蓄電池與超級(jí)電容器在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中的對(duì)比分析

吳澈，崔俊杰，劉昌（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

蓄電池與超級(jí)電容器在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中的對(duì)比分析

吳澈，崔俊杰，劉昌
（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

摘 要：文章主要在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）上進(jìn)行了鉛酸電池和超級(jí)電容器作為蓄能器的優(yōu)越性比較，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)出六種不同的方案。其中蓄能器作為變量，運(yùn)用ADVISOR軟件在UDDS循環(huán)駕駛工況下進(jìn)行仿真，得出蓄能器的SOC值變化范圍、車(chē)輛性能仿真結(jié)果以及等效燃油經(jīng)濟(jì)性，從而比較得出兩種蓄能器的適用性。

主題詞：燃料電池電動(dòng)汽車(chē)；鉛酸電池；超級(jí)電容器；比較

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.017

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-41-03

引言

隨著交通領(lǐng)域所突顯的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題，傳統(tǒng)汽車(chē)的改革勢(shì)在必行，在零排放純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)沒(méi)得到完全突破之前，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是解決環(huán)境與能源問(wèn)題的有效途徑之一。其中儲(chǔ)能裝置是混合動(dòng)力汽車(chē)中必不可少的元件，很大程度上決定了混合動(dòng)力汽車(chē)的性能[1]。得到應(yīng)用的儲(chǔ)能裝置主要有蓄電池、超極電容器、液壓儲(chǔ)能器等等，而目前應(yīng)用于串聯(lián)式混合的動(dòng)力汽車(chē)（SHEV）的蓄電池種類(lèi)繁多，但是根據(jù)相關(guān)部門(mén)研究，先進(jìn)的鉛酸電池和鋰電池是應(yīng)用在SHEV上范圍最廣的，同時(shí)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是SHEV的典型例子。本文主要在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)上，比較鉛酸電池與超極電容器的作為儲(chǔ)能器的適用性[1]。

1、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)與控制策略

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的一種，它的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。燃料電池和蓄能器共同為汽車(chē)提供動(dòng)力源。其控制策略采用的是“恒溫器式”+“功率跟隨式”，其中燃料電池提供基本功率，蓄能器在加速或爬坡時(shí)提供輔助動(dòng)力，當(dāng)蓄能器的荷電狀態(tài)（SOC值）低于某值時(shí)，由燃料電池給其充電，這樣既避免了蓄能器的過(guò)充過(guò)放，也能使燃料電池保持在最大功率范圍內(nèi)工作[2]。

2、蓄能器設(shè)計(jì)方案

儲(chǔ)能系統(tǒng)是整車(chē)的能量源之一，為整車(chē)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)對(duì)整車(chē)參數(shù)的分析計(jì)算，確定儲(chǔ)能器的功率需求，并對(duì)蓄能器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

2.1 車(chē)輛基本參數(shù)的選定與設(shè)計(jì)目標(biāo)

查閱相關(guān)資料，給出了燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的主要參數(shù)，如表1[3]和表2[4]所示。

表1　車(chē)輛基本參數(shù)

表2　設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.2 功率計(jì)算與分配[3]

在串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)中，汽車(chē)的最大功率可

用下面的式子計(jì)算：

根據(jù)上述公式，假定汽車(chē)總質(zhì)量m=1640kg，可以計(jì)算出汽車(chē)在平直路面以130km/h的最大速度行駛時(shí)，P=31.4kw。

在最大坡度為25%的路面上以30km/h的速度行駛時(shí)，P=42.3kw。

車(chē)輛在20秒內(nèi)從0加速到100km/h所需的最大功率P=140.2kw。根據(jù)上述計(jì)算，若發(fā)動(dòng)機(jī)選的最大功率設(shè)計(jì)為50kw，而儲(chǔ)能器的功率至少為95kw（包括電器負(fù)載）。

2.3設(shè)計(jì)方案

表3　蓄能器特性比較

本文采用的是Hawker牌Genesis EP系列蓄電池以及Maxwell超級(jí)電容器，它們的基本參數(shù)對(duì)比如表3所示[5]。

通過(guò)上述參數(shù)比較，可以得出超級(jí)電容器在質(zhì)量、比功率、循環(huán)壽命以及效率上相比蓄電池有很大優(yōu)勢(shì)，并提出了如下四種方案，并為了直觀比較四種方案，列出各方案如下表4。

