外文翻譯-電動汽車的電池和超級電容（中文）

1、<p><b>　　中文10500字</b></p><p>　　出處： Proceedings of the IEEE, 2007, 95(4): 806-820</p><p>　　電動汽車的電池和超級電容</p><p>　　By ANDREW F.BURKE</p><p>　　仿真結(jié)果表明

2、，省油的混合動力電動汽車可以設(shè)計成使用電池或者超級電容，而這是由兩者之間的技術(shù)成本和使用年限決定的。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電池和超級電容器在純電動汽車、充電保持型混合動力汽車和插電式混合動力汽車上的電能存貯單元中應(yīng)用已經(jīng)被詳細(xì)地進(jìn)行了研究。對于混合動力汽車而言，內(nèi)燃機(jī)和氫燃料電池的使用時作為初級的替代能源來考慮的。研究重點(diǎn)是鋰

3、電池和碳/雙層碳超級電容器作為能量存貯技術(shù)非?？赡軕?yīng)用在未來汽車上。這項(xiàng)研究的主要結(jié)果如下：1）電池和超級電容器的能量密度和功率密度特點(diǎn)對設(shè)計純電動汽車、充電保持型混合動力汽車和插電式混合動力汽車有著足夠的吸引力。2）持續(xù)充電，混合動力汽車引擎動力可以被設(shè)計成使用電池或者超級電容器從而使燃油經(jīng)濟(jì)性改善50%甚至更好。3）插電式混合動力汽車可以設(shè)計成相對較小的鋰電池使有效行程在30-60公里的范圍內(nèi)。對較長的日常駕駛范圍（80-150公里

4、）插電式混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)消耗率可以非常高（大于100mpg），因?yàn)榻^大部分能量（大于75%）通過電流用于驅(qū)動汽車。4）輕度混合動力汽車可以設(shè)計使用一個儲能容量75-150Wh的超級電容器。使用超級電容器時的燃油經(jīng)濟(jì)性提升要比使用同質(zhì)量的電池組高10%-15%，這是因?yàn)槌夒娙萜鞯母咝屎透咝实囊孢\(yùn)轉(zhuǎn)。5）用氫燃料電池供能的混合動力汽車可以使用</p><p>　　關(guān)鍵詞： 電池組 控制策略 燃料電池 混

5、合動力汽車 改善燃油經(jīng)濟(jì)性 超級電容器</p><p><b>　　I.引言</b></p><p>　　為了提高傳動系統(tǒng)效率，提供比其他道路交通方式更加節(jié)省石油能量，世界各地的汽車公司正在開發(fā)混合動力和燃料電池引擎。這些車輛的動力傳動系統(tǒng)利用電動機(jī)和電能儲存器補(bǔ)充引擎輸出或者車輛在加速和巡航時燃料電池的補(bǔ)充以及制動時的能量回收。目前正在利用的能量存儲技術(shù)是充電電池和

6、超級電容器（電化學(xué)電容器）。能量儲存單元可以從發(fā)動機(jī)、燃料電池或者電網(wǎng)充電，非常像一輛電動汽車。在后來的例子(通常稱為插電式混合動力汽車)，車輛可以同時使用液體或者氣體燃料和電力網(wǎng)。插電式混合動力汽車的一個有吸引力的功能就是允許使用除了石油外的其他能源產(chǎn)生的電能。</p><p>　　本文主要是關(guān)于供電電池，插電式混合動力汽車使用的引擎，燃料電池汽車使用的氫燃料的設(shè)計及其性能。特別令人感興趣的是如何將儲存的電能單

7、元能最好的利用在一些動力系統(tǒng)中（組建的配置和控制策略），提高傳動系統(tǒng)的效率，各種駕駛循環(huán)和車輛使用模式下的能量使用（燃料和電力電網(wǎng)）。通過不同設(shè)計方案的詳細(xì)模擬結(jié)果進(jìn)行評價，當(dāng)可以利用時，記錄下車輛測試數(shù)據(jù)。應(yīng)用在汽車仿真中能量存儲和燃料電池組件的特點(diǎn)對應(yīng)于現(xiàn)在的這些技術(shù)以及預(yù)測其性能在未來的改善。</p><p>　　II.電動和混合動力汽車的電池和超級電容器</p><p>　　A.不

8、同汽車設(shè)計的儲能要求</p><p>　　電能儲存單元必須具有較大的容量，使他們儲存足夠的能量（千瓦時），并提供足夠的車輛峰值功率使車輛有一定的加速性能和滿足適當(dāng)?shù)鸟{駛循環(huán)的能力。對于這些用于重大的全電動范圍的汽車設(shè)計，儲能單元必須儲存足夠的電能滿足在現(xiàn)實(shí)世界駕駛的范圍要求。此外，能量儲存單元必須符合適當(dāng)?shù)闹芷诤蛪勖?。這些需求將會有很大的差異性，這主要取決于被設(shè)計的車輛傳動系（電池或燃料電池或混合動力發(fā)動機(jī)）

