性好、原材料易得、價(jià)格便宜。鉛酸電池比能量約為30-40Wh/kg，比功率約為100一150W/kg。比功率基本上能滿足驅(qū)動(dòng)車輛的動(dòng)力性要求。但它有兩大缺點(diǎn);一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行

61、駛里程較短;另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過高。</p><p><b>　　B .鎳氫蓄電池</b></p><p>　　鎳氫蓄電池和鎳福電池一樣，也屬于堿性電池，其特性和鎳鎬電池相似，不過鎳氫電池不含福、銅，不存在重金屬染問題。鎳氫電池比能量達(dá)75一80Wh/kg，比功率達(dá)160一230W/kg，循環(huán)使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動(dòng)汽車上試用，其中一類

62、車一次充電可行駛345Km。有一輛車一年中行駛了8萬多公里。估計(jì)隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展，其比能量可超過80Wh/kg，循環(huán)使用壽命可超過2000次。通用汽車公司已把它作為今后幾年優(yōu)先考慮動(dòng)力蓄電池。但是價(jià)格昂貴成為鎳氫電池快速發(fā)展的障礙。</p><p><b>　　C .鋰離子電池</b></p><p>　　鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型

63、高能蓄電池。其優(yōu)點(diǎn)是比功率和比功量高，比功率達(dá)300一600Wh/kg，比能量達(dá)100一150Wh/kg，是當(dāng)前比能量最高的蓄電池。1995年，索尼公司又開發(fā)成功用于電動(dòng)車的鋰離子蓄電池，共分兩種類型。一種是用于純電動(dòng)車容量為100的圓柱形單體電池，8只串聯(lián)成一個(gè)電池模塊;另一種是用于混合動(dòng)力車，容量為22J以上，8只串聯(lián)成電池模塊，其輸功率為前者的2.7倍。用于純電動(dòng)車的電池稱為高能型鋰離子蓄電池，用于混合動(dòng)力車的電池稱為高功率型鋰離

64、子電池。高能型電池已于1900年裝在日產(chǎn)汽車公司開發(fā)的第一輛鋰離于電動(dòng)汽車上(日產(chǎn)Al一rtEaV)，在北京第一屆國際電動(dòng)車展覽會(huì)上展出。</p><p>　　2.1.4 蓄電池的容量特性</p><p>　　各種蓄電池如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等的可用容量隨著放電率的增加而有所下降。圖2-3 表示了不同蓄電池的可用容量與放電率的關(guān)系。蓄電池能放出的功率有限，在大電流快速充

65、放電情況下，極板上迅速產(chǎn)生極化現(xiàn)象，內(nèi)阻迅速增加，充放電效率下降明顯。在電池SOC 數(shù)值在0.3-0.8 之間，電池放電率大于1C（3C-8C）時(shí)，電池容量會(huì)明顯下降。另外，溫度對(duì)鉛酸電池的容量影響也較大，隨著溫度的降低容量減小。</p><p>　　圖2-3 各種電池不同放電倍率下的可用容量</p><p>　　2.2 超級(jí)電容器特性及影響因素</p><p>　

66、　2.2.1超級(jí)電容器的分類</p><p>　　超級(jí)電容器的組成結(jié)構(gòu)與化學(xué)電池非常相似，也是由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等組成。單就從儲(chǔ)能原理上去分析，超級(jí)電容器大致可以分為兩類：</p><p><b>　　A 雙電層電容</b></p><p>　　雙電層電容器是基于高比表面積碳材料與溶液間界面雙電層原理的電容器，</p>&

67、lt;p>　　可用Helmhotz 的雙電層模型闡述。是建立在Helmhotz等于19世紀(jì)末提出的雙電層理論基礎(chǔ)之上的。雙電層電容是在電極／溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對(duì)峙所產(chǎn)生的。當(dāng)對(duì)電容器進(jìn)行充電時(shí)，電解液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)極遷移，在電極表面形成雙電層；當(dāng)電容器對(duì)負(fù)載放電時(shí)，電極表面的陰、陽離子向溶液本體移動(dòng)，形成放電電流。</p><p>　　換種說法，Helmhotz 模型認(rèn)為

