薄膜电容器
3收稿日期:2008212211
基金项目:安徽科技计划项目(06012142H )
储能薄膜电容器在电动汽车上的应用研究
孙 骏1
,赵 韩1
,邵康培
2
(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009;2.安徽铜峰电子(集团)公司,铜陵244000)
摘 要:针对目前电动汽车存在的初始成本高和一次充电的续驶里程短等问题,常采用电容器作为辅助能源来均衡负载并迅速吸收再生制动能量。与目前电动汽车使用的超级电容器相
比,薄膜电容器单体工作电压高,不需要进行充放电均衡控制,具有结构简单、成本低、抗振性好、无极性等优点,因此有广阔的应用前景。薄膜电容器样机系统的性能试验和道路试验结果表明:薄膜电容器系统可以作用电动汽车快速吸收制动再生能量和大功率放电的辅助动力源使用,但需要进一步解决薄膜电容器系统的能量密度小、自放电能量损失较大的问题,方能真正进入实用化阶段。关键词:电动汽车; 薄膜电容器; 辅助动力源; 再生制动; 试验
中图分类号:T M533+
.1 文献标识码:B 文章编号:167421757(2009)022*******
Study on Energy Storage F il m Capac itor Used i n Electr i c Veh i cle
S UN Jun 1
,Han 1
,SHAO Kang 2pei
2
(1.School ofMechanical and Aut omobile Engineering,Hefei University of Technol ogy,Hefei 230009;2.Anhui T ongfeng Electr onics (Gr oup )Co .,Tongling 244000,China )
Abstract:A t p resent,f or the p r oble m s,which exit in electric vehicles,such as high initial cost,short m ileage per charge and s o on,the electric vehicle usually use capacit ors as auxiliary s ource t o balance l oads and t o abs orb regenerati on braking energy rap idly .Compare with the ultra -capacit ors used in the electric vehicle,the fil m capacit ors seg ment has high volts and no use f or the balance of charging or discharging of seg ment .Theref ore,it has advantages such as si m p le structure,l ow cost,best anti -vibrati on,no polarity and has br oad app lied f oregr ound .The testing results of fil m capac 2it or indicate,that the large capacitance fil m capacit or can be used t o abs orb regenerati on braking en 2ergy rap idly,and high power discharge .Nevertheless,the large capacitance fil m capacit or can come int o p racticality stage as l ong as the p r oble m s such as l o w energy density and high self -discharging l oss of fil m capacit or syste m are s olved .
Keywords:Electric vehicle;Fil m capacit or;Auxiliary power s ource;Regenerati on braking;Test 0 引言
续驶里程短是目前制约电动汽车发展的瓶颈之一,因此,电动汽车常采用再生制动技术,将车辆减速时的动能转化为电能并进行储存利用。这对于提高电动汽车的车载能量和续驶里程等具有重要意义。