9、，但是一旦車輛的性能目標(biāo)被確定，它們自然也被簡單合理的決定了。建立能量存儲單元所需的重量，體積和成本并非直截了當(dāng)，而是非常困難的。有了這些特點(diǎn)限制，顯然將排除汽車的成功設(shè)計和銷售，但是設(shè)置實(shí)際的限度去獲得可行的設(shè)計是相當(dāng)隨意的。本文采用的方法是注意與各種技術(shù)的性能特點(diǎn)（瓦時/千克，瓦時/升，瓦/千克，等等）所對應(yīng)的合適的儲能單元質(zhì)量和體積。在本文中不考慮成本問題。</p><p>　　如上所述，能量存儲單元的大小

10、決定于一個能量儲存或者功率需求。就電動汽車供能的電池而言，電池容量的大小取決于車輛指定的范圍。電池的質(zhì)量和體積可以從車輛能量消耗的需求（瓦時/千米）以及電池能量密度（瓦時/千克，瓦時/升）通過適當(dāng)?shù)姆烹姕y試周期（對應(yīng)的時間）來簡單的計算得到。在大多數(shù)電動汽車的例子中，電池的規(guī)模很容易滿足車輛的一個指定的加速性能，爬坡能力的功率要求和最高巡航速度。在此應(yīng)用的電池都是利用的電網(wǎng)電力定期深放電和充電。因此，深放電循環(huán)壽命是一個主要的考慮因素，

11、電池符合一個指定的最低要求是非常有必要的。</p><p>　　就使用引擎或者燃料電池作為初級能量轉(zhuǎn)化器和電池作為儲備能源的混合動力汽車，能量儲存單元的大小主要由車輛在加速時單位峰值功率大小決定的。在大多數(shù)混合動力汽車，電池的能量存貯被考慮做得比需求更大以滿足車輛適當(dāng)?shù)鸟{駛循環(huán)。可是，多余的能量儲備只允許電池運(yùn)行超過一段相對狹隘的范圍（通常最多5%-10%），還極大的延伸電池的循環(huán)壽命。原則上，決定混合動力汽車電

12、池質(zhì)量體積只有電池的脈動功率密度（瓦/千克，瓦/升）。然而，對于一個特定的電池技術(shù)，它并不如確定適當(dāng)?shù)墓β拭芏戎的敲春唵?，因?yàn)閼?yīng)該考慮做出這個決定的效率。一個適當(dāng)?shù)拿}沖功率值并不是，因?yàn)槟菚r的效率非常低（接近50%）。一個更加合適的電池峰值功率計算公式如下表達(dá)式：</p><p>　　是峰值功率脈沖效率。</p><p>　　在這個等式中，假設(shè)脈沖接近于，其中。對于一個90%的效率，高效率

13、的電池脈沖功率大約為數(shù)值的。由于將討論該文的下一部分，甚至使用上面的表達(dá)式，應(yīng)用在混合動力汽車中的先進(jìn)電池設(shè)計擁有高功率的能力，使得它們與充電式混合動力汽車相配合使用。</p><p>　　超級電容器也可以用于插電式混合動力汽車。在這種情況下，能量存儲單元大小決定于能量存儲（瓦時）需求，因?yàn)槌夒娙萜鞯哪芰棵芏龋ㄍ?千克）相對更低（5-10瓦/千克）而有用功率密度很高（1-2千瓦/千克）。從超級電容器的可用功率可

14、使用下面的表達(dá)式估計：</p><p>　　是峰值功率脈沖效率。</p><p>　　在這個等式中，假設(shè)脈沖峰值功率發(fā)生在時，效率為，其中。能量存儲的需求規(guī)范對于設(shè)計和使用超級電容器的動力總成的實(shí)用性是至關(guān)重要的。正如在本文后面的討論，功的需求完全取決于混合動力汽車上動力系統(tǒng)的超級電容器充放電的控制策略。儲能規(guī)格范圍在75-150瓦時對于輕度混合動力汽車是比較合理的。與之相對應(yīng)的超級電容器

15、的重量在15-30千克，峰值功率在18-36千瓦之間。在這些功率下，能量單元的往返效率是90%-95%。超級電容器需要面對駕駛條件時周期性的深放電，但是在大多數(shù)時間下放電深度較淺。用在輕度混合動力汽車上的超級電容器循環(huán)壽命需求將在50萬次以上。</p><p>　　決定插電式混合動力汽車的能量存儲單元的大小比純電動或者充電保持式混合動力汽車復(fù)雜的多。這是因?yàn)榫腿妱臃秶钠嚨牟淮_定性或者用專業(yè)術(shù)語詳細(xì)來說“全電