68、電極表面的靜電荷從溶液中吸附部分不規(guī)則分配的離子，它們?cè)陔姌O（溶液界面）的一側(cè)離電極一定距離排成一排，形成一個(gè)電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號(hào)相反的界面層。由于界面上存在位壘，兩層電荷都不能越過邊界彼此中和，這樣充電界面由兩個(gè)電荷層組成，一層在電極上，另一層在溶液中，因此稱為雙電層。超級(jí)電容器是從多孔電極材料得到其儲(chǔ)存電荷面積的，材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積可達(dá)數(shù)干平方米，例如多孔結(jié)構(gòu)的碳高達(dá)2000m／g。而超級(jí)電容中電

69、荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10。巨大的表面積，以及電荷之間非常小的距離，使得電化學(xué)雙層電容器形成大的電容量。一個(gè)超級(jí)電容器的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。</p><p>　　靜電電容量C 與電極表面積S 成正比，與平板電極間距離成反比。在雙電層電容中電極表面至離子中心的距離d 即所謂電雙層厚度，它取決于電解質(zhì)的濃度以及離子的大小，對(duì)于高濃度電解質(zhì)則在0.5nm~1.0nm 范圍。若電解

70、質(zhì)的介電率為ε，則其靜電容量為式2-1;</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　由于每個(gè)單元電容器有兩個(gè)電極，可視為兩個(gè)串聯(lián)的電容器，故電雙層電容器所存儲(chǔ)的電量q 與施加電極間電壓V 和靜電容量C ,有如式2-2： </p><p><b>　　(2-2)</b></p><

71、;p>　　存儲(chǔ)電容器中的電能則為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　a不帶電 b帶電</p><p>　　圖 2.4 雙電層電容原理圖</p><p>　　顯然，為了使雙電層電容器有效地存儲(chǔ)更多電荷，要求極化電極應(yīng)該

72、有盡可能大的比表面積且電解液中的離子能完全接近，從而形成更大面積的雙電層。正因?yàn)槿绱?，采用高表面積活性炭做電極比一般陶瓷或鋁電解電容器存儲(chǔ)的電荷多得多，所積存的電量也比后者大10萬至100萬倍。目前討論得比較多的也是由活性炭作電極的碳-碳雙電層電容器。</p><p>　　目前，雙電層電容器一般采用炭材料作為其電極材料，可應(yīng)用于此的炭材料主要有活性炭粉末、炭黑、炭纖維、玻璃炭、炭氣凝膠、納米炭管等，電解液采用強(qiáng)堿

73、(如KOH、NaOH等)、強(qiáng)酸(如H2SO4等)和有機(jī)混合溶液(一般由電解質(zhì)鹽和高電導(dǎo)率的有機(jī)溶劑組成)。近年來，以碳材料為電極物質(zhì)的雙電層電容器已被大規(guī)模商品化了，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的備用電源和一些要求高功率輸出的場(chǎng)合，日本、美國、韓國等處于該項(xiàng)技術(shù)的領(lǐng)先地位。</p><p><b>　　B 法拉第準(zhǔn)電容</b></p><p>　　法拉第準(zhǔn)電容器主要利用電

74、極表面、內(nèi)部快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實(shí)現(xiàn)電荷和能量的儲(chǔ)存，其電荷與能量的儲(chǔ)存方式與雙電層電容器不同。在電極面積相同的情況下，法拉第準(zhǔn)電容的容量遠(yuǎn)高于雙電層電容的容量，可以是后者的lO～100倍。它一般使用金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物為電極材料，主要使用的材料有RuO、NiO、MnO、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其中金屬氧化物電極是通過在電極表面或內(nèi)部的二維或準(zhǔn)二維空間中電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生快速可逆的氧化還原反應(yīng)，使

75、金屬氧化物電極儲(chǔ)存高密度的電荷；而導(dǎo)電聚法拉第準(zhǔn)電容的電極包含二維（比如：H 或者一些金屬（Pb、Bi、Cu））或準(zhǔn)二維（比如：多孔過渡金屬氧化物（RuO2、IrO2））材料，當(dāng)用無定形的或水合氧化釕作為電化學(xué)電容器的電極材料時(shí)，質(zhì)子可以吸附到無定形Ru02的基體中，也可以從無定形Ru02的基體中解吸附，因此它具有高達(dá)768F／g的比電容值。這種依靠質(zhì)子的吸附與解吸附而形成的電容稱為準(zhǔn)法拉弟電容。在充放電過程中，電極表面的發(fā)生電沉淀或氧

