黃耀武

福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院龍巖分院 福建省龍巖市 364000

1 引言

當(dāng)前從國際大環(huán)境來看，全球能量緊張，石油價(jià)格暴漲，機(jī)動(dòng)車數(shù)量激增，城市污染日趨嚴(yán)重，石油供給與市場需求的矛盾日趨突出。面對能源和環(huán)境問題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，高效，節(jié)能和綠色電動(dòng)汽車的發(fā)展將成為下一代汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。其中，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（鋰電池+超級電容器[1]，稱為電動(dòng)汽車）由于其在行駛中的技術(shù)性能和環(huán)保優(yōu)勢而引起了廣泛的關(guān)注。

2 超級電容

超級電容是近年來興起的一種新型儲能元件，具有使用壽命長、可瞬間釋放大電流、重量輕、低溫特性好、工作溫度范圍寬及環(huán)保等特點(diǎn)，已經(jīng)在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏產(chǎn)品、汽車電子、智能儀表、工業(yè)UPS電源、航空等重多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。尤其在電動(dòng)車及混合電動(dòng)車領(lǐng)域，采用電池與超級電容共用的復(fù)合電源，可明顯提高電動(dòng)車及混合動(dòng)力車的啟動(dòng)性能[2]、加速性能、低溫性能，同時(shí)還可在制動(dòng)時(shí)回收能量，安全性及可靠性能高，避免和緩解了單一使用電池所帶來的問題，已越來越多的被電動(dòng)車及混合動(dòng)力車生產(chǎn)商所采用。

電動(dòng)汽車的發(fā)展受到諸如電池壽命，車輛加速性能等電池技術(shù)的限制。如何解決與電池使用相關(guān)的問題已經(jīng)成為電動(dòng)汽車推廣和應(yīng)用的最大瓶頸。加裝超級電容，并將超級電容與各類動(dòng)力電池配合組成復(fù)合電源應(yīng)用于各類電動(dòng)車輛，是現(xiàn)有科技水平下可行的解決辦法之一。

電動(dòng)汽車正常行駛期間電池所需的平均功率不高，但制動(dòng)，加速和爬坡時(shí)的最大功率非常高。根據(jù)相關(guān)汽車研究部門的數(shù)據(jù)，當(dāng)前開發(fā)的電動(dòng)汽車的最高功率與平均功率之比達(dá)到16：1[3]。顯然，如果僅使用電池，則當(dāng)車輛需要瞬時(shí)大功率時(shí)，電池的放電容量顯然不足，很容易造成電池?fù)p壞。當(dāng)超級電容器與電池一起使用時(shí)，超級電容器可提供車輛在上坡或下坡時(shí)所需的瞬時(shí)大功率，避免了大電流對電池壽命致命影響的問題，除了提高車輛啟動(dòng)和加速性能外，電池壽命也大大延長。

另外電動(dòng)汽車在剎車過程中的能量回收也必須考慮，這樣可以降低能量消耗，減少充電次數(shù)，延長續(xù)駛里程，減少充電時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。由于電池是通過化學(xué)反應(yīng)充電的，因此需要較長時(shí)間，車輛制動(dòng)時(shí)間短，能量回收效果不佳，混合超級電容器和電池后車輛正在制動(dòng)。在過程中產(chǎn)生的反饋能量可以被超級電容器[4]迅速吸收。特別是在城市中行駛時(shí)，頻繁出現(xiàn)紅燈，車輛的起步速度和制動(dòng)頻繁發(fā)生，并且單獨(dú)使用電池對電池壽命和電能使用效率具有重大影響。相關(guān)研究表明，如果能夠有效地恢復(fù)制動(dòng)能量，在頻繁制動(dòng)和啟動(dòng)的城市道路上行駛可以使電動(dòng)汽車的行駛里程延長10%～40%。

綜上所述，超級電容器和電池的使用簡單地解決了使用電池所面臨的問題，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）提高車輛的起步和加速性能。超級電容器可以立即釋放大電流，為加速電動(dòng)汽車提供必要的能量保護(hù)；2）改善電池的工作條件并延長電池壽命。超級電容器的充電和放電特性使您可以平滑車輛電流的變化程度。它為蓄電池提供了相對良好的工作環(huán)境，并使電池在放電過程中處于相對穩(wěn)定的階段，避免了電池的瞬時(shí)大電流充電和放電，并延長了電池壽命。3）超級電容器有助于提高電動(dòng)汽車的冷啟動(dòng)性能，具有-40至65°C的寬溫度范圍，克服了電池在低溫下難以操作的缺點(diǎn)，并解決了汽車在低溫下啟動(dòng)的問題；4），可回收電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量：超級電容器的內(nèi)阻非常低，可以在短時(shí)間內(nèi)用大電流充電，并且可以在頻繁的制動(dòng)過程中回收車輛產(chǎn)生的能量，延伸。5）減少對電網(wǎng)的影響，提高充電質(zhì)量：在電動(dòng)汽車的充電過程中，超級電容器起到穩(wěn)壓和濾波的作用，降低充電過程中的紋波系數(shù)，提高充電質(zhì)量，保護(hù)電池。

3 行走系統(tǒng)

3.1 車頭控制器

車頭控制器主要任務(wù)是完成人機(jī)交互，對腳踏板指令進(jìn)行處理后，通過CAN光纖通訊將執(zhí)行指令傳送給其他控制器；并通過CAN光纖通訊采集其他控制器和管理系統(tǒng)各方面的運(yùn)行參數(shù)，顯示在面板上，方便讀取。其液晶顯示面板采用7英寸彩色顯示屏，顯示內(nèi)容分別是鋰電池總電壓總電流、牽引電機(jī)電流、故障代碼、車輛時(shí)速、運(yùn)行狀態(tài)、行駛總里程數(shù)等。主顯示畫面如圖2所示。