16、動范圍”。在最簡單的術(shù)語，全電動范圍意思就是混合動力汽車可以使用電池供能行駛指定的距離而沒有啟動引擎或者燃料電池。在這種情況下，電力驅(qū)動系統(tǒng)和純電動汽車相同，而能量存儲需求（千瓦時）可以通過能量消耗（瓦時/千米）和指定的全電動范圍來計算。所以，對于大的全電動范圍，電池規(guī)模可以取決于能量需求，對于較小的全電動范圍，電池規(guī)?？梢匀Q于功率需求。對于設(shè)計一輛特殊的汽車，將不得不慎重考慮對于電池的優(yōu)化設(shè)計（能量和功率特性），以滿足對能量存儲（千

17、瓦時）和功率（千瓦）的要求。和所有化學(xué)電池一樣，電池內(nèi)存在著能量密度和有用功率密度之間的均衡。對于電池特性的詳細(xì)考慮將在下一部分詳細(xì)介紹。對于相對較短的15千米或者更少的全電動范圍，電池和超級電容器的組合將會是一種可行的方案。</p><p>　　進(jìn)一步復(fù)雜化插電式混合動力汽車的問題，所有的全電動范圍的概念可以被解釋為大多數(shù)驅(qū)動采用電池供能，只有當(dāng)功率要求很高或者車速超過一指定數(shù)值時有發(fā)動機(jī)或者燃料電池協(xié)助供能。

18、結(jié)果顯示，大多數(shù)的電池能量用于驅(qū)動汽車，燃油經(jīng)濟(jì)性非常高（100mpg或者更高）。這樣，電動傳動系（電動馬達(dá)和電池）的功率需求會比一輛所謂的純電動汽車更少。能量的消耗（瓦時/千米）也可能減少。因此，電池的能量和功率需求的減小產(chǎn)生了在相同效率的全電動范圍里程更小，花費(fèi)更少的電池。</p><p>　　就插電式混合動力汽車而言，電池可以從引擎或者燃料電池充電或者通過墻上插座充電。插電式混合動力汽車的一個吸引人的地方是

19、相當(dāng)一部分驅(qū)動車輛的能量可以通過除了石油外其他能源產(chǎn)生的電力來提供。因此，對插電式混合動力汽車，電池循環(huán)壽命成為了一個重要的問題。電池從低狀態(tài)充電（深放電后）比純電動汽車的電池更加頻繁。因此，插電式混合動力汽車的電池循環(huán)壽命會比純電動汽車要求更高。至少需要2000-3000次循環(huán)。因此，在功率和循環(huán)壽命上，插電式混合動力汽車對電池的要求要高于純電動汽車。</p><p>　　B.電池和超級電容器的技術(shù)現(xiàn)狀<

20、/p><p>　　在這一部分，電池和超級電容器的技術(shù)現(xiàn)狀將被回顧。就電池而言，技術(shù)中主要考慮了密封的鉛酸，鎳氫和鋰離子。對于超級電容器，只有碳/雙層碳器件被考慮，因?yàn)檫@個技術(shù)是唯一被商業(yè)化的。</p><p>　　1）電池：大多數(shù)的電池供能和混合動力汽車測試和市場化到最新（2006年）都用的是鎳金屬氫化物電池。鋰電池發(fā)展取得的重大進(jìn)展使得其正被考慮加入到電動汽車和混合動力汽車的電池使用中。很多

21、最近的電池發(fā)展考慮到對混合動力汽車對應(yīng)高功率電池，對電動汽車使用能量密度不高的電池。就像上部分所討論的，功率需求影響混合動力汽車的電池規(guī)模多一些，而能量密度對它的影響就少多了。插電式混合動力汽車的電池既需要高功率，也需要高能量密度。更不用說很多用于發(fā)展插電式混合動力汽車電池的工作，但是它們的特性可能介于混合動力汽車和電動汽車之間。</p><p>　　電池特性關(guān)于電動汽車和混合動力汽車應(yīng)用的總結(jié)見表1。這些數(shù)據(jù)是

22、從一大堆資源[1]-[7]中收集到的。一般而言，混合動力汽車的電池的相關(guān)資訊比電動汽車的要新一點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)最新的電池發(fā)展都是直接向著混合動力汽車的應(yīng)用而不是電動汽車的應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)表面來看，混合動力汽車的電池和電動汽車的電池相比在幾個方面上有所不同。首先，電動汽車的電池單元的容量（安時)考慮到要比混合動力汽車的電池來得大。這是非常有必要的，因?yàn)檫@兩個系統(tǒng)的電壓是差不多的，但是混合動力汽車上面的電池容量就要比電動汽車的小很多。這也可以從