76、化還原反應(yīng)過程。這種電容的儲(chǔ)能方式不再是單純的物理儲(chǔ)能，而是與電池一樣發(fā)生了法拉第電荷傳遞的電化</p><p>　　法拉第準(zhǔn)電容不僅發(fā)生在電極表面，而且可深入電極內(nèi)部，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積下，法拉第準(zhǔn)電容可以是雙電層電容量的10－100倍。實(shí)際上，對(duì)于雙電層電容器而言，其電極材料也并非局限碳材料，而且或多或少的會(huì)有電化學(xué)反應(yīng)；另外二維、準(zhǔn)二維材料也有很大一部分雙電層容量，

77、二者界限并不是非常明晰，因此很多文獻(xiàn)在使用超級(jí)電容時(shí)未對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。</p><p>　　C 混合型超級(jí)電容器</p><p>　　為了同時(shí)獲得較高的能量密度和功率密度，人們開始設(shè)計(jì)新型混合型(非對(duì)稱型)電化學(xué)超級(jí)電容器，即電容器的一極是雙電層電極，另一極為法拉第準(zhǔn)電容電極。混合型超級(jí)電容器綜合了前兩類的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載對(duì)電源系統(tǒng)能量密度和功率密度的整體要求。目

78、前研究的混合型超級(jí)電容器主要有Ni（OH)JKOI-I／AC、PbOJH2SOJAC、AC／有機(jī)電解質(zhì)，Li4Ti5012等，其中Ni(OH)／AC混合型超級(jí)電容器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化，并已成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域.</p><p>　　該電容器正極由于使用了Ni(OH)：電極，提高了正極的析氧電位，整個(gè)電容器的工作電壓可以達(dá)到1．5 V，遠(yuǎn)高于水系電解液雙電層電容器(1．0 V左右)，其能量密度可以達(dá)到lO一15 W

79、h／kg?；旌闲统?jí)電容器的能量密度較雙電層電容器有大幅度的提高，因此，不同體系和不同材料的混合型超級(jí)電容器將成為未來研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向。</p><p>　　2.2.2 超級(jí)電容主要參數(shù)</p><p>　　A .工作電壓V：電容器能夠連續(xù)保持的最大電壓。</p><p>　　B .電流I：對(duì)電容器進(jìn)行充電后，為使電容器在某一電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)而從外部施加的一個(gè)電

80、流。</p><p>　　C .時(shí)間常數(shù)RC：倘若一個(gè)超大容量電容器能夠模擬為一個(gè)電容和電阻的簡(jiǎn)單串聯(lián)組合，則該電容和電阻的乘積便為時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)的單位為秒，相當(dāng)于將電容器恒壓充電至滿充容量的63.2%時(shí)所需要的時(shí)間。</p><p>　　D .等效串聯(lián)電阻：當(dāng)一個(gè)電容器被模擬為包括電感、電容、電阻的等效模擬電路時(shí)，此時(shí)的電阻部分即為等效串聯(lián)電阻。等效串聯(lián)電阻可以利用交流阻抗技術(shù)或者電

81、流階躍測(cè)試技術(shù)測(cè)試得到。</p><p>　　E .放電容量：電容器在放電過程中可以放出的全部容量，具體計(jì)算方法是將放電過程中一個(gè)瞬間電壓與電流的乘積對(duì)放電時(shí)間進(jìn)行積分。</p><p>　　F .理想存貯能量：電容器存貯能量的理想值。對(duì)于簡(jiǎn)單的電化學(xué)電容器，其理想存貯能量的大小可以計(jì)算。 </p><p>　　G .平均放電功率：平均放電電流和平均放電電壓的乘積即

82、為平均放電功率；</p><p>　　H .最大輸出功率：當(dāng)為電容器外接一個(gè)合適的負(fù)載時(shí)，其可以達(dá)到的最大輸出功率，可以由公式V 2 /4R計(jì)算得到，此時(shí)V 為電容器的初始電壓，而為電容器的等效串聯(lián)電阻。</p><p>　　I .放電率：在一個(gè)特定的充放電循環(huán)中，電容器放出的能量占充入能量的百分比。</p><p>　　2.2.3超級(jí)電容模型</p>

