利用超级电容器储能的增程式混合动力公交车

摘要：针对近年来公交车所带来的城市污染日趋严重的现象,一些研究人员提出了电动公交车的思想,我在这一思想的基础上,提出了利用超级电容器储能的增程式混合动力公交客车的理念,并且实际打造了两台增程式混合动力公交客车,用事实来说话。

关键词：超级电容器 增程式 电动公交车

作为人们生活中必不可少的出行工具,公交车占据交通行业的重要地位,其以方便、实惠的优势深得人们的喜爱,但是随着其数量的不断扩大,尾气排放所造成的环境污染、燃料费用所造成的高额运行成本,也不断困扰着交通行业和百姓的生活,本人希望提出一个行之有效的对策,既促进交通事业的发展,又能减少环境污染。

1、技术背景

城市公交客车作为城市公共交通的主要运输车辆,其主要特点是运行距离短;车辆平均运行速度低,启动频繁,起步加速快,制动及怠速时间长（约占整个运行周期的50%）;另外我国南北地区温度差别高达60℃,在-30～35℃间。上述工况导致现有内燃机驱动的公交车辆存在能耗大,环境污染严重等问题。目前,电动车大致分为混合式和纯电动两种方式。储能装置多以电池为主。主要存在以下问题:(1)电池储能式电动客车充电时间长,充电站占地面积大。目前电池储能式电动客车的充电时间一般在3～6小时,因此只能在夜间集中充电。按照每条线路40台车计算,每条线路需要一座占地面积在1200～1600m2的充电站。一个拥有200条线路的繁华城市在市区中拿出24万平方米～32万平方米的地方建充电站,显然是无法实现的。(2)北方城市冬季气温低,电池能量的使用效率低。我国北方城市夜间最低温度在-30℃左右,而且大多数车辆夜间停在道路两旁,没有暖库,因此夜间低温充电困难;即使解决了充电问题,白天运行时电池的有效输出能量减少20～40%。(3)动力电池的循环使用寿命短。目前电池储能式电动客车以装备锂离子电池为主,在现有技术下,高压锂离子电池组的循环使用寿命在600次以内,因此在公交车中的使用寿命为两年,即在车辆寿命周期内,每台车需要3～4套电池,成本难以接受。(4)城市公交客车利用电池实现增程混合动力驱动没有实际意义。增程式混合动力车的经济性能和环保性能更接近纯电动车,但前提是车辆每日平均行驶里程在50km以内（纯电动行驶）。城市公交客车每日行驶距离在200～300km,采用增程混合动力驱动模式与采用轻度混合动力驱动模式的效果是相同的,而电池成本是轻度混合动力模式的3～5倍。

2、增程式混合动力公交车设计提出的基础

针对电池作为储能设备所存在的问题,提出了利用超级电容器储能的增程式混合动力电动客车理念。超级电容器的特点是充电快,寿命长,低温特性好,成本低。它利用超级电容器的快速充电特性作为增程式混合动力客车的储能装置,在车辆正常运行时,利用终点站的充电设备充电,然后由超级电容器驱动车辆行驶到另一个终点站,再充电后返回,实现全天纯电动行驶。当车辆在意外情况下,单次运行距离超过15km时利用车载发电机组发电驱动车辆行驶。

3、系统的组成

利用超级电容器储能的增程式混合动力公交车,主要由底盘,车身,电机驱动系统,超级电容器能量包,车载充电装置,辅助系统和低压供电系统构成。

电机驱动系统由主牵引电机和电机控制器组成。

超级电容器能量包由超级电容器组件,发电机组和能源管理系统组成,能量包的输入输出端口与开关箱联接,开关箱与车载充电机和电机控制器（变频器或斩波器）相联接。

车载充电装置由受电弓,受电弓控制器和车载充电机组成。

辅助系统由电动助力总成,电动空压机组总成和电动空调机组构成,低压供电系统由DC/DC逆变器,蓄电池组成。

4、工作模式

功率补偿:车辆在离站行驶中,电容器能量包向电机驱动系统供电,电机控制器根据驾驶员的控制指令（加速踏板）控制牵引电机的输出转速和转矩,通过变速箱和后桥驱动车轮以不同的速度转动。

能量回馈:当车辆滑行或刹车制动时,牵引电机的工作模式由牵引转变为发电,其发出的电能由电机控制器反馈到能量包中的超级电容器中。

增程行驶:在车辆需要驶离线路到15km以外的地方时,能量包中超级电容器的电压因能量消耗下降到充电的设定值时,能源管理系统在检测不到受电弓控制器可以充电的指令时,启动发电机组给电容器充电,并将车辆驱动模式由全电动驱动转换为由发电机组供电,电容器提供功率补偿的驱动模式运行。

5、前景展望

利用超级电容器储能的增程式混合动力公交车解决了公交车节能环保的问题,在线路正常运营时实现纯电动模式行驶,即减少了能源成本,又降低了发动机的尾气排放和车辆行驶噪音。同时车辆又具备长距离行驶的能力和低温行驶能力。利用超级电容器储能的增程式混合动力公交车必将成为电动汽车行业上的一个新的亮点。

6、结语

综上所述,我们可以发现,利用超级电容器储能的增程式混合动力公交客车,具有现实意义,可以达到节能环保的目的,值得多部门加以深入的探讨。

参考文献

[1]何洪文,祝嘉光,李剑.混合动力电动汽车技术发展与现状[J].车辆与动力技术,2004(02).