23、表1看出來，為混合動力汽車而設(shè)計的電池其功率能力比電動汽車要高得多。這項(xiàng)需求是直接來自于低重量的混合動力汽車電池以及其在電池充放能量時的高效率。</p><p>　　表1 各種技術(shù)/類型電池在汽車（電動汽車和混合動力汽車）上應(yīng)用的特點(diǎn)</p><p>　　如前所述，電池要有高功率的能力就需要其電池內(nèi)阻很低。因此，電池內(nèi)阻的相關(guān)知識對于評估電池功率能力的大小是至關(guān)重要的。還要注意的是混合動力

24、汽車電池的能量密度顯然要低于相同化學(xué)成分的電動汽車電池。例如，電動汽車的鋰電池能量密度可以達(dá)到100-150瓦時/千克，而混合動力汽車的電池是60-75瓦時/千克。能量密度和功率密度之間的權(quán)衡是在一些特殊汽車電池優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵特點(diǎn)。</p><p>　　目前為止還沒有專門為插電式混合動力汽車設(shè)計的可用電池。理想情況下，這樣的電池需要接近于電動汽車的能量密度和接近于混合動力汽車的功率密度。插電式混合動力汽車的電池

25、大小會比電動汽車的小，因?yàn)樗娜萘看蠖嘣O(shè)計為電動汽車的1/3-1/4。插電式混合動力汽車必須被設(shè)計成深放電，長循環(huán)壽命，而不像其他混合動力汽車那樣設(shè)計成淺放電。因此，插電式混合動力汽車的電池特性相對普通混合動力汽車更接近于電動汽車，但是比電動汽車具有更高的功率。關(guān)鍵問題是增加了電動汽車電池的功率密度同時會犧牲較小的循環(huán)壽命。這對于插電式混合動力汽車而言，在相對較短的全電動范圍里確實(shí)是一個問題。</p><p>　

26、　2）超級電容器：超級電容器在汽車上的應(yīng)用是在1990年以后開始發(fā)展的。大多數(shù)的發(fā)展用的都是微孔電極做的雙層碳電容器。從這項(xiàng)工作一開始，就有兩個被要求達(dá)到的目標(biāo)，分別是至少5瓦時/千克的能量密度和放電時較高的功率密度[8]。循環(huán)壽命至少500000次深放電。為了證明超級電容器的發(fā)展是一項(xiàng)和高功率電池完全不同的技術(shù)，電容器的功率和循環(huán)壽命特點(diǎn)要比高功率電池好很多，因?yàn)殡娙萜鞯哪芰棵芏缺入姵匾俚枚唷＝鼇?，有關(guān)于超級電容器的研究[9]-[1

27、1]是說用電容或者電池的材料做成其中一個電極，而另外一個電極使用微孔碳。這項(xiàng)工作要做的就是提高設(shè)備的能量密度。</p><p>　　目前在一些公司——瑪克斯韋爾、內(nèi)斯、愛普科斯、日本化工[12]-[14]已經(jīng)有可用的商業(yè)化碳設(shè)備。</p><p>　　表格2 碳超級電容器的特性</p><p>　　所有這些公司市場的大型設(shè)備容量在1000-5000法之間。這些設(shè)備適

28、合于高功率汽車的應(yīng)用。一些設(shè)備的性能表現(xiàn)在表2中給出了。顯示的能量密度（瓦時/千克）對應(yīng)于設(shè)備的有用功，設(shè)備是基于之間恒功率放電測試。峰值功率密度通過對應(yīng)的阻抗和95%的有效脈沖給出。對于大多數(shù)超級電容器的應(yīng)用，高效率的功率密度是該設(shè)備的功率能力的適當(dāng)衡量。對于大型的設(shè)備，能量密度在大多數(shù)可用的設(shè)備中是3.5-4.5瓦時/千克，95%的能量密度在800-1200瓦/千克之間。近年來，設(shè)備的能量密度通過碳/雙層碳的技術(shù)逐漸上升，通過乙腈作

29、為電解液，電池的端電壓也上升到了2.7伏。目前的超級電容器性能適合于使用引擎或者燃料電池作為初級能量轉(zhuǎn)換器的輕度混合動力汽車。輕度混合動力汽車是指即使能量存儲單元被耗盡時，引擎和燃料電池的功率也足夠大，能提供令人滿意的性能表現(xiàn)。超級電容器單元的大小是由能量儲存需求（75-150瓦時）來決定的。超級電容器的功率密度能力能達(dá)到最大功率75-150瓦，使得其超過動力傳動系統(tǒng)的電力需求。超級電容器不適合作為插電式混合動力汽車的初級能量儲存，但是