83、<p>　　超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)和普通電容不一樣，所以其模型也應(yīng)與普通電容有所不同。在文獻(xiàn)中，都有超級(jí)電容的不同物理模型和相應(yīng)的參數(shù)獲取方法。目前，超級(jí)電容的等效模型包括：經(jīng)典RC 模型，三支路模型（如圖2-5）。但是三支路模型中各個(gè)建模參數(shù)必須要經(jīng)過復(fù)雜的試驗(yàn)才能得到，比較難以實(shí)現(xiàn)，所以現(xiàn)在廣泛采用的超級(jí)電容模型還是經(jīng)典RC 模型。圖2-7 表示的是超級(jí)電容物理模型的回路圖，模型由三部分組成，R1 代表充放電電阻并且與損失有關(guān)，

84、R2 表示自放電損失。</p><p>　　圖 2-5超級(jí)電容器三支路模型</p><p>　　超級(jí)電容等效RC 模型如圖2-6所示，模型由三部分組成，R1 表示充放電電阻并且與損失有關(guān)，R2 表示自放電損失，一般很大。</p><p>　　圖 2-6 電容等效RC模型</p><p><b>　　(2-4)</b>&

85、lt;/p><p>　　圖2-7 超級(jí)電容等效電路模型</p><p>　　其中：ic—流進(jìn)超級(jí)電容系統(tǒng)的電流A,i0—存儲(chǔ)在超級(jí)電容系統(tǒng)中的</p><p>　　凈電流[A]；R2—自放電電阻[Ω],C—電容。</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　?。≧1 是充電電阻）

86、</p><p>　　圖2-8 是超級(jí)電容開路電壓在SIMULINK 中表示的運(yùn)算法則。表示了</p><p>　　以參數(shù)電流作為輸入和開路電壓作為輸出的超級(jí)電容輸入輸出系統(tǒng)。因?yàn)?lt;/p><p>　　自放電電阻的影響可以忽略，系統(tǒng)的充電效率ηcharge 可表示為：</p><p><b>　?。?-6）</b><

87、;/p><p>　　放電效率可以表示為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　圖2-8 超級(jí)電容模型的SIMULINK 表示</p><p>　　系統(tǒng)中超級(jí)電容模型如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9 復(fù)合系統(tǒng)中超級(jí)電容模型圖</p><p

88、>　　2.2.4超級(jí)電容的充放電特性</p><p>　　電容組假設(shè)以恒定的電流I 充放電，經(jīng)時(shí)間t，電容器的電量從Q1 到Q2，電壓從U1 到U2，則電容器組儲(chǔ)存/釋放的能量E為：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　可見，當(dāng)電容的電量下降到一半時(shí)，能量已經(jīng)變?yōu)樵瓉淼?5%，如果繼續(xù)讓電容放電，能量利用率

89、會(huì)很低，因此，設(shè)定電容的充放電區(qū)間為[0.5 1]。此時(shí)電容器組的內(nèi)阻RC 消耗的能量ER 為：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　定義超級(jí)電容的時(shí)間常數(shù)τ=RC，充放電深度β=U1/U2（充電）或β=U2/U1（放電），由式2-8、2-9 得充電效率ηc 和放電效率ηd 關(guān)系式：</p><p><b&

90、gt;　　(2-10)</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　針對(duì)不同的時(shí)間常數(shù)τ、充放電時(shí)間t 和放電深度β，超級(jí)電容的充放電效率特性如圖2-12 所示。τ=6ΩF 時(shí)，β=0.5 時(shí)，超級(jí)電容器組的充放電時(shí)間與充放電效率的關(guān)系如圖2-11 所示。</p><p>　　為了保證對(duì)超級(jí)電容所存

91、儲(chǔ)的電量有效地加以利用，其電量荷電狀態(tài)值也</p><p>　　應(yīng)該嚴(yán)格的加以限制，超級(jí)電容的荷電值范圍可以適當(dāng)?shù)拇笮?，這樣有利于它</p><p>　　積極地參與工作。存儲(chǔ)在超級(jí)電容中的電能為</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　一般超級(jí)電容放電電壓從V0降到V0/2效率較高，此時(shí)超級(jí)

