超级电容在电动汽车上的应用_16页_1mb

超级电容在电动汽车上的应用总结

核心内容

超级电容器作为一种新型储能装置，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命、宽工作温度范围等优点，正在被广泛应用于电动汽车领域。它不仅能够有效回收制动能量，还能够提升车辆的动力响应和能量利用效率，是传统蓄电池的重要补充或替代方案。

主要观点

• 超级电容器的机理
  超级电容器基于电化学双电层理论，通过在电极表面形成双电荷层来实现电能的存储，其电容量远高于普通电容器，且具备优良的脉冲充放电性能。

• 超级电容器的特点

  • 高功率密度：输出功率密度可达数 $\mathrm{kW/kg}$，是蓄电池的数十倍。
  • 长寿命：可循环充放电50万次或9万小时，远超蓄电池的数百次。
  • 大电流：可提供高达950A的额定放电电流和1680A的峰值放电电流。
  • 极长的存储寿命：理论上可视为无限，无化学反应，无物质生成。
  • 高可靠性：无运动部件，维护少，可靠性高。
  • 比能量低：虽比能量不如蓄电池，但可通过与蓄电池配合使用弥补这一劣势。
  • 快速充电：可在3-5分钟内完成快充，适合城市交通频繁启停的场景。

• 超级电容器与蓄电池的性能对比
  超级电容器在快速充放电、循环寿命、工作温度范围等方面优于蓄电池，但比能量较低，无法单独满足电动汽车的长续航需求。

关键信息

超级电容主要参数

• 工作电压：电容器能够连续长期保持的最大电压。
• 电流：用于电容器稳定状态的外部电流。
• 时间常数（τ）：电容和等效串联电阻（$R_C$）的乘积，影响充放电效率。
• 放电容量：放电过程中释放的总能量。
• 理想存贮能量：通过公式 $E = 0.5CU_{W}^{2}$ 计算。
• 平均放电功率：平均放电电流与电压的乘积。
• 最大输出功率：通过公式 $P = U^{2}/(4R)$ 计算。
• 放电效率：放电能量与充入能量的比值。

充放电时间常数的确定

• 充放电效率与充放电深度和时间相关。
• 时间常数越小，充放电效率越高，且充放电时间可设计相等。
• 电容器的成本随时间常数增大而增加，因此应选择时间常数较小的电容器。

应用案例

• 兰博基尼 Sián系列：全球首款量产超级电容混动超跑，超级电容集成在变速箱，比锂电池轻30%，能量回收效率>90%，综合功率达830马力。
• 红旗 H5混动版：全系配备超级电容，用于启停和急加速辅助，延长主电池寿命并提升低温启动性能。
• 沃尔沃 48V轻混系统：采用Maxwell超级电容，降低电池峰值负荷，提升启停响应。
• 凯迪拉克 ATS/CTS：超级电容用于电压稳定，启停响应时间短至0.3秒，节油8%。
• 超级电容公交车：如上海、广州等地的运营车辆，3-5分钟快充，续航20-40km，制动能量回收效果显著。
• 宇通/金龙/安凯混动/纯电客车：超级电容用于制动能量回收，提升系统效率，延长电池寿命。
• 三一重工等重卡/工程机械：使用超级电容进行启停和能量回收，减少油耗和机械磨损。
• 部分国产混动SUV/轿车：如吉利、长安的48V轻混车型，利用超级电容优化启停与动力响应。

仿真分析

• 采用向前仿真与向后仿真相结合的方法，用于电动汽车设计与控制策略优化。
• 仿真模型基于ADVISOR车辆仿真软件，使用**EPA城市道路循环工况（UDDS）**进行测试。
• 仿真数据包括：
  • 循环时间：1369秒
  • 行驶路程：11.99公里
  • 最高车速：91.25 km/h
  • 电容单元最大电压：3V
  • 电容组单元数量：50个
  • 电机额定电压：144V
  • 电机额定功率：16kW
• 仿真结果表明：
  • 最高车速为83.8 km/h
  • 30 km/h爬坡度为5.6%
  • 最大加速度为0.9 m/s²
  • 0-40 km/h加速时间为2.6秒
• 仿真曲线展示了：
  • 驾驶工况变化
  • 电能输出随时间的变化
  • 超级电容SOC值变化
  • 电机扭矩变化

超级电容原理简介

• 双电层结构：超级电容器通过在电极表面形成双电荷层，实现大容量储能。
• 等效电路图：超级电容可模拟为电容和电阻的串联结构，用于分析充放电特性。

超级电容Simulink模型

• 模型功能：用于模拟超级电容的充放电过程及系统集成。
• 仿真结果：
  • 循环等功率充放电曲线
  • 电压变化曲线
  • SOC值变化曲线
  • 电流变化曲线

结束语

• 超级电容器在新能源汽车中具有高效、清洁、无污染、功率密度大等优势。
• 它在制动能量回收、快速启停、提升系统效率等方面表现突出。
• 随着技术的不断进步，超级电容器在电动汽车领域展现出广阔的发展前景。