鉴于利用蓄电池作为电动汽车制动能量回收的储能设备,存在充放电频率低、不能迅速转化所吸收的大量能量等缺点,常采用大容量电容器作为辅助储能设备,与蓄电池进行有效匹配,以加大再生制动能量的回收能力。另外,由于电容器可起到负载均衡作用,能使蓄电池的放电性能得到改善,因此可改善车辆的启动性能和大功率充放电性能。
目前电动汽车上常用的大容量电容器是双电
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层电容器或电化学电容器,也称超级电容器。超级电容器是依靠电解质与电极间形成特有的双电
层结构和电极表面的氧化还原反应来存储能量的,单体电容量可达几千法拉,但单体工作电压只有1V ～3V,因此需要将多个超级电容器串联使用,以提高整体的工作电压。为保证超级电容器组中各单体能均衡地充放电,需要一套超级电容器组管理系统来进行控制,这导致了超级电容器价格昂贵、结构复杂。
薄膜电容器是一类以金属箔当电极,将其和聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜从两端重叠后,卷绕成圆筒状形状的电容器。其单体工作电压可达上千伏,不需要进行充放电均衡控制,直接将多个薄膜电容器并联起来,以提高整体的工作电容量,其结构简单、成本低。1 储能薄膜电容器样机系统
储能薄膜电容器样机系统由两组采用压扁式卷绕设计的大容量薄膜电容器组成,每组额定电容量为4000μF,分别有两个接线端子。当并联使用时,8000μF 。电容器的固体介质为金属化聚丙烯薄膜,它是在高温真空下将铝蒸发沉积在聚丙烯薄膜表面上,从而形成一层极薄的金属膜,金属化膜厚度仅为3μm ,采用安全防爆金属化镀膜技术和高真空浸油技术,当某一个电容器单元由于老化而击穿时,整体电容器组的电容量损失很小,因此大大延长了电容器的使用寿命
。
图1 储能薄膜电容器外形
电容器组的外壳由不锈钢材料冲制而成,如图1所示,外涂阻燃漆,保证不泄漏、耐腐蚀。为
使用方便,每组电容器引出两个接线端子,端子与上盖采用整体压铸,耐压强度高,密封性能好,绝缘性能稳定。整个系统的额定工作电压为1000V,外形尺寸(长×宽×高):340mm ×150mm ×400mm ,总重量24kg 。18℃、1.0V 、100Hz 测试
条件下的损耗角正切tan δ≤20×10-4
。2 储能薄膜电容器的道路性能试验试验车是在某轿车车身和部分底盘的基础上,采用蓄电池作为主要的动力源,配合超大容量电容器作为辅助动力源,组成的纯电动轿车(图2)。该纯电动轿车利用12只铅酸蓄电池作为主动力源,配合超大容量电容器作用辅助能源,该电动汽车的整备质量为1600kg,制动回馈的有效速度范围为60km /h ～20k m /h,时速可达80km /h,
续驶里程约110km 。
图2 电动汽车外形照片
图3是整车的系统框图,
包括电力驱动、主能
源和辅助控制三个子系统。
图3 电动车辆结构原理图
电力驱动子系统由电控单元、功率转换器、直
流无刷电动机、机械传动装置和驱动车轮组成,电控单元根据制动踏板和加速踏板输入的信号,做
出相应的控制指令,控制功率转换器来调节电动机和电源之间的功率流;主能源子系统由主能源、能量管理系统和充电系统构成,能量管理系统和电控单元一起控制再生制动及其能量的回收,能量管理系统和充电系统一同控制充电并监测电源
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的使用情况;辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能,供给电动汽车辅助
系统不同等级的电压并提供必要的动力。2.1 加速性能试验
按G B /T 18385-2001《电动汽车动力性能试验方法》的规定,加速性能试验分原地起步加速和连续加速试验两种。试验车辆加载到试验质量,增加的载荷应均匀地分布在乘客座椅上及行李箱内。
原地起步加速试验时,将试验车辆停放在试验道路的起始位置,并起动车辆。如果装有离合器和变速器的话,将变速器置入该车的起步挡位,迅速起步,将加速踏板快速踩到底,换入适当挡位,使车辆加速到(50±1)k m /h 。
图4是试验车辆原地加速到50k m /h 时的速度变化曲线。其中,实线是不接大容量薄膜电容器时的加速曲线;虚线是接入大容量薄膜电容器后的加速曲线
。
图4 原地加速到50k m /h 时的
速度变化曲线
图5是连续加速试验时,试验车辆以(50±1)km /h 行驶时,将加速踏板踩到底,记录车速从50km /h 到(80±1)k m /h (如果试验车辆的最高车速小于89k m /h,则为最高车速的90%)的加速
