蓄电池与超级电容器在燃料电池电动汽车中的对比分析

吴澈，崔俊杰，刘昌（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

蓄电池与超级电容器在燃料电池电动汽车中的对比分析

吴澈，崔俊杰，刘昌
（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

摘 要：文章主要在燃料电池电动汽车（FCEV）上进行了铅酸电池和超级电容器作为蓄能器的优越性比较，通过计算设计出六种不同的方案。其中蓄能器作为变量，运用ADVISOR软件在UDDS循环驾驶工况下进行仿真，得出蓄能器的SOC值变化范围、车辆性能仿真结果以及等效燃油经济性，从而比较得出两种蓄能器的适用性。

主题词：燃料电池电动汽车；铅酸电池；超级电容器；比较

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

随着交通领域所突显的环境污染和能源短缺问题，传统汽车的改革势在必行，在零排放纯电动汽车技术没得到完全突破之前，混合动力电动汽车是解决环境与能源问题的有效途径之一。其中储能装置是混合动力汽车中必不可少的元件，很大程度上决定了混合动力汽车的性能[1]。得到应用的储能装置主要有蓄电池、超极电容器、液压储能器等等，而目前应用于串联式混合的动力汽车（SHEV）的蓄电池种类繁多，但是根据相关部门研究，先进的铅酸电池和锂电池是应用在SHEV上范围最广的，同时燃料电池电动汽车是SHEV的典型例子。本文主要在燃料电池电动汽车的基础上，比较铅酸电池与超极电容器的作为储能器的适用性[1]。

1、燃料电池电动汽车的结构与控制策略

燃料电池电动汽车是串联式混合动力汽车的一种，它的结构示意图如下图1所示。燃料电池和蓄能器共同为汽车提供动力源。其控制策略采用的是“恒温器式”+“功率跟随式”，其中燃料电池提供基本功率，蓄能器在加速或爬坡时提供辅助动力，当蓄能器的荷电状态（SOC值）低于某值时，由燃料电池给其充电，这样既避免了蓄能器的过充过放，也能使燃料电池保持在最大功率范围内工作[2]。

2、蓄能器设计方案

储能系统是整车的能量源之一，为整车提供驱动力，通过对整车参数的分析计算，确定储能器的功率需求，并对蓄能器进行方案设计。

2.1 车辆基本参数的选定与设计目标

查阅相关资料，给出了燃料电池电动汽车的主要参数，如表1[3]和表2[4]所示。

表1　车辆基本参数

表2　设计目标

2.2 功率计算与分配[3]

在串联混合动力汽车中，汽车的最大功率可

用下面的式子计算：

根据上述公式，假定汽车总质量m=1640kg，可以计算出汽车在平直路面以130km/h的最大速度行驶时，P=31.4kw。

在最大坡度为25%的路面上以30km/h的速度行驶时，P=42.3kw。

车辆在20秒内从0加速到100km/h所需的最大功率P=140.2kw。根据上述计算，若发动机选的最大功率设计为50kw，而储能器的功率至少为95kw（包括电器负载）。

2.3设计方案

表3　蓄能器特性比较

本文采用的是Hawker牌Genesis EP系列蓄电池以及Maxwell超级电容器，它们的基本参数对比如表3所示[5]。

通过上述参数比较，可以得出超级电容器在质量、比功率、循环寿命以及效率上相比蓄电池有很大优势，并提出了如下四种方案，并为了直观比较四种方案，列出各方案如下表4。

方案1：采用30块铅酸电池，电池的峰值功率可为103.8 kW，整车质量为1640Kg。

方案2：采用45块铅酸电池，电池的峰值功率为155.7 kW，汽车的满载质量为1805kg。

方案3：采用60块铅酸电池，电池的峰值功率为207.6 kW，汽车的满载质量为1970kg。

方案4：采用100只超级电容器，它的峰值功率为102kW，整车的质量为1350.8kg。

方案5：采用150只超级电容器，它的峰值功率为153kW，整车质量为1371.2kg。

方案6：采用200只超级电容器，它的峰值功率为204Kw，汽车的满载质量为1391.6kg。

表4　设计方案

3、性能仿真比较

本次是燃料电池电动汽车通过UDDS工况（城市循环工况）的仿真模拟如下图1所示，仿真的结果有蓄能器的瞬时功率、SOC值变化范围、充电效率，以及不同蓄能器带来的动力性、经济性比较。

3.1 SOC值变化范围对比

SOC值变化图仿真结果分别如下图所示。由图2可知超级电容器的SOC值变化范围在0.4~0.8之间，图3显示了蓄电池的SOC值的变化范围在0.78~0.8之间。

3.2 动力性比较

动力性能主要包括车辆从0加速到60mile/h，40mile/h加速到60mile/h，0加速到85mile/h的时间，以及最大车速和在55mile/h下的最大爬坡度，仿真结果如下表5所示。方案1、2、3是铅酸电池作为蓄能器的仿真结果，它们的蓄电池的元件的个数成倍数递增，可以看出无论提速时间、最大车速还是爬坡能力都有所提高，但是效果不是很明显；方案4、5、6是超级电容器作为蓄能器的仿真结果，同样随着电容器个数的增加，方案5的性能优于方案4的性能，方案6的性能优于方案5，动力性能显著提高。

表5　车辆动力性能仿真结果

3.3 等效燃油经济性比较

等效燃油经济性仿真结果如下表6，根据汽油的热值、密度和储能系统消耗的能量来计算MPGGE的值[6]。

表6　等效燃油经济性（MPGGE）

从表中数据可以看出方案1、2、3随着蓄电池的个数增加，燃油经济性反而下降，而方案4、5、6随着超级电容器的个数增加，等效燃油经济性没有明显的改变。

4、结论

通过前面的分析与仿真可以总结出以下几点：

（1)超级电容器的质量远远小于铅酸电池，而且循环寿命远远超过铅酸电池，减少后期维修成本。

（2）超级电容器有较高的比功率特性，可以同时提高燃油经济性和汽车的动力性能。

（3）从蓄能器的SOC值变化范围仿真结果图可以看出，超级电容器的SOC值的变化范围大，能更有效的配合燃料电池。

（4）超级电容器的充放电过程不需要进行化学反应，所以其充放电效率高于蓄电池的效率。

（5）随着超级电容器的个数的增加，动力性能可以显著提高，且等效燃油经济性改变不大，铅酸电池随个元件个数增加，动力性能有所增加，但是由于质量增加明显，反而降低了等效燃油经济性。

（6）总而言之，根据提出的设计目标和基本参数，在蓄能器的改变下，通过ADVISOR的性能仿真，得出与铅酸电池相比，超级电容器对于燃料电池混合动力汽车更具有适用性。

参考文献

[1] 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J].汽车工程，2006,28(04)：317-324.

[2] 李晓英，于秀敏，李君，吴志新. 串联混合动力汽车控制策略[J].吉林大学学报，2005,35(02)：122-126.

[3] 余志生,夏群生.汽车理论(第四版)[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[4] 邱利宏,钱力军,程伟,王振国.插电式串联混合动力汽车参数匹配及控制策略研究[J].汽车工程学报,2014,4(04):297-303.

[5] Markel,T.,Zolot,M.,Wipke,K.B.,and Pesaran,A.A.(2003)Energystorage requirements for hybrid fuel cell vehicles.Advance Automotive Battery Conference,June10-13,Nice,France.

[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

作者简介：吴澈，在读研究生，就读于中北大学，研究方向为新能源汽车。

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-41-03