30、被證明可以和電池結(jié)合用于較短的全電動范圍的插電式混合</p><p>　　III.電動汽車和混合動力電動汽車的仿真結(jié)果</p><p>　　A.車輛設(shè)計方案比較的基礎(chǔ)</p><p>　　仿真結(jié)果寫在本文下面關(guān)于電動汽車電池的部分，充電保持型混合動力汽車使用電池和超級電容器，插電式混合動力汽車使用電池和氫燃料電池來驅(qū)動汽車。所有的汽車將被設(shè)計為具有相同的加速性能，使

31、得設(shè)計方案比較關(guān)鍵的方法是每公里總能耗（效率）和插電式混合動力汽車的多少能量可以作為是電網(wǎng)電力。引擎驅(qū)動的汽車將會在有效燃油經(jīng)濟(jì)消耗率的基礎(chǔ)上比較。引擎和燃料電池驅(qū)動的汽車是在相當(dāng)于用汽油和氫燃料作為等效燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較的。</p><p><b>　　B.仿真方法和工具</b></p><p>　　很多汽車的類型和設(shè)計都是通過用于混合汽車的仿真軟件ADVI

32、SOR[15]來做的，SIMPLEV項(xiàng)目在愛達(dá)荷州國立工程圖書館開發(fā)用于車輛的電池和燃料電池。燃料電池車的幾個模擬結(jié)果通過加州大學(xué)戴維斯分校的建模方案而提出的。在適當(dāng)?shù)那闆r下，不同的仿真工具得到的結(jié)果和文獻(xiàn)的模擬結(jié)果相互比較。在所有的情況下，比較了車輛的統(tǒng)一特性（測試重量、風(fēng)阻系數(shù)、滾動阻力系數(shù)）。結(jié)果是依據(jù)假設(shè)所提出來的關(guān)于傳動部件的特點(diǎn)和運(yùn)作的控制策略。尤其對引擎驅(qū)動的混合動力汽車特別真實(shí)。關(guān)于建模的細(xì)節(jié)，在引用和參考里，這里不再重

33、復(fù)使用了。</p><p>　　表格3 電動汽車鋰電池的特性</p><p>　　傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如能量存儲（千瓦時）和電動馬達(dá)以及發(fā)動機(jī)/燃料電池功率（千瓦）將在汽車仿真結(jié)果中被引述。</p><p>　　C.純電動汽車和插電式混合動力汽車</p><p>　　第一組仿真結(jié)果的討論時電動汽車和插電式混合動力汽車。這些設(shè)計方案都允許電網(wǎng)電

34、力全部或大部分替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的車輛使用液體燃料。電池供電的車輛需要有活動范圍限制，而電池的充電時間很長（6-8小時）。插電式混合動力汽車就克服了電動汽車的這個范圍限制。兩種使用鋰電池的電動汽車的仿真結(jié)果在表3表4中給出了。兩種車輛擁有大約240千米的范圍，其中電動汽車甚至是使用了最適合最大的鋰電池（140瓦時/千克）。里程較短的車輛可以設(shè)計成更小的電池包。</p><p>　　下面，考慮通過ADVISOR獲得

35、的仿真結(jié)果。這個車當(dāng)做一輛下降20%的電動汽車使用，也可以作為一輛充電保持并聯(lián)式混合動力汽車。用在插電式混合動力汽車上的鋰電池重量是裝在電動汽車上的1/3。一輛緊湊型轎車的仿真結(jié)果總結(jié)在圖1、表格5和表格6。</p><p>　　插電式混合動力汽車的仿真結(jié)果表明，即使是在較長的日常行駛范圍里，他們的燃油消耗率（汽油）也可以非常高，因?yàn)樗麄兛梢允褂靡淮蟛糠值碾娏泶嫫偷南?。這個可以使用相對較小的電池組（就98

36、千克的緊湊型車仿真而言）。</p><p>　　D.充電保持混合動力電動汽車的電池和超級電容器</p><p>　　模擬還進(jìn)行了混合動力汽車幾乎為全零電范圍的情況。該電力傳動系統(tǒng)是被來更加有效的運(yùn)行引擎和制動能量的回收。在這些汽車的設(shè)計中，發(fā)動機(jī)是工作在開—關(guān)模式下，但是他并不是關(guān)閉了很長的時間。該電能存儲單元沒有充電網(wǎng)格，但他發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率維持在一個指定的充電狀態(tài)。因此這些混合動力汽車

