城市立體快巴應(yīng)用解決方案-超級電容儲能系統(tǒng)

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傳真:0755-網(wǎng)址：Http://Email:qiangjessica@目錄1.0序言進(jìn)入21世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的理念深入人心?？沙掷m(xù)發(fā)展，是既滿足當(dāng)代人的需求，又不對后代人滿足其需求的能力構(gòu)成危害的發(fā)展；而節(jié)能環(huán)保是全社會共同努力的結(jié)果，需要生產(chǎn)廠家、材料供應(yīng)商、消費(fèi)者、運(yùn)輸企業(yè)等方方面面的聯(lián)動，這就需要一個(gè)成熟的社會機(jī)制做支撐，保證產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)企業(yè)在節(jié)能環(huán)保問題上目標(biāo)一致，達(dá)成共識。如今，油價(jià)飆升，城市污染日益嚴(yán)重，而新能源汽車環(huán)保節(jié)能，隨著電動車產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)張，其綠色環(huán)保作用已經(jīng)成為廣泛的共識，其對中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及“綠色中國”的促進(jìn)作用也越來越引起社會的廣泛關(guān)注。新能源汽車產(chǎn)業(yè)是“綠色”環(huán)保產(chǎn)業(yè)，對降低石油消耗、減少環(huán)境污染、提高交通效率、提高人民生活水平、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起到了舉足輕重的作用。隨著石油資源的日益緊張，國家石油戰(zhàn)略的安全已經(jīng)引起了社會的廣泛關(guān)注，為此電動車做出了重大貢獻(xiàn)，而隨著長個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大其必將做出更大貢獻(xiàn)。立體快巴，一道開往春天的時(shí)光隧道，它運(yùn)行安全，綠色環(huán)保；高效運(yùn)行，載客量大；低碳公交，低廉投入；施工期短，影響較小；建設(shè)要求低，實(shí)用性強(qiáng)；低碳交通，社會效益顯著。它的行駛阻力小，運(yùn)營成本與其各種燃油公交大巴相比，可降低成本30%左右。這時(shí)，超級電容這個(gè)綠色啟動能源便起到了不可忽視的作用。超級電容器，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。超級電容器是一種電化學(xué)元件，在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，所以超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。它主要有五個(gè)特點(diǎn)：1、低內(nèi)阻；2、長壽命，超過一百萬個(gè)工作周期；3、快速高倍率充放電，能量轉(zhuǎn)換效率高；4、良好的低溫性能；5、高可靠性、綠色，環(huán)保。更高電壓和容量的模塊可以通過對標(biāo)準(zhǔn)模塊的連接而實(shí)現(xiàn)?？蓡为?dú)使用，或與高能電池混聯(lián)，應(yīng)用于動力電源系統(tǒng)，提高動力性能，提高電池循環(huán)壽命。提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高了車輛行駛平順性和舒適性，降低了車輛傳動系的離合器和制動器的故障率，減少了公交車中最常見的離合器和制動器的維修更換，節(jié)約了維修維護(hù)時(shí)間。應(yīng)用在立體快巴中是一大亮點(diǎn)。創(chuàng)新改變城市，創(chuàng)新感動生活。從城市歷史的迄始，人類從未放慢創(chuàng)新的步伐，創(chuàng)新改變城市，同時(shí)締造偉大的城市。今天，今朝時(shí)代超級電容模組的來臨，同樣擁有這種信心和激情，為未來的低碳、環(huán)保城市獻(xiàn)策，未來，終因我們而改變！2.0超級電容特性說明超級電容通過分離正負(fù)電荷來儲存能量，是物理方法儲能，而電池是用化學(xué)反應(yīng)的方法來儲能，所以電池的反應(yīng)時(shí)間會很長，超級電容容量大，充放電速度快，而且充放電循環(huán)可達(dá)百萬次，非常適合用作功率電源，提供瞬時(shí)峰值功率，是高效率能量回收與反饋系統(tǒng)首選的儲能器件。2.1超級電容工作原理超級電容可以用做后備電源，類似于UPS，在系統(tǒng)突然斷電后，負(fù)責(zé)在極短時(shí)間內(nèi)為系統(tǒng)提供能量。在這種應(yīng)用中，需要后備電源有快速的啟動時(shí)間。由于超級電容是物理反應(yīng)的方式儲存電能，充放電速度快，相對電池有著更為快速的響應(yīng)時(shí)間。