92、電容的能量利用率為75%，放電深度β=0.5。從β=0.5時(shí)，超級(jí)電容器組的充放電效率圖2-10中可以明顯看出，充放電時(shí)：對(duì)于相同的放電時(shí)間常數(shù)，放電時(shí)間越長，放電的效率越高；對(duì)于相同的充放電時(shí)間，放電時(shí)間常數(shù)越小，充放電效率就越高。在選擇超級(jí)電容器時(shí)，要綜合考慮效率和時(shí)間常數(shù)之間的匹配關(guān)系，根據(jù)電容器的成本隨著時(shí)間常數(shù)的增大而增大，所以，在不影響使用要求的前提下，應(yīng)盡可能的使用時(shí)間常數(shù)小的超級(jí)電容器。</p><p

93、>　　圖2-10充放電時(shí)間、深度和充放電效率的關(guān)系 圖2-11 充放電時(shí)間和充放電效率的關(guān)系</p><p>　　2.2.5超級(jí)電容的溫度特性</p><p>　　在50A 和250A 恒流放電情況下電容器容量的變化是工作溫度的函數(shù)，如圖所示電容器在-40－60℃的溫度變化范圍內(nèi)內(nèi)阻只有很小的變化。由此可見超級(jí)電容器的溫度特性。</p><p>　　圖2-1

94、2 某一超級(jí)電容器的溫度特性</p><p>　　2.2.6 超級(jí)電容器的電量狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)</p><p>　　電容的電量狀態(tài)也是指電池的剩余容量與額定容量的比值，用百分比來表示(0≤CSOC≤1)，但荷電狀態(tài)值與電容器端電壓成線形關(guān)系，其值計(jì)算相對(duì)蓄電池來說比較簡(jiǎn)單，計(jì)算式如2-13所示。</p><p><b>　　(2-13)</b>

95、</p><p>　　式中:Voc—電容器開路電壓；Vmin—電容器最小電壓；Vmax—電容器最大電壓。 </p><p>　　圖2-13 計(jì)算SOC 的SIMULINK 仿真模型圖</p><p>　　該模塊的輸入端為電流和溫度，為某一仿真時(shí)間的SOC 計(jì)算程序。其中：乘積模塊的功能為根據(jù)庫侖效率的值對(duì)輸入電流進(jìn)行修正；增益模塊實(shí)現(xiàn)單位的轉(zhuǎn)換；積分模塊通過電流輸入

96、得到已經(jīng)使用的容量值。</p><p>　　2.3 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的介紹</p><p>　　目前，大多數(shù)DC/DC變換器是單向工作的，即變換器能量流動(dòng)的方向只能是單向的。然而，對(duì)于需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合，如果仍使用單向DC/DC變換器，則需要將兩個(gè)單向DC/DC變換器反方向并聯(lián)使用，這種做法雖然可以達(dá)到能量雙向流動(dòng)的目的，但是總體電路會(huì)變得非常復(fù)雜，雙向DC/DC變換器則可以避免上述

97、不利影響。雙向DC/DC變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)實(shí)際需要完成能量雙向傳輸?shù)闹绷髯儞Q器。雙向DC/DC變換器可以非常方便地實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，使用的電力電子器件數(shù)目少，具有效率高、體積小和成本低等優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　雙向DC/DC變換器可廣泛的應(yīng)用于直流不停電電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、移動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)及混合電動(dòng)汽車中的輔助動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。在這些需要能量雙

98、向流動(dòng)的場(chǎng)合，兩側(cè)都是直流電壓源或直流有源負(fù)載，它們的電壓極性保持不變。圖2-14和2-15分別為雙一單向DC/DC變換和雙向DC/DC變換功能框圖。</p><p>　　圖2-14 雙-單向DC/DC變換器 圖2-15雙向DC/DC變換器</p><p>　　2.3.1常用雙向DC/DC拓?fù)浞治雠c選型</p><p>　　本文

99、對(duì)設(shè)計(jì)的雙向DC/DC變換器提出了以下要求以適應(yīng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的實(shí)際情況:</p><p>　　(l)在變換器輸出功率一定的條件下要求其具有較高的功率體積比，這樣便能很好地解決混合動(dòng)力電動(dòng)汽車車內(nèi)有限安裝體積的問題;</p><p>　　(2)在整個(gè)工作負(fù)載范圍內(nèi)要求雙向DC/DC變換器必須具有較高的效率。這是由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車車載電池的輸出功率受到車體體積的限制，所以不可能設(shè)計(jì)得十分