37、只能用汽油（或者其他燃料）。</p><p>　　能量存儲單元和能量存儲是比較小的，而且存儲單元的大小是由功率需求來決定的。能量存儲單元可以是電池或者超級電容器。現(xiàn)在，這種類型的所有混合動力汽車被各大汽車公司市場化，用的都是鎳氫電池。先前使用鋰電池的車輛正在被測試，可能會在不久的將來上市。超級電容器正在被考慮使用到充電保持混合動力汽車上。但是只有有限的工作被納入到了實(shí)際的混合汽車中[18]-[20]。仿真將給出充

38、電保持混合動力汽車使用電池和電容器的結(jié)果。</p><p>　　表4 鋰電池電動汽車的仿真結(jié)果</p><p>　　設(shè)計這樣的汽車中考慮的一個關(guān)鍵問題是電力傳動系統(tǒng)（馬達(dá)）的最大功率能力和引擎相對應(yīng)的功率大小。如果電機(jī)的功率較大（50千瓦或者更大），那么該引擎可以精簡，該混合動力汽車稱為全混合動力汽車。如果電動馬達(dá)的功率很?。ㄉ儆?0千瓦），那么該引擎并沒有較大的縮減，這種混合可以被稱為“

39、輕度或者中度）混合動力汽車。電池可以使用在任何全混合動力汽車或者輕度混合動力汽車上，而超級電容器只適合于輕度混合動力電動汽車，只有在能量存儲需求上相對較?。?5—150瓦可用能源）。仿真結(jié)果將對各方案的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，還可以使用各種設(shè)計方法進(jìn)行預(yù)期改進(jìn)。一般情況下，使用全混合動力汽車的方案的燃油經(jīng)濟(jì)性提高非常大，但是這些混合動力汽車的動力系統(tǒng)的成本花費(fèi)比輕度混合動力汽車要高的多。因此，比較這兩種方法之間的燃油經(jīng)濟(jì)性的改善非常有意思。

40、</p><p>　　這些本文的仿真結(jié)果直接取自于[21]-[24]。這些資料通過各種方法對充電保持混合動力汽車進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析。這些報告的主要研究結(jié)論是：1）使用輕度混合動力汽車可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性40%-50%，而動力系統(tǒng)相對較低的花費(fèi)使得比全混合動力汽車更有效率。2）利用超級電容器作為能量儲存可以比電池提高10%-15%的燃油經(jīng)濟(jì)性，即使是高功率的鋰電池。第二個結(jié)論的可行性取決于超級電容器成本在0.25-

41、0.5美分每法拉[25]，[26]的持續(xù)減少。無論使用什么設(shè)計方法，仿真結(jié)果表明充電保持混合動力汽車在所有使用汽油或者柴油的汽車中有著大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性的吸引人的方式。</p><p>　　以上討論的結(jié)果可以通過[21]-[24]給出的額外的仿真來說明其合理性。首先，考慮了各種大小車輛和發(fā)動機(jī)類型的全混合動力和輕度混合的比較。仿真結(jié)果和由此得出的經(jīng)濟(jì)性比較在表7-10給出[21]-[22]。這些結(jié)果顯示了通過多

42、尺寸和發(fā)動機(jī)類型的充電保持混合動力汽車試驗(yàn)可以提高大幅度的燃油經(jīng)濟(jì)性。對于全混合動力汽車和輕度混合動力汽車在燃油經(jīng)濟(jì)性和車輛成本花費(fèi)上的總結(jié)在圖2。權(quán)衡的百分比在獨(dú)立的汽車種類中是必須的。注意下輕度混合動力汽車和全混合動力汽車的曲線斜率表明輕度混合動車比全混合動力汽車的花費(fèi)效率更高。</p><p>　　表5 插電式混合動力汽車FUDS循環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　表6 緊湊型插電式混

43、合動力汽車在美國聯(lián)邦公路上的仿真結(jié)果</p><p>　　表7 不同設(shè)計的混合動力汽車的特點(diǎn)</p><p>　　圖1.ADVISOR關(guān)于插電式混合動力汽車在FUDS的輸出（緊湊型轎車）</p><p>　　接下來，要考慮在輕度混合動力汽車上使用超級電容器。這種設(shè)計在[23]和[24]中已經(jīng)被分析了。評估超級電容器在混合動力汽車上使用的關(guān)鍵問題是建立能量存儲的需求。

44、如果存儲容量太大，重量、體積和花費(fèi)就會太高使得超級電容器不能和電池相比，尤其是鋰電池。能源需求對于混合動力汽車的控制策略是至關(guān)重要的。在[23]和[24]中，顯示了控制策略可以使用一種“鋸齒”策略，是指和一些列混合動力汽車相似在全電模式和發(fā)動機(jī)模式下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種控制策略允許發(fā)動機(jī)工作在較高的效率，該動力既驅(qū)動了車輛還對超級電容器充電。使用了這種策略的混合動力汽車的模擬輸出在圖3。請注意超級電容器在充電狀態(tài)是完全充電和近50%時使用了這