过程中速度变化曲线。
图5 直接档加速时的速度变化曲线
图中,实线是不接大容量薄膜电容器时的加速曲线;虚线是接入大容量薄膜电容器后的加速曲线。
从试验数据可知,急加速时,该电动汽车的放电性能在短时间内得到改善,加速性能得到提高,这主要是由于电容器的比功率远大于蓄电池的比功率,因此采用电容器为辅助能源系统后,能起到负载均衡作用,电池的放电电流得到减少,从而使电池的可利用能量、使用寿命得到提高,但由于使用的薄膜电容器容量偏小,因此仅在大电流放电的初期起作用,电容器的负载均衡作用较弱。2.2 连续行驶条件下的电池放电试验
标准G B /T 18386-2001《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》规定了电动汽车能量消耗率和续驶里程的两种试验方法。其中在道路上进行的等速法可考察电动汽车在等速条件下驶过的距离和能量消耗率,而在底盘测功机上进行的工况法还可考察电动汽车制动再生能量的回收能力。
参考电动汽车的工况法,我们进行了在道路上考察电动汽车制动再生能量回收能力的连续行驶试验。试验前,对汽车里程表进行校正,动力蓄电池全充满,规定的加载质量均匀地分布在乘客座椅及行李箱内。
选择市区有自然坡道的路段进行道路行驶试验,试验平均车速为(40±2)km /h,直到车辆的行驶速度达不到36km /h 时停止试验,在汽车行驶期间,记录电动汽车的行驶距离和母线电压。
图6是连续行驶条件下,电动汽车的母线电
压随汽车行驶距离的变化曲线。
图6 电动汽车的母线电压随汽车里程的下降曲线
在市区行驶工况下,车辆处于频繁的加速、制
动运动状态,每次制动过程很短(在几秒到几十秒之间),所以,电机在制动期间产生的再生电流是脉动的,这对于充电时间需要十几分钟乃至几
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小时的蓄电池而言,回收效率往往很低。而电容器可进行快速、大电流的充放电,从而提高了制动能量回收的效率,减缓了电动汽车母线电压的下降速度,延长了电动汽车的续驶里程。
另外从试验曲线可知,由于目前使用的薄膜电容器电容量很小,因此接和不接电容器时电动汽车制动能量回收的效果不明显。如能提高薄膜电容器的电容量,则可提高电动汽车的制动能量的回收能力。该电动汽车的整备质量为1600kg,制动回馈的有效速度范围为60k m/h～20k m/h,假设制动回馈的效率为η=80%,则可再生的制动能量E
Regen
为158024J或43.9W时,该电容器样机系统的电容量为0.008F,平均工作电压为800V,标称存储能量为2560J或0.71W时。因此,该电容器系统只能吸收少量的制动再生能量,但通过双向DC-DC变换器将薄膜电容器系统的额定工作电压控制在1500V,同时将电容器电容量提高到0.03F,则电容器的标称存储能量可达9.38W时,可吸收约20%的制动回馈能量,基本上满足了电动汽车制动回馈能量吸收的要求。
3 结论
1)电容器可进行大电流的快速充放电,能起到负载均衡作用,这对于提高回收制动再生能量、改善电动汽车动力性能、提高蓄电池的使用寿命十分有利。
2)薄膜电容器的单体工作电压很高,可直接将多个薄膜电容器并联起来,作为电动汽车的辅助能源系统。由于不需要充放电均衡控制电路,具有结构简单、成本低、抗振性好、无极性等优点,因此应用前景广阔。
3)目前薄膜电容器样机系统还存在静电电容量小、自放电能量损失较大等问题,需要进一步研究加以解决,才会被市场认可。
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[6]G B/T18386-2001,电动汽车能量消耗率和
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作者简介:
孙 骏(19662),男,安徽省人,博士,副教授,主要研究方向为电动汽车研制。
赵 韩(19522),男,安徽省人,教授,主要研究方向为电动汽车研制等方向。
邵康培(19442),男,江苏省人,总工程师,主要研究方向为薄膜电容器开发。
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作者简介:
武立锋(19842),男,硕士研究生,现在研究方向为电容器噪声问题。
曹晓珑(19452),男,教授,研究方向为电气绝缘测试技术;电缆技术;电介质结构与性能的关系。
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