CN106503412B - 电动汽车中超级电容器的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车中超级电容器的评估方法，包括：计算车辆加速过程中的最大需要能量；根据最大需要能量，计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1，以及完全由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2；计算车辆最大制动回馈能量；根据最大制动回馈能量，计算超级电容器吸收回馈能量需要的最小容量C_c；根据最小容量C_f1和最小容量C_f2评估超级电容器的放电能力；根据最小容量C_c评估超级电容器的充电能力。本发明提出一种简单清晰的电动汽车用超级电容器的工程评估方法，为整车与超级电容的匹配提出指导。

Description

电动汽车中超级电容器的评估方法

技术领域

本发明涉及电容测试方法，更具体地说，涉及一种电动汽车中超级电容器的评估方法。

背景技术

电动汽车使用电池组1作为能量来源，但以电池作为能量源的电动汽车比功率低、充电时间较长等问题一直受限于电池技术而限制了电动汽车的快速发展。而作为另一种储能元件超级电容，从充放电角度考虑，较适合作为车载电源。但其比能量过低，导致持续放电能力不够而限制了它的使用。现在较好的方法是将二者结合起来，充分发挥蓄电池比能量大、超级电容比功率高的特性，则能较好的解决单一储能设备作为车载电源的局限性问题。

电动汽车动力系统如图1所示，动力电池组1向电机2提供电动车巡航时的电流，并通过DCDC变换器3给超级电容器4充电，超级电容器4在电动车加速、制动等时刻提供或者吸收瞬时的大电流。超级电容器4作为储能缓冲器件，理论上越大越好，可以降低动力电池组1的电流变化，快速响应电动车的加速、制动要求，但是由于成本、重量、体积等限制，需要从系统整体来评估超级电容的容量。

但是，应用超级电容器4需要在现在的电动汽车基础上额外付出成本、重量的代价，如何选择和评估合适的超级电容器4是一个重要的问题。

超级电容器4的选择和评估缺少统一、明了的工程化方法，现在主要依靠经验或者仿真方法来指导设计和选型。前者依赖人的主观判断，后者的模型复杂、参数繁多，例如文献：于远彬车载复合电源设计理论与控制策略研究吉林大学博士学位论文中所提及的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的超级电容器的评估模型复杂、参数繁多的问题，本发明的目的是提供一种电动汽车中超级电容器的评估方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电动汽车中超级电容器的评估方法，包括：计算车辆加速过程中的最大需要能量；根据最大需要能量，计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1，以及完全由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2；计算车辆最大制动回馈能量；根据最大制动回馈能量，计算超级电容器吸收回馈能量需要的最小容量C_c；根据最小容量C_f1和最小容量C_f2评估超级电容器的放电能力；根据最小容量C_c评估超级电容器的充电能力。

根据本发明的一实施例，车辆加速过程中最大需要能量E_f＝P_e×t；其中，P_e为电机额定功率；t为车辆加速时间。

根据本发明的一实施例，完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1为：其中，U₁为超级电容器的开始放电电压，U₂为超级电容器的中止放电电压，η_D为DCDC转换器效率，η_C1为超级电容器放电效率。

根据本发明的一实施例，完全由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2为：其中，I_B为电池组额定放电电流，U₁为超级电容器的开始放电电压，U₂为超级电容器的中止放电电压，η_D为DCDC转换器效率，η_C1为超级电容器放电效率，U_e为超级电容的额定电压。

根据本发明的一实施例，车辆最大制动回馈能量其中，m为整车质量，v₁为电动车制动前速度，v₂为电动车制动后速度，η_h为制动能量回收效率。

根据本发明的一实施例，超级电容器吸收回馈能量需要的最小容量C_c为：其中，U₁′为超级电容器的中止充电电电压，U₂′为超级电容器的开始充电电压，η_D为DCDC转换器效率，η_C2为超级电容器充电效率。

根据本发明的一实施例，对于给定的超级电容容量C：如果C≥C_f1，则放电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以单独负担电动车的任何瞬时大功率放电，电池组不会受到影响；如果C_f1≤C＜C_f2，则放电容量较充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以和电池组共同负担电动车的任何瞬时大功率放电，电池组放电不会超过额定放电电流；如果C＜C_f2，则放电容量欠充裕，表明在某些情况下，为了满足电动车的加速性能，电池组需要以超过额定放电电流放电。

根据本发明的一实施例，对于给定的超级电容容量C：如果C≥C_c，则充电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以完全吸收电动车的制动回馈能量；如果C＜C_c，则充电容量欠充裕，表明在某些情况下，电动车制动能量无法完全被吸收。

