蓄電池與超級電容器在燃料電池電動汽車中的對比分析

吳澈，崔俊杰，劉昌（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

蓄電池與超級電容器在燃料電池電動汽車中的對比分析

吳澈，崔俊杰，劉昌
（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

摘 要：文章主要在燃料電池電動汽車（FCEV）上進行了鉛酸電池和超級電容器作為蓄能器的優越性比較，通過計算設計出六種不同的方案。其中蓄能器作為變量，運用ADVISOR軟件在UDDS循環駕駛工況下進行仿真，得出蓄能器的SOC值變化范圍、車輛性能仿真結果以及等效燃油經濟性，從而比較得出兩種蓄能器的適用性。

主題詞：燃料電池電動汽車；鉛酸電池；超級電容器；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

隨著交通領域所突顯的環境污染和能源短缺問題，傳統汽車的改革勢在必行，在零排放純電動汽車技術沒得到完全突破之前，混合動力電動汽車是解決環境與能源問題的有效途徑之一。其中儲能裝置是混合動力汽車中必不可少的元件，很大程度上決定了混合動力汽車的性能[1]。得到應用的儲能裝置主要有蓄電池、超極電容器、液壓儲能器等等，而目前應用于串聯式混合的動力汽車（SHEV）的蓄電池種類繁多，但是根據相關部門研究，先進的鉛酸電池和鋰電池是應用在SHEV上范圍最廣的，同時燃料電池電動汽車是SHEV的典型例子。本文主要在燃料電池電動汽車的基礎上，比較鉛酸電池與超極電容器的作為儲能器的適用性[1]。

1、燃料電池電動汽車的結構與控制策略

燃料電池電動汽車是串聯式混合動力汽車的一種，它的結構示意圖如下圖1所示。燃料電池和蓄能器共同為汽車提供動力源。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提供輔助動力，當蓄能器的荷電狀態（SOC值）低于某值時，由燃料電池給其充電，這樣既避免了蓄能器的過充過放，也能使燃料電池保持在最大功率范圍內工作[2]。

2、蓄能器設計方案

儲能系統是整車的能量源之一，為整車提供驅動力，通過對整車參數的分析計算，確定儲能器的功率需求，并對蓄能器進行方案設計。

2.1 車輛基本參數的選定與設計目標

查閱相關資料，給出了燃料電池電動汽車的主要參數，如表1[3]和表2[4]所示。

表1　車輛基本參數

表2　設計目標

2.2 功率計算與分配[3]

在串聯混合動力汽車中，汽車的最大功率可

用下面的式子計算：

根據上述公式，假定汽車總質量m=1640kg，可以計算出汽車在平直路面以130km/h的最大速度行駛時，P=31.4kw。

在最大坡度為25%的路面上以30km/h的速度行駛時，P=42.3kw。

車輛在20秒內從0加速到100km/h所需的最大功率P=140.2kw。根據上述計算，若發動機選的最大功率設計為50kw，而儲能器的功率至少為95kw（包括電器負載）。

2.3設計方案

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超級電容器，它們的基本參數對比如表3所示[5]。

通過上述參數比較，可以得出超級電容器在質量、比功率、循環壽命以及效率上相比蓄電池有很大優勢，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，整車質量為1640Kg。

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

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

方案4：采用100只超級電容器，它的峰值功率為102kW，整車的質量為1350.8kg。

方案5：采用150只超級電容器，它的峰值功率為153kW，整車質量為1371.2kg。

方案6：采用200只超級電容器，它的峰值功率為204Kw，汽車的滿載質量為1391.6kg。

表4　設計方案

3、性能仿真比較

本次是燃料電池電動汽車通過UDDS工況（城市循環工況）的仿真模擬如下圖1所示，仿真的結果有蓄能器的瞬時功率、SOC值變化范圍、充電效率，以及不同蓄能器帶來的動力性、經濟性比較。

3.1 SOC值變化范圍對比

SOC值變化圖仿真結果分別如下圖所示。由圖2可知超級電容器的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 動力性比較

動力性能主要包括車輛從0加速到60mile/h，40mile/h加速到60mile/h，0加速到85mile/h的時間，以及最大車速和在55mile/h下的最大爬坡度，仿真結果如下表5所示。方案1、2、3是鉛酸電池作為蓄能器的仿真結果，它們的蓄電池的元件的個數成倍數遞增，可以看出無論提速時間、最大車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是超級電容器作為蓄能器的仿真結果，同樣隨著電容器個數的增加，方案5的性能優于方案4的性能，方案6的性能優于方案5，動力性能顯著提高。

表5　車輛動力性能仿真結果

3.3 等效燃油經濟性比較

等效燃油經濟性仿真結果如下表6，根據汽油的熱值、密度和儲能系統消耗的能量來計算MPGGE的值[6]。

表6　等效燃油經濟性（MPGGE）

從表中數據可以看出方案1、2、3隨著蓄電池的個數增加，燃油經濟性反而下降，而方案4、5、6隨著超級電容器的個數增加，等效燃油經濟性沒有明顯的改變。

4、結論

通過前面的分析與仿真可以總結出以下幾點：

（1)超級電容器的質量遠遠小于鉛酸電池，而且循環壽命遠遠超過鉛酸電池，減少后期維修成本。

（2）超級電容器有較高的比功率特性，可以同時提高燃油經濟性和汽車的動力性能。

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

（4）超級電容器的充放電過程不需要進行化學反應，所以其充放電效率高于蓄電池的效率。

（5）隨著超級電容器的個數的增加，動力性能可以顯著提高，且等效燃油經濟性改變不大，鉛酸電池隨個元件個數增加，動力性能有所增加，但是由于質量增加明顯，反而降低了等效燃油經濟性。

（6）總而言之，根據提出的設計目標和基本參數，在蓄能器的改變下，通過ADVISOR的性能仿真，得出與鉛酸電池相比，超級電容器對于燃料電池混合動力汽車更具有適用性。

參考文獻

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[2] 李曉英，于秀敏，李君，吳志新. 串聯混合動力汽車控制策略[J].吉林大學學報，2005,35(02)：122-126.

[3] 余志生,夏群生.汽車理論(第四版)[M].北京:機械工業出版社, 2006.

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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

作者簡介：吳澈，在讀研究生，就讀于中北大學，研究方向為新能源汽車。

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-41-03