电动汽车驱动系统中的超级电容原理及应用
刘永 朱元培
摘 要：电动汽车在加速和爬坡过程中，电池要被迫大电流放电；频繁的承受大电流的冲击，将缩短了电池的寿命。本文提出使用超级电容的方法，改善电动汽车得的加速性能。并使用Matlab中的工具包ADVISOR对改进的电动汽车做了仿真实验，对仿真结果进行了分析，验证了方案的可行性。
关键词：电动汽车；超级电容；加速性能；ADVISOR
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）08-0062-02
1 现有电动汽车动力电池的缺陷
锂电池具有技术成熟、成本低、能量密度大等优点。但锂电池作为动力存在以下问题：比功率低，不能瞬间大电流输出，因而车辆加速、爬坡等动力性能受到严重影响。
2 新的设计方案
超级电容具有比功率高、比能量大、一次储能多等优点，适合作为短时间的功率输出源，能够改善电动车起动、加速和爬坡时动力不足的缺点。
2.1 仿真模型的建立
其中：P是电动机的输出功率；U是电动机的电压；I是电动机的电流；是功率因数；电动机的效率。
在电压和电动机一定时，要想改变电动机的功率，只有改变电流的大小I[4]。
2.2 超级电容的添加
超級电容的模型如图1所示。
为经过电容的电流；为流进理想电容的电流；为理想电容；R1、R2为等效串联、并联电阻；为端电压。
等效串联电阻R1模拟在充放电时热损失和电压突变。等效并联电阻R2一般很大，模拟自放电漏电损失[5，6]。
2.3 数据的计算
电动汽车电池为200AH，放电倍率为3C，选取超级电容为100F，额定充电电流17A，最大放电电流102A。在加速过程中，电动机的输出功率可增大17%；减速过程中，超级电容进行充电，充电电流为17A。即提高了加速和爬坡能力，又减小了对电池的冲击。
3 仿真结果及分析
基于ADVISOR的整车模型仿真。ADVISOR的仿真模型主要包括循环工况模块、车辆模块、电源总线控制策略模块和能量源等。各模块通过M函数来控制其变化。整车仿真模型，如图2。
本文对原有的纯电动汽车模型进行修改，增加超级电容和控制环节。CYC_CHINA（中国道路工况）的总行程5.9km，时间1315s，最大速度60.1km/h，平均速度16.15km/h，行驶期间共计14次停车，锂电池系统SOC的初始值为1。电动汽车参数：车重1630kg，迎风面积7.75m2，电动机额定电压316V，额定功率160KW，电池单体86个，电池组电压318.2V，最低电压249.6V。选用120个电容。
在该工况下，相应电机的输出功率变化仿真如图3所示。
从图4、5得知，使用超级电容后的电池最大电流由290A降为120A。距放电电流额定（200A）有60%的余量，能够提高电动机的峰值功率，提高电动汽车的加速和爬坡性能。
从图6汽车的速度变化曲线中可以看出，安装超级电容与未安装超级电容加速到40km/h时，因所需的功率较小，所需的时间相近；在40-60km/h的过程中，加速到同一速度，安装超级电容后所用时间明显缩短，因为这期间需要较大的功率，其增加的部分功率由超级电容提供。
4 结语
将超级电容作为辅助电源与锂电池组合成为复合电源，充分发挥超级电容比功率高和锂电池比能量高的特点。在车辆爬坡时，减小了动力电池的放电电流，保护了电池，延长锂电池的使用寿命；增加了电动机的总输入电流，即增大了电动机的峰值功率，增强了电动汽车的加速和爬坡能力，实现了电动汽车对能量和功率要求的分离。通过仿真实验分析，验证了方案的可行性。
参考文献
[1]Zoelch Ulrich.Schroder D.Optimization Method for Rating the Components of a Hybrid Vehicle.EVS 14.1997.
[2]RahmanZ.ButlerK Lan dEhsaniM .A Comparison StudyBetween Two Parallel Hybrid Control Concepts.SAE 2000—01—0994.
[3]陈惠贤，王上锋，董新利.基于ADVISOR的电动汽车传动系统最优匹配的研究[J].科学技术与工程2010（2）：559-561.
[4]白凤国，杨建国.混合动力电动汽车电动机的仿真建模[J].交通科技，2003，（4）：78-80.
[5]陈磊，黄琦，张昌华.考虑故障影响的电动汽车充电系统控制策略的研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（7）：117-122.
[6]Stephane Rimaux，Mochel Delhom，Emmanuel C0fIIbex.Hybrid Ve-hide Powertrain：Modeling and Contro1.EVS 16.1999.