圖1：超級電容用作備用電源示意圖電池的充放電大概在1小時(shí)到10個(gè)小時(shí)左右，而傳統(tǒng)用于濾波的電容，充放電在0.03秒，超級電容充放電在1秒左右，基本上是從0.1秒到10秒，這個(gè)時(shí)間正好是汽車、吊車剎車或啟動的時(shí)間，其他設(shè)備比如風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)輪機(jī)變槳的時(shí)候要提供能量也是在這個(gè)時(shí)間段。在風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪機(jī)變槳時(shí)、機(jī)車、電動機(jī)、汽車、吊車啟動時(shí)需要的能量遠(yuǎn)大于其正常工作時(shí)需要的能量，超級電容可以輔助電池、發(fā)動機(jī)等動力系統(tǒng)提供峰值功率，從而減輕電池或發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)。沒有超級電容時(shí)，在負(fù)載啟動、維持運(yùn)行和終止的過程中，能量全部由電池或發(fā)動機(jī)供給。如果加入了超級電容，負(fù)載啟動時(shí)需要的峰值功率可以由超級電容承擔(dān)。

圖2：超級電容提供峰值功率示意圖在機(jī)車、電動機(jī)、汽車、吊車剎車時(shí)，超級電容可以重新捕獲能量。這樣，加入了超級電容做輔助電源，可以提高能量利用效率，延長電池或發(fā)動機(jī)壽命。同時(shí)相對于沒有超級電容的動力系統(tǒng)，電池或發(fā)動機(jī)不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。下圖是超級電容輔助電池、發(fā)動機(jī)的工作模式示意圖。

圖3：沒有超級電容的動力系統(tǒng)工作模式

圖4：超級電容用作輔助電源的動力系統(tǒng)工作模式2.2簡述超級電容的選擇標(biāo)準(zhǔn)超級電容的選型和數(shù)量配置需要根據(jù)不同的應(yīng)用來判斷，選擇要素包括最大和最小工作電壓、平均電流、平均功率、峰值電流、峰值功率、工作環(huán)境溫度、運(yùn)行時(shí)間、壽命。超級電容的額定電壓用VR表示，通過最大工作電壓（Vmax）可以算出需要串聯(lián)的超級電容的數(shù)量。計(jì)算公式為：

接下來，根據(jù)平均電流（I，單位為安培）、運(yùn)行時(shí)間（dt，單位為秒）、最小工作電壓（Vmin），通過下面公式，就能計(jì)算出系統(tǒng)所需要的電容容值的近似值。系統(tǒng)電容值與串聯(lián)的每個(gè)電容之間的關(guān)系用下面的公式表示：如果使用相同容值的電容，那么公式可以簡化為：。根據(jù)這個(gè)計(jì)算值，對照產(chǎn)品規(guī)格表，可以找出合適的產(chǎn)品。如果各個(gè)電容之間是并聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)電容值與單個(gè)電容之間的容值關(guān)系式為：