45、種策略的FUDS駕駛循環(huán)。</p><p>　　該發(fā)動機(jī)的相應(yīng)操作顯示在了圖4中。請注意發(fā)動機(jī)大部分時間工作在高效率（這個例子的平均能效是29%）。超級電容器的規(guī)模大小應(yīng)該被規(guī)定，使得發(fā)動機(jī)開關(guān)之間的時間不是太短。仿真結(jié)果表明對于FUDS和聯(lián)邦公路循環(huán)，能量存儲時100瓦時可用能量的中等汽車至少可以保持開關(guān)時間在30s以上。引擎在一個FUDS部分循環(huán)情況在圖5中。</p><p>　　表8

46、 使用PFI汽油機(jī)汽車的基本特性</p><p>　　幾種超級電容器和電動馬達(dá)結(jié)合的中等汽車（測試重量1680千克）仿真結(jié)果見表格11。注意燃油經(jīng)濟(jì)性相比超級電容器單元的大?。ㄖ亓亢湍芰看鎯Γ└蕾囉陔妱玉R達(dá)的功率。因此對于中型客車，電動傳動系應(yīng)該有一個大小為30千瓦峰值功率，但是超級電容器的能量存儲需求則不必大于100瓦時。從使用麥克斯韋商業(yè)電容器的仿真表明在FUDS和高速公路駕駛循環(huán)中平均電容器的使用效率大于

47、92%，即使是在電容器深放電到50%（一般的額定電壓）。鋸齒策略是用來減少能量存儲的需求使得其相比電池更加適合超級電容器，因?yàn)槌夒娙萜鞯牡碗娮韬透咝省＿@種策略比其他策略擁有更高的發(fā)動機(jī)效率，但是相比于輕度混合動力汽車的一般控制策略，其對電力傳動系統(tǒng)的要求較高。這是因?yàn)橛幸淮蟛糠帜芰坑糜隍?qū)動汽車，通過使用鋸齒策略可以大幅度提高引擎的效率。要在輕度混合動力汽車上得到燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，需要引擎在關(guān)閉模式或者效率最低的時候不要激發(fā)。影響發(fā)動

48、機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性的提高在文[24]中有研究。表格12顯示的結(jié)果表明發(fā)動機(jī)摩擦力的影響是非常重要的，但是燃油經(jīng)濟(jì)性等級的提升還是保持在較大值。</p><p><b>　　E.燃料電池汽車</b></p><p>　　人們普遍認(rèn)為做有效的方法就是使用燃料，尤其是氫，傳統(tǒng)的汽車是直接將燃料電池轉(zhuǎn)換成電能 。燃料電池汽車的傳動系統(tǒng)和電動汽車類似，而是將電池取代為燃料電池和氫儲

49、能單元（見圖6）。這個傳動系統(tǒng)是用于混合動力的設(shè)計，燃料電池可以負(fù)載使用小的電池或者超級電容器，非常像充電保持混合動力電動汽車。</p><p>　　氫能源的存儲相比于電池要大的多。例如，3千克的氫相當(dāng)于3加侖的汽油或者100千瓦時。對于一輛客車，它就可以比電池多存儲能量。燃料電池的運(yùn)行特性和電池在一些參數(shù)電壓，電流和電阻上是相似的。該燃料電池有大約1.2伏的開環(huán)電壓，隨著電池數(shù)的增加，電壓和電流也會減少。用氫和

50、空氣的PEM燃料電池[25],[26]的伏安特性在圖7。單元和系統(tǒng)效率也被顯示在了圖上。注意燃料電池的效率要高于內(nèi)燃機(jī)，最高時是在低功率（小電流）而不是相對高功率的發(fā)動機(jī)。燃料電池具有高效率使得在相同尺寸和性能表現(xiàn)下，其燃油經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽油汽車。燃料電池汽車的一個關(guān)鍵問題是在同等的燃油經(jīng)濟(jì)性下，燃料電池的基準(zhǔn)會比汽油高。大多數(shù)燃料電池的研究關(guān)于氫的需求都是假設(shè)提高了2-3倍。考慮到測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果是否支持這種假設(shè)是有意義的。和這個最