3.2 車尾控制器

1）動(dòng)態(tài)操控的實(shí)現(xiàn)

車尾控制器對操作指令進(jìn)行解析，然后向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令，根據(jù)電堆的狀態(tài)和車輛的瞬間過程，給予驅(qū)動(dòng)裝置一個(gè)運(yùn)動(dòng)訊息，從而使車輛運(yùn)動(dòng)或制動(dòng)。

2）能量回收算法的實(shí)現(xiàn)

具有能量回收功能是本系統(tǒng)的特征之一。當(dāng)整車在運(yùn)動(dòng)過程中接到需要制動(dòng)的指令時(shí)，車輛能夠依照內(nèi)嵌的算法給出能量回饋的訊息，將動(dòng)能在瞬間完成向電能的轉(zhuǎn)換，并且完成向超級電容和動(dòng)力鋰電池組的充電?；厥漳芰康乃查g大小將取決于車輛的動(dòng)態(tài)情況和超級電容及鋰電池組能量狀態(tài)。

3）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制是一個(gè)將電能直接轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的過程，車尾控制器在邏輯上向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制裝置發(fā)送指令，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的平穩(wěn)運(yùn)行指標(biāo)。

3.3 控制裝置

控制裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)力強(qiáng)電與控制弱電接口的過渡，完成車尾控制器執(zhí)行指令的相關(guān)動(dòng)作。

3.4 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分是直接完成調(diào)速控制的裝置。電動(dòng)機(jī)完全依照該驅(qū)動(dòng)裝置所給出的電壓、頻率訊息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又完成將電能與機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行交互的過程。該裝置既是整車動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)裝置，又是一個(gè)電制動(dòng)剎車能量轉(zhuǎn)換裝置。

3.5 運(yùn)動(dòng)電機(jī)

電動(dòng)機(jī)是車輛運(yùn)行的動(dòng)力部分，從驅(qū)動(dòng)器接收電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)命令，在此期間，電動(dòng)機(jī)通常會(huì)更改扭矩控制和速度控制模式。

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分通過機(jī)械速度編碼器反饋到驅(qū)動(dòng)單元，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以閉環(huán)控制模式運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩和速度的閉環(huán)控制模式使行駛中的車輛穩(wěn)定舒適。

3.6 電堆驅(qū)動(dòng)控制器

電堆驅(qū)動(dòng)控制器用于對超級電容和動(dòng)力型鋰電池兩種能量載體的能量輸出切換和互補(bǔ)輸出。在車輛啟動(dòng)或制動(dòng)過程中，將由超級電容擔(dān)負(fù)著能量載體，當(dāng)車輛進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，超級電容和動(dòng)力鋰電池之間的能量又能通過電堆驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行平衡。電堆驅(qū)動(dòng)控制器的主要作用是將動(dòng)力鋰電池與超級電容實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換。

3.7 電堆動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)

車輛動(dòng)力鋰電池和超級電容器的每個(gè)單元必須執(zhí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視和管理，管理信息必須發(fā)送回車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)控制器的驅(qū)動(dòng)操作模式。

1）超級電容平衡控制系統(tǒng)

在模塊組合的超級電容中具有自平衡裝置，當(dāng)超級電容在運(yùn)行中，某個(gè)單體達(dá)到上限值時(shí)，該平衡裝置會(huì)將其的能量進(jìn)行自動(dòng)平衡，以使所有的單體能量趨于一致。

2）動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)監(jiān)視和管理動(dòng)力鋰電池每個(gè)單元的參數(shù)，并將監(jiān)視參數(shù)傳輸?shù)杰囕v驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)過程的能量輸出控制。

3.8 藍(lán)牙信息傳送裝置

電堆的充電過程必須實(shí)現(xiàn)全程的監(jiān)控，必須依照動(dòng)力鋰電池組的參數(shù)特征進(jìn)行控制。藍(lán)牙信息傳送的過程就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，在充電過程中，地面充電站的充電過程的參數(shù)給出必須嚴(yán)格按照鋰電池的參數(shù)進(jìn)行，電堆動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)對其進(jìn)行全程監(jiān)控。

4 結(jié)論

本研究是在產(chǎn)品樣車的基礎(chǔ)上，通過實(shí)測得出的結(jié)果，設(shè)計(jì)的原則符合國家對車輛的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，經(jīng)過分析可得出如下結(jié)論：

（1）基本提供了在原有基礎(chǔ)上開發(fā)混合動(dòng)力超級電容器環(huán)衛(wèi)專用車的技術(shù)基礎(chǔ)；

（2）混合動(dòng)力超級電容環(huán)衛(wèi)專用車輛已通過測試，與能耗相比價(jià)格差異較大的車型具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與電動(dòng)汽車價(jià)格差異較大的車型相比，低能耗（每日能耗）和總體經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。

（3）混合超級電容器和環(huán)衛(wèi)專用車輛通過節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，減少對環(huán)境治理的投資并減少了對傳統(tǒng)能源渠道的保護(hù)，對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)具有極大的幫助[5]。

（4）增加電容器的充電量不僅會(huì)降低使用成本，而且還能保持電網(wǎng)的平衡。

（5）電池工業(yè)化和大規(guī)模發(fā)展的進(jìn)步將繼續(xù)改善電池的一致性，可靠性和安全性，并充分體現(xiàn)出用于環(huán)衛(wèi)專用車輛的混合電動(dòng)超級電容器的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[6，7]。

因此，發(fā)展混合電能在城市中的特殊應(yīng)用具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可以在城市運(yùn)營和管理領(lǐng)域積極推廣和應(yīng)用。