在上述技术方案中，本发明的电动汽车中超级电容器的评估方法提出一种简单清晰的电动汽车用超级电容器的工程评估方法，为整车与超级电容的匹配提出指导。

附图说明

图1是电动汽车动力系统示意图；

图2是本发明电动汽车中超级电容器的评估方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，对于给定的超级电容器，额定电压U_e，容量C，本发明的超级电容器评估方法包含如下步骤：

步骤A.计算车辆加速过程中最大需要能量E_f。

E_f＝P_e×t

其中：P_e为电机额定功率；t为车辆加速时间。

电动车加速需要的最大能量与工况、驾驶习惯等都有关系，车辆加速时间t取电动车正常情况下最大加速时间，正常行驶时电机功率不会超过额定功率P_e。

步骤B.计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1。

其中：U₁为超级电容器的开始放电电压；U₂为超级电容器的中止放电电压；η_D为DCDC转换器效率；η_C1为超级电容器放电效率。

超级电容的开始放电电压U₁可能随工况、能量管理策略的变化而不同，在计算最小需要容量时可以取为额定电压U_e；超级电容的中止放电电压U₂随实际的电容器、DCDC转换器情况而定，通常不应该低于DCDC转换器η_D与超级电容器端电压相关，可以取平均值；超级电容器放电效率η_C1与超级电容器充放电时间、充放电深度有关，也可以取平均值。

步骤C.计算完全由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2。

其中：I_B为电池组额定放电电流，U_e为超级电容的额定电压，其他参数与上式相同。

步骤D.计算车辆最大制动回馈能量E_c。

其中：m为整车质量；v₁为电动车制动前速度，可以取电动车最高行驶速度；v₂为电动车制动后速度，可以取为0，η_h为制动能量回收效率。

步骤E.计算超级电容器吸收回馈能量需要的最小容量C_c。

其中：U₁′为超级电容器的中止充电电电压；U₂′为超级电容器的开始充电电压；η_C2为超级电容器充电效率。其他参数与前式相同。

超级电容的开始充电电压U₂′为制动开始时的电压，随工况、能量管理策略的变化而随时变化，在计算最小需要容量时通常可以取为超级电容的中止充电电压U₁′可以定位额定工作电压U_e；超级电容器充电效率η_C2同样与超级电容器充放电时间、充放电深度有关，也可以取平均值。

步骤F.超级电容器放电能力评估：

如果C≥C_f1，则放电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以单独负担电动车的任何瞬时大功率放电，电池组不会受到影响。

如果C_f1≤C＜C_f2，则放电容量较充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以和电池组共同负担电动车的任何瞬时大功率放电，电池组放电不会超过额定放电电流。

如果C＜C_f2，则放电容量欠充裕，表明在某些情况下，为了满足电动车的加速性能，电池组需要以超过额定放电电流放电。

步骤G.超级电容器充电能力评估：

如果C≥C_c，则充电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以完全吸收电动车的制动回馈能量。

如果C＜C_c，则充电容量欠充裕，表明在某些情况下，电动车制动能量无法完全被吸收。

下面通过几个实施例来进一步说明上述技术方案。

实施例1

对于给定的超级电容器，额定电压U_e＝380V，容量C＝20F，本评估方法包含如下步骤：

A.电机额定功率P_e＝20000W，最大加速时间t＝50s，计算车辆加速过程中最大需要能量E_f。

E_f＝P_e×t＝1000000J

B.超级电容器的开始放电电压U₁＝U_e＝380V，超级电容器的中止放电电压DCDC转换器效率η_D＝80％，为超级电容器放电效率η_C1＝90％，可以计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1。

C.电池组额定放电电流I_B＝20A，计算完由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2。

D.整车质量m＝1000kg；电动车制动前速度v₁＝80km/h，；电动车制动后速度v₂＝0km/h，制动能量回收效率η_h＝25％，计算车辆最大制动回馈能量E_c。

E.超级电容器的中止充电电电压U₁′＝380V，超级电容器的开始充电电压U₂′＝190V，超级电容器充电效率η_C2＝0.9，可以计算超级电容其吸收回馈能量需要的最小容量C_c。

F.超级电容器放电能力评估：

C_f1≤C＜C_f2，放电容量较充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以和电池组共同负担电动车的任何瞬时大功率放电，电池组放电不会超过允许放电最大电流。

G.超级电容器充电能力评估：

C≥C_c，充电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以完全吸收电动车的制动回馈能量。

实施例2

对于给定的超级电容器，额定电压U_e＝800V，容量C＝10F，本评估方法包含如下步骤：

A.电机额定功率P_e＝40000W，最大加速时间t＝40s，计算车辆加速过程中最大需要能量E_f。

E_f＝P_e×t＝1600000J

B.超级电容器的开始放电电压U₁＝U_e＝800V，超级电容器的中止放电电压DCDC转换器效率η_D＝80％，为超级电容器放电效率η_C1＝90％，可以计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1。