除此之外，其他需要考慮的因素有，電容的內(nèi)阻與瞬時(shí)電壓降有關(guān)，工作環(huán)境溫度會影響電容內(nèi)阻和壽命。3.0城市立體快巴動力源設(shè)計(jì)量化分析3.1城市立體快巴功能參數(shù)電機(jī)電壓：1500V電機(jī)功率：820KW三相異步電機(jī)立體快巴勻速功率：42KW立體快巴爬坡功率：170KW立體快巴加速啟動功率：840KW立體快巴加速度：1.1m/s2159m立體快巴減速度：1.0m/s2140m平均站距：1.2KM立體快巴速度：0——6KM/h最高時(shí)速：60KM/h平均時(shí)速：42KM/h3.2超級電容模組選擇計(jì)算根據(jù)立體快巴的上述已知參數(shù)可得出下列電氣性能：（初步計(jì)算）立體快巴加速啟動電流：546.6A立體快巴勻速運(yùn)行電流：28A立體快巴爬坡運(yùn)行電流：113.3A立體快巴加速時(shí)間(S):159m所用時(shí)間17s立體快巴減速時(shí)間(S):140m所用時(shí)間16.7s立體快巴均速行駛：11.67M/S行駛901M所用時(shí)間：77.02STIG標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模組：166F/50.4V啟動段的容值：I1*t1=C*△U=12.39F(546.6A*17S=750V*C)勻速段的容值：I2*t2=C*△U=2.88F（28A*77.02S=750V*C）減速段的容值：I3*t3=C*△U=6.68F（-300A*16.7S=750V*C）UC△U值：1/2U=750V額定計(jì)算容量:(12.39+2.88-6.68)/1500V=8.59F/1500V冗余設(shè)計(jì)容量：8.59F*200%=17.18F/1500V總體電壓設(shè)計(jì)：1500V/50.4V=30PCS標(biāo)準(zhǔn)模組串聯(lián)=1512V30PCS標(biāo)準(zhǔn)模組串聯(lián)的容量：166F/30=5.53F模組并聯(lián)方式容量計(jì)算：17.18F/5.53≌4(3.106)所以立體快巴所用超組電容級模組為:166F/50.4V模組30串4并使用。4.0超級電容模組規(guī)格型號：TIGML050R4C1666型號：TIGML050R4C1666■特征Features■產(chǎn)品Product-超低內(nèi)阻、超高功率-超高1,000，000個(gè)工作周期-集成超級電容器管理系統(tǒng)（UMS）-單體間平衡-過電壓和溫度監(jiān)控信號輸出-I/O或CAN輸出接口-堅(jiān)固、緊密、全封閉、防濺■典型應(yīng)用Applications-軌道交通、電動汽車-工業(yè)、UPS和電信■尺寸Dimensions型號重量（kg）尺寸（mm）L(±0.5)W(±0.5)H(±0.5)TIGML050R4C166617.2416190184■規(guī)格Specifications項(xiàng)目參數(shù)容量額定容量（F）166F容量公差+5%/－5%電壓額定電壓50.4VDC浮充電壓52.2VDC內(nèi)阻ESR，1KHz5.3mΩESR，DC6.5mΩ溫度工作溫度范圍－40～+65℃存儲溫度范圍－40～+70℃電流最大漏電流5.1mA25℃，72h最大持續(xù)電流150A能量最大能量密度3.27Wh/Kg溫度特性容量變化-40℃︱△C/CR︱≤5%內(nèi)阻變化-40℃︱△ESR/ESRR︱≤50%耐久性65℃，額定電壓下，工作1500h后容量變化︱△C/CR︱≤20%內(nèi)阻變化︱△ESR/ESRR︱≤60%存放期65℃，無負(fù)載情況下，經(jīng)過1500h后容量變化︱△C/CR︱≤20%內(nèi)阻變化︱△ESR/ESRR︱≤60%壽命測試25℃，額定電壓下，工作超過10年容量變化︱△C/CR︱≤30%內(nèi)阻變化︱△ESR/ESRR︱≤50%循環(huán)測試25℃，恒定電流下，在額定電壓至1/2額定電壓之間循環(huán)一百萬次容量變化︱△C/CR︱≤30%內(nèi)阻變化△ESR/ESRR︱≤50%監(jiān)控平衡VMS監(jiān)控電阻NTC熱敏電阻■標(biāo)示Marking額定容量、額定電壓、產(chǎn)品編號、制造者名稱、正負(fù)極、序列號5.0標(biāo)準(zhǔn)模組連接示意圖標(biāo)準(zhǔn)超級電容模組166.6F/50.4V30串行4并連結(jié)圖信號傳輸BUS+BUS+1500VdcNegativeN30N30N30N30數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)（電壓/電流/溫度/連接器內(nèi)阻）6.0立體快巴超級電容應(yīng)用管理系統(tǒng)在節(jié)能減排、發(fā)展綠色能源的號召下，電動汽車的使用和普及已成為一種趨勢。但對于車載電源，為達(dá)到較高功率和能量，超級電容往往采用多塊單體串聯(lián)的形式，伴隨著電容串級的提升，整體電壓也隨之提高。