100、寬裕。</p><p>　　由于隔離式直流變換器需要大功率的高頻變壓器，極大地加重了變換器的體積，而且二次能源變換一定會(huì)降低系統(tǒng)的效率，常用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的雙向直流變換器有雙向cuk變換器、雙向bucUboost變換器、雙向SePic變換器、雙向半橋變換器等,下面對(duì)其工作原理分別進(jìn)行介紹。</p><p>　　A.雙向cuk變換器</p><p>　　雙向euk

101、變換器原理如圖2-16a。圖2-16b和圖2-16 c。繪出了雙向euk變換器正向工作時(shí)的電路圖。此時(shí)開關(guān)管Ql工作，Cuk變換器中的電容C3的容量要求很大，變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，C的電壓基本保持恒定。當(dāng)Ql導(dǎo)通時(shí)，電池組向電感Ll充電，電容C3經(jīng)負(fù)載和電感LZ放電;當(dāng)Ql關(guān)斷時(shí)，電池組和電感LI向電容C3充電，電感L向負(fù)載供電。</p><p>　　圖2-16d和圖2-16e繪出了cuk變換器反向工作時(shí)的電路圖。開

102、關(guān)管Ql截止，而QZ放電;當(dāng)QZ導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載向電感LZ充電，電容C3經(jīng)電池組向電池L、放電;當(dāng)QZ截止時(shí)，負(fù)載和電感L向電容C充電，電感L1向電池組供電。</p><p>　　a 雙向cuk變換器主電路</p><p>　　b 正向Q1開通工作電路 c 正向Q1關(guān)斷工作電路</p><p>　　d 反向Q2開通工作電路

103、 e 反向Q2關(guān)斷工作電路</p><p>　　圖2-16雙向cuk主電路及工作方式</p><p><b>　　B.雙向半橋變換器</b></p><p>　　雙向半橋變換器工作原理如圖2-17a。雙向半橋變換器正向上作時(shí)，開關(guān)管Ql工作，QZ截止，此時(shí)電路即為Boost升壓變換電路(如圖2-17b);反向工作時(shí)，開關(guān)管QZ工作，Q

104、I截止，此時(shí)電路即為Buek降壓變換電路(如圖2-17c)。</p><p>　　a 雙向半橋變換器主電路</p><p>　　b 正向升壓變換電路 c 反向降壓變換電路</p><p>　　圖 2-17雙向半橋主電路及工作方式</p><p>　　C.雙向變換器比較與選型</p><

105、;p>　　通過以上對(duì)四種雙向DC一DC變換器的分析，可以發(fā)現(xiàn)雙向半橋變換器相對(duì)其它三種變換器具有以下的優(yōu)點(diǎn):1、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單;2、開關(guān)元件和二極管承受的電壓、電流最小;3、利用電感傳遞能量，可以節(jié)省一只大容量的傳遞電容;4、器件的導(dǎo)通損耗最小，使得變換器效率更高。</p><p>　　基于以上這些優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)外混合動(dòng)力電動(dòng)汽車雙向DC一DC變換器多采用雙向半橋變換器。因此，本文也采用雙向半橋變換器，下

106、面對(duì)其進(jìn)行拓?fù)浞治觥?lt;/p><p>　　2.3.2 DC/DC變換器工作原理</p><p>　　如何在蓄電池和超級(jí)電容之間分配功率是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵問題，其基本方法是平均功率由蓄電池提供，而峰值功率由超級(jí)電容提供。復(fù)合電源控制策略的目標(biāo)都是在保證整車動(dòng)力性能的前提下，充分發(fā)揮超級(jí)電容“削峰填谷”的作用，減小大電流對(duì)電池的沖擊，延長電池的使用壽命，提高充放電效率;最大限度的回收制動(dòng)能量，提

107、高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。電機(jī)要求功率較大時(shí)，將其分成兩部分，快速變化的峰值功率由復(fù)合電源中的電容提供，而余下的平均功率由電池提供，這很好的綜合電池和超級(jí)電容兩者的特性。當(dāng)超級(jí)電容或電池能量較高或較低時(shí)，由另外一方對(duì)其進(jìn)行放電或接受其充電。</p><p>　　功率變換器DC/DC是超級(jí)電容與功率總線之間的一種周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是改變供給超級(jí)電容的電壓，實(shí)際上是作為一個(gè)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作的。由于采用斬去