51、相關(guān)最近（2006）的可用數(shù)據(jù)是本田FCX汽車[27]，在表13中給出了?；诔鞘?高速公路循環(huán)的燃油經(jīng)濟(jì)性（25/34mpg)基本線為基礎(chǔ)，F(xiàn)CX在2005年城市循環(huán)中提高了2.5倍，高速公路上提高了1.5倍，平均為提高了2倍。燃料電動汽車的仿真結(jié)果基本是一致的，只是略微超過了本田FCX的測</p><p>　　表格9 車輛輕度混合動力系統(tǒng)的使用屬性</p><p>　　表10 全混合動

52、力汽車動力系統(tǒng)的使用屬性</p><p>　　圖2 燃油經(jīng)濟(jì)性和成本花費(fèi)在輕度混合動力汽車和全混合動力汽車之間的權(quán)衡</p><p>　　圖3 鋸齒策略在FUDS循環(huán)的特性</p><p>　　圖4 鋸齒策略在FUDS循環(huán)下發(fā)動機(jī)運(yùn)行圖</p><p>　　圖5 通過鋸齒策略在FUDS循環(huán)下的發(fā)動機(jī)開關(guān)運(yùn)行情況</p><

53、p>　　表11 在緊湊型轎車上使用鋸齒策略和超級電容器的仿真結(jié)果總結(jié)</p><p>　　表12 發(fā)動機(jī)摩擦對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響</p><p>　　圖6 燃料電池汽車傳動方案示意圖</p><p>　　圖7 PEM燃料電池的單位和系統(tǒng)特性</p><p>　　表13 美國燃料環(huán)保署對本田FCV評級</p><p>

54、;　　表14基于仿真結(jié)果燃料電池車在燃油經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)（中等客車）</p><p><b>　　IV.總結(jié)</b></p><p>　　電池和超級電容器的儲能單元在電動汽車、充電保持混合動力汽車、插電式混合動力汽車已經(jīng)被詳細(xì)的討論了。內(nèi)燃機(jī)和氫燃料電池作為初級能源轉(zhuǎn)換也計算比較了。研究中，鋰電池和碳超級電容器很有可能作為能量儲存單元用在未來的汽車上。在汽車上應(yīng)用上的設(shè)計

55、需求都和現(xiàn)在的能量存儲現(xiàn)狀進(jìn)行了比較和討論。對多種電動混合動力和插電式混合動力汽車以及傳動系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果呈現(xiàn)了在城市和高速公路駕駛循環(huán)中能量的消耗，燃油經(jīng)濟(jì)性，用電量。這項(xiàng)研究的結(jié)果可以總結(jié)為如下。</p><p>　　1）電池和超級電容器的的能量密度和功率密度對于設(shè)計電動汽車、混合動力汽車和插電式混合動力汽車而言是很有吸引力的。對于這個技術(shù)最關(guān)心的是它的循環(huán)壽命和成本花費(fèi)。</p>

56、<p>　　2）鋰電池電動汽車只要搭配了合適的電池組就可以達(dá)到范圍為240千米。這些汽車的加速性能會比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車更有競爭力。</p><p>　　3）持續(xù)充電，引擎供電的混合動力汽車可以被設(shè)計成使用電池組或者超級電容器，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性50%甚至更高。全混合電動汽車可以使用減規(guī)模的引擎和相對較大的電動機(jī)來獲得最大的燃油經(jīng)濟(jì)性。這些汽車會使用由功率大小來決定的電池（鎳氫電池或者鋰電池），并在中

57、等狀態(tài)下淺放電。</p><p>　　4）插電式混合動力汽車使用相對較小的鋰電池可以被設(shè)計成30-60千米的全電動范圍。插電式混合動力汽車在日常的驅(qū)動范圍（80-150千米）里燃油經(jīng)濟(jì)性可以非常高（基于汽油機(jī)大于100mpg），使得大部分的能量（大于75%）用電流的形式驅(qū)動汽車。</p><p>　　5）輕度混合動力汽車可以設(shè)計成使用容量為75-150瓦時的超級電容器。仿真結(jié)果表明，在城市

58、駕駛中使用鋸齒策略可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性40%-50%。超級電容器的燃油經(jīng)濟(jì)性要比同質(zhì)量的電池組高10%-15%，因?yàn)槌夒娙萜鞯母咝屎透行实陌l(fā)動機(jī)運(yùn)行。</p><p>　　6)燃料電池供能的混合動力汽車也可以使用電池或者超級電容器作為能量存儲。仿真結(jié)果顯示燃料電池的等效燃油經(jīng)濟(jì)性比同質(zhì)量和負(fù)載的內(nèi)燃機(jī)汽車要高2-3倍。相比于一引擎驅(qū)動的混合動力汽車，燃料電池的等效燃油經(jīng)濟(jì)性會是1.67-2.0倍甚至更高。這

59、些燃油經(jīng)濟(jì)性的改善因素并不包括初級能源中的氫效率。</p><p>　　tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1D

60、kaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7