方案1：采用30塊鉛酸電池，電池的峰值功率可為103.8 kW，整車(chē)質(zhì)量為1640Kg。

方案2：采用45塊鉛酸電池，電池的峰值功率為155.7 kW，汽車(chē)的滿載質(zhì)量為1805kg。

方案3：采用60塊鉛酸電池，電池的峰值功率為207.6 kW，汽車(chē)的滿載質(zhì)量為1970kg。

方案4：采用100只超級(jí)電容器，它的峰值功率為102kW，整車(chē)的質(zhì)量為1350.8kg。

方案5：采用150只超級(jí)電容器，它的峰值功率為153kW，整車(chē)質(zhì)量為1371.2kg。

方案6：采用200只超級(jí)電容器，它的峰值功率為204Kw，汽車(chē)的滿載質(zhì)量為1391.6kg。

表4　設(shè)計(jì)方案

3、性能仿真比較

本次是燃料電池電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)UDDS工況（城市循環(huán)工況）的仿真模擬如下圖1所示，仿真的結(jié)果有蓄能器的瞬時(shí)功率、SOC值變化范圍、充電效率，以及不同蓄能器帶來(lái)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性比較。

3.1 SOC值變化范圍對(duì)比

SOC值變化圖仿真結(jié)果分別如下圖所示。由圖2可知超級(jí)電容器的SOC值變化范圍在0.4~0.8之間，圖3顯示了蓄電池的SOC值的變化范圍在0.78~0.8之間。

3.2 動(dòng)力性比較

動(dòng)力性能主要包括車(chē)輛從0加速到60mile/h，40mile/h加速到60mile/h，0加速到85mile/h的時(shí)間，以及最大車(chē)速和在55mile/h下的最大爬坡度，仿真結(jié)果如下表5所示。方案1、2、3是鉛酸電池作為蓄能器的仿真結(jié)果，它們的蓄電池的元件的個(gè)數(shù)成倍數(shù)遞增，可以看出無(wú)論提速時(shí)間、最大車(chē)速還是爬坡能力都有所提高，但是效果不是很明顯；方案4、5、6是超級(jí)電容器作為蓄能器的仿真結(jié)果，同樣隨著電容器個(gè)數(shù)的增加，方案5的性能優(yōu)于方案4的性能，方案6的性能優(yōu)于方案5，動(dòng)力性能顯著提高。

表5　車(chē)輛動(dòng)力性能仿真結(jié)果

3.3 等效燃油經(jīng)濟(jì)性比較

等效燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如下表6，根據(jù)汽油的熱值、密度和儲(chǔ)能系統(tǒng)消耗的能量來(lái)計(jì)算MPGGE的值[6]。

表6　等效燃油經(jīng)濟(jì)性（MPGGE）

從表中數(shù)據(jù)可以看出方案1、2、3隨著蓄電池的個(gè)數(shù)增加，燃油經(jīng)濟(jì)性反而下降，而方案4、5、6隨著超級(jí)電容器的個(gè)數(shù)增加，等效燃油經(jīng)濟(jì)性沒(méi)有明顯的改變。

4、結(jié)論

通過(guò)前面的分析與仿真可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

（1)超級(jí)電容器的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉛酸電池，而且循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉛酸電池，減少后期維修成本。

（2）超級(jí)電容器有較高的比功率特性，可以同時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車(chē)的動(dòng)力性能。

（3）從蓄能器的SOC值變化范圍仿真結(jié)果圖可以看出，超級(jí)電容器的SOC值的變化范圍大，能更有效的配合燃料電池。

（4）超級(jí)電容器的充放電過(guò)程不需要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以其充放電效率高于蓄電池的效率。

（5）隨著超級(jí)電容器的個(gè)數(shù)的增加，動(dòng)力性能可以顯著提高，且等效燃油經(jīng)濟(jì)性改變不大，鉛酸電池隨個(gè)元件個(gè)數(shù)增加，動(dòng)力性能有所增加，但是由于質(zhì)量增加明顯，反而降低了等效燃油經(jīng)濟(jì)性。

（6）總而言之，根據(jù)提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)和基本參數(shù)，在蓄能器的改變下，通過(guò)ADVISOR的性能仿真，得出與鉛酸電池相比，超級(jí)電容器對(duì)于燃料電池混合動(dòng)力汽車(chē)更具有適用性。

參考文獻(xiàn)

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[6] Brooker,A.,Haraldsson,K.,Hendricks,T.etal.(2002)ADVISOR Documentation, Version 2002,National Renewable Energy Laboratory.

Comparison between storage battery and super capacitor of fuel cell electric vehicle

Wu Che, Cui Junjie, Liu Chang
( school of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051 )

Abstract:In this paper, the advantages of the lead-acid battery and supercapacitor serving as the energy accumulator on the fuel cell electric vehicle(FCEV) has been mainly comparatively analysed.By calculation,six different cases were design ed,taking the energy accumulator as a variable.Under the condition of UDDS driving cycles,the model simulation was perf ormed by software ADVISOR.In this way the results of vehicle performance simulation were obtained.What's more,the equ ivalent fuel economy was analysed in detail.Finally two kinds of energy accumulators were compared to find out which on e is better for use.

Keywords:FCEV; lead-acid battery; supercapacitor; comparison

作者簡(jiǎn)介：吳澈，在讀研究生，就讀于中北大學(xué)，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)。

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-41-03