深度混合动力汽车超级电容器组均衡控制技术研究

节约能源和降低排放已成为摆在世界各国政府面前的一个严峻问题。深度混合动力汽车作为新能源汽车的杰出代表在降低汽车油耗和改善空气环境方面有着广泛的应用前景。超级电容器作为一种用于混合动力汽车的新型储能元件,对整车的安全性、经济性和动力性都有重要影响。因此,深入研究超级电容器组的均衡控制技术对延长电容器使用寿命、提高整车动力性能、保证汽车的安全运行具有重要的意义。单个电容器的电压和容量有限,用于混合动力汽车的超级电容器组都是由若干单体电容串联组成。由于制造误差等因素的存在,使得各单体电容的内阻、容量、电压等参数存在差异,造成了电容器组的初始性能状态的不一致性。同时,在使用过程中,各单体电容之间工作环境温度的不同使得电容能量转换效率存在差异,造成了部分单体会出现过充、过放的现象,这又加剧了电容器组的不一致性。本文从电容器的结构和工作原理出发,分析了车用超级电容器组产生不一致性的原因和危害,并通过电压配组法、静态容量配组法、内阻配组法对超级电容器组进行前期打包,保证电容器组在使用前性能的一致性;同时还分析了目前超级电容器在使用过程中使用的均衡控制方法,总结了各种不同均衡方法的工作原理、特点和使用场合。为了保证各单体电容周围工作环境温度的一致性,研究了电容组的热管理方案。通过高低温试验,得到了温度对电容器工作性能参数的影响结果,并将有限容积法应用到传热计算中,建立了电容组内部流体力学和传热控制方程,为电容器组的温度场计算提供理论基础。设计了电容器组内部的冷却风道,运用Star CCM+软件建立了温度场计算模型。仿真结果表明,电容器组的冷却风道设计合理,最大温差在4℃以内,最大程度地保证了各单体电容工作环境温度的一致性。即使在使用前对电容器组进行配组打包,同时通过热管理保证各单体电容工作环境温度的一致性,但仍不能解决电容器组在使用过程中的一致性问题。为此,根据电容器组的实际工作情况,运用均衡控制技术对其进行管理,设计了“低充高放”均衡子系统,并提出了以“电量”作为标杆的模糊控制策略,对电容器进行均衡充放电,并搭建了大功率的均衡充放电试验台验证均衡效果,分析结果表明,该均衡控制系统对改善电容器组的不一致性有着显著的效果,提高了电容器组的使用性能。