超級電容工作電壓可達(dá)到幾百上千伏，而這樣高峰值的電壓引起的波動會帶來強(qiáng)烈的電磁干擾，同時(shí)由于串聯(lián)超級電容往往采用大電流充放電（通常在50A-1000A之間），電壓、電流變化十分迅速，如中型客車用超級電容以150A電流放電時(shí)，端電壓會在1分鐘之內(nèi)由300V減到70V，而200V恒壓充電時(shí)電流也會在幾分鐘內(nèi)由50A增大到150A左右。由于超級電容器單體有嚴(yán)格的耐壓值(如有機(jī)體系超級電容小于2.7V),因而需要將數(shù)個(gè)甚至數(shù)百個(gè)單體串聯(lián)構(gòu)成所需工作電壓的超級電容模組,這些單體應(yīng)具有相同的充放電電流,因串聯(lián)組中各單體性能(容量、內(nèi)阻、漏電流等)的不一致(即使在配組時(shí)經(jīng)過嚴(yán)格的一致性篩選,其偏差也不可避免)會造成超級電容器組的過充或欠充使得儲能下降或壽命縮短。車載超級電容模組如何管理是電動汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。車載超級電容模組管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測超級電容模組的工作狀態(tài)，如電壓、充放電電流、使用溫度等；連接器內(nèi)阻、容量，防止過充過放，從而達(dá)到提升超級電容使用性能和壽命，提高超級電容電車的可靠性和安全性的目的。深圳市今朝時(shí)代新能源技術(shù)有限公司專門針對車載超級電容模組在線監(jiān)測需要，借鑒相關(guān)蓄電池組儲能管理維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)、方案，研制出超級電容模組管理維護(hù)系統(tǒng)的高科技電子產(chǎn)品。本產(chǎn)品突破傳統(tǒng)監(jiān)測一貫所采用的檢測原理，采用模塊化設(shè)計(jì)，分布式安裝，從而可以較好解決在傳統(tǒng)監(jiān)測時(shí)普遍存在信號連接線過多、過長，施工維護(hù)相對困難、繁瑣，又同時(shí)存在安全隱患的問題。6.1城市立體快巴超級電容應(yīng)用系統(tǒng)圖6.2系統(tǒng)主要功能規(guī)格6.2.1城市立體快巴超級電容模組管理系統(tǒng)的主要功能采集城市立體快巴上超級電容模組的信號（電壓/電流/溫度/連接器內(nèi)阻/狀態(tài)指示等）信息存儲數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)的分析處理監(jiān)視分析位置信息與維護(hù)處理功能對超出工作狀態(tài)的器件進(jìn)行預(yù)警6.2.2采集模塊基本參數(shù)城市立體快巴UC儲能系統(tǒng)均采用50V166F標(biāo)準(zhǔn)模組，通過串并聯(lián)組成不同電壓和容量的系統(tǒng)，目前主要由30個(gè)標(biāo)模組串聯(lián)成1500Vdc的BUS電壓和四組完全相同的串聯(lián)模組并聯(lián)組合而成，以此達(dá)到17F/1500V的城市立體快巴動力源能量系統(tǒng)?？傠妷涸?500VDC以下，總電流在1000A以下。檢測和采集單個(gè)UC模組：電壓：0~60VDC；電流：0~1000A溫度：-20~-70℃模組ID：另外采集由模組提供的OVP和OTP信號；檢測UC模組的通道數(shù)量：32個(gè)要求檢測和采集UC系統(tǒng)：總電壓：0~1800VDC；總電流：0~1000A6.2.3主要技術(shù)指標(biāo)采集器工作電壓：DC12V；采集器工作電流：<100mA檢測電流范圍：0-1000A輸入電流精度：200UV@1A檢測電壓范圍：0-1500Vdc輸入電壓精度：3mV±1%溫度檢測范圍：-20+80℃溫度精度：±1℃SOH功能預(yù)警指示功能：電流檢測、電壓檢測、溫度、ID檢測、通訊分析模式選擇：超級電容（UC）信息傳送延時(shí)：＜100ms誤碼率：＜1×10-5發(fā)送接收時(shí)間：＜5秒系統(tǒng)可設(shè)定歷史數(shù)據(jù)容量：3年特定數(shù)據(jù)5年整機(jī)功耗：≤10W溫度適應(yīng)范圍：-40~70℃采集器防護(hù)等級：IP656.2.4城市立體快巴超級電容模組管理系統(tǒng)軟件功能針對UC模組和系統(tǒng)作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控的軟件平臺，平臺架構(gòu)參照蓄電池儲能信息管家系統(tǒng)的框架，包括SOH（健康狀態(tài)診斷）、故障報(bào)警以及必要的分析圖表，其主要功能如下：數(shù)據(jù)分析功能：生成總電壓曲線、單個(gè)模組電壓曲線、總電流特性曲線、溫度曲線圖、連接器內(nèi)阻分析表、數(shù)據(jù)表格等。預(yù)警功能：標(biāo)準(zhǔn)模組電壓異常時(shí)自動進(jìn)行告警，通過自動診斷給出具體的故障原因及解決辦法