超级电容和蓄电池混合使用

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超级电容器在电动汽车中的应用

分类:锂电池管理更新时间:2009-12-13 20:27:58

在电机控制系统中,为了提高电机的启动性能,是电机转动更加平稳,都会在电机电源附近并联一个大的电解电容。这是因为电机启动瞬间,由静止开始动作所需要的电流非常大,这个大电流会将电源电压突然拉低,导致电机性能变差。根据电机的功率不同,电容容量可以有不同选择。如果是电动汽车或混合动力车,需要的容量和耐压就更大,这样普通电解电容已经不能胜任,业内常用的做法是应用超级电容器。下面简单介绍超级电容器的应用。

1,特性简介

超级电容器,是指它的容量超级。关于它的原理,材料,制造工艺,这里不做介绍。下图是2.3V2000F的电容和一节一号电池的比较,可以对超级电容器有一个概念。

超级电容器作为与蓄电池相提并论的储能器件,最显著的特性是功率密度高,容量大,可快速充电,大电流放电,可充放电次数多(50万次),安全,环保。缺点是体积大,能量密度低,自放电率高,单体耐压低。而且跟蓄电池相比,与其它电容相同,放电过程中它的电压是持续下降的。

基于以上特点,超级电容器不适合作为主要能量存储单元,而是在能量回收系统,改善启动性能方面广泛应用。

2,充放电特性

电容器的充电有两种方式:固定电阻和固定电流方式。固定电阻方式比较简单,但在电阻上的损失功率比较大,而且充电慢,一般在预充电(per-charge)时用。固定电流充电,跟锂电池的充电类似,但充电电流可以大得多。固定电流充电时间公式如下:

下图是对2个2.3V2000F串联超级电容器充放电特性曲线,实际容量1000F,最高电压4.6V,放电中止电压约0.7V。

充电固定电流2A:

可以看出,固定电流充电时的曲线与锂电池极其相似。但是超级电容器可以承受的电流时锂电池的数十倍,所以充电速度也远远高于锂电池。实际上超级电容器充电的速度限制主要是充电器的承受能力。

2A放电曲线:

超级电容器放电时的电压是急速下降的,这一点跟电池不同。这也决定了超级电容器不适合作为主要的储能单元使用。但是它可以大电流持续放电,所以作为蓄电池的补充,是很有意义的。

3,串联成超级电容器组

一般超级电容器的单体耐压只有1.5V~2.5V,如果应用在电动汽车/混合动力车上,需要串联使用。而超级电容器的串联,与锂电池的串联又有些相似——为保证能量充分利用,需要均衡系统。超级电容器的均衡系统,完全可以用锂电池均衡系统的结构:电阻分流,电感/电容/变压器能量转移,具体可以参考本人以前的或者网上其他的文章。

在要求不高的场合,也可以使用更简单,更廉价的电阻分流式均衡,如下图所示:

至于原理,基本上是检测单体电压,然后打开三极管或者稳压二极管进行放电行为,具体动作不在分析,有兴趣的可以研究。下面重点介绍超级电容器与电池的并联系统。

4,与电池的并联

根据超级电容器的特性,它的主要应用之一就是与动力电池并联,在负载突然增大时提供大电流。典型的并联方式如下图:

电机正常工作时由锂电池组提供电流,这个额定电流由电池的特性决定。同时系统启动时通过充电电路,由电池向超级电容器充电。

当电机启动,或者负载突然增加时,这时电机需要的电流是额定电流的几倍。而对于电池来讲,突然提供一个很大的电流将会使电池电压迅速降低,从而电机的性能不能达到正常水平。

如果如上图所示并联了超级电容器,那么这个突然增加的电流可以由电容器提供。这样,电池两端电压变化,电池流出的电流变化都会大大减小,不仅对改善电机的性能有很大帮助,对于电池寿命的影响也大大减小。

下面两张图是汽车启动时,电池端并联超级电容器前后电池电压和电流的比较。可以明显的看出,有了超级电容器,电池的瞬间输出功率显著增加。

作为锂电池,能够提供的瞬间电流跟铅蓄电池相比要小得多,所以在以锂电池为动力的电动汽车或者混合动力车上,配合超级电容器使用应该是不错的选择。至于选择的容量,需要根据电池,电机的功率来计算,并且要经过在各种情况下的试验之后才能确定。毕竟这东西,容量小了达不到理想效果,容量大了,浪费钱。

值得一提的是,超级电容器作为主要储能单元,也已经有了实际的应用,比如北京的Y6路,充一次电跑一个来回;上海的11路公交车,在每个车站迅速充电。作为辅助动力,在本田上一代的燃料电池FCX上也有使用。

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