C.电池组额定放电电流I_B＝20A，计算完由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2。

D.整车质量m＝3000kg；电动车制动前速度v₁＝80km/h，；电动车制动后速度v₂＝0km/h，制动能量回收效率η_h＝25％，计算车辆最大制动回馈能量E_c。

E.超级电容器的中止充电电电压U₁′＝800V，超级电容器的开始充电电压U₂′＝400V，超级电容器充电效率η_C2＝0.9，可以计算超级电容其吸收回馈能量需要的最小容量C_c。

F.超级电容器放电能力评估：

C≥C_f1，放电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以单独负担电动车的任何瞬时大功率放电，电池组不会受到影响。

G.超级电容器充电能力评估：

C≥C_c，充电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以完全吸收电动车的制动回馈能量。

实施例3

对于给定的超级电容器，额定电压U_e＝380V，容量C＝10F，本评估方法包含如下步骤：

A.电机额定功率P_e＝20000W，最大加速时间t＝40s，计算车辆加速过程中最大需要能量E_f。

E_f＝P_e×t＝800000J

B.超级电容器的开始放电电压U₁＝U_e＝380V，超级电容器的中止放电电压DCDC转换器效率η_D＝80％，为超级电容器放电效率η_C1＝90％，可以计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1。

C.电池组额定放电电流I_B＝20A，计算完由超级电容器和电池组共同供电所需要的最小容量C_f2。

D.整车质量m＝2000kg；电动车制动前速度v₁＝60km/h，；电动车制动后速度v₂＝0km/h，制动能量回收效率η_h＝25％，计算车辆最大制动回馈能量E_c。

E.超级电容器的中止充电电电压U₁′＝380V，超级电容器的开始充电电压U₂′＝190V，超级电容器充电效率η_C2＝0.9，可以计算超级电容其吸收回馈能量需要的最小容量C_c。

F.超级电容器放电能力评估：

C＜C_f2，放电容量欠充裕，表明在某些情况下，为了满足电动车的加速性能，电池组需要以超过额定放电电流放电。

G.超级电容器充电能力评估：

C≥C_c，充电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以完全吸收电动车的制动回馈能量。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种电动汽车中超级电容器的评估方法，所述电动汽车的动力系统结构为：动力电池组向电机提供电动汽车巡航时的电流，并通过DCDC变换器给超级电容器充电，超级电容器在电动汽车加速、制动时提供或吸收瞬时的大电流，其特征在于，所述超级电容器的评估方法包括：

计算车辆加速过程中的最大需要能量；所述车辆加速过程中最大需要能量E_f＝P_e×t，其中，P_e为电机额定功率；t为车辆加速时间；

根据所述最大需要能量，计算完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1，以及完全由超级电容器和动力电池组共同供电所需要的最小容量C_f2；所述完全由超级电容器供电所需要的最小容量C_f1为：其中，U₁为超级电容器的开始放电电压，U₂为超级电容器的中止放电电压，η_D为DCDC转换器效率，η_C1为超级电容器放电效率；所述完全由超级电容器和动力电池组共同供电所需要的最小容量C_f2为：其中，I_B为电池组额定放电电流，U₁为超级电容器的开始放电电压，U₂为超级电容器的中止放电电压，η_D为DCDC转换器效率，η_C1为超级电容器放电效率，U_e为超级电容的额定电压；

计算车辆最大制动回馈能量，所述车辆最大制动回馈能量为：其中，m为整车质量，v₁为电动车制动前速度，v₂为电动车制动后速度，η_h为制动能量回收效率；

根据所述最大制动回馈能量，计算超级电容器吸收回馈能量需要的最小容量C_c，所述超级电容器吸收回馈能量需要的最小容量C_c为：其中，U′₁为超级电容器的中止充电电电压，U′₂为超级电容器的开始充电电压，η_D为DCDC转换器效率，η_C2为超级电容器充电效率；

根据所述最小容量C_f1和最小容量C_f2评估超级电容器的放电能力，具体为：对于给定的超级电容容量C：如果C≥C_f1，则放电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以单独负担电动车的任何瞬时大功率放电，动力电池组不会受到影响；如果C_f2≤C＜C_f1，则放电容量较充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以和动力电池组共同负担电动车的任何瞬时大功率放电，动力电池组放电不会超过额定放电电流；如果C＜C_f2，则放电容量欠充裕，表明在某些情况下，为了满足电动车的加速性能，电池组需要以超过额定放电电流放电；

根据所述最小容量C_c评估超级电容器的充电能力，具体为：对于给定的超级电容容量C：如果C≥C_c，则充电容量充裕，表明在理想的能量管理策略下，超级电容器可以完全吸收电动车的制动回馈能量；如果C＜C_c，则充电容量欠充裕，表明在某些情况下，电动车制动能量无法完全被吸收。