混合效率（共4篇）
混合效率 篇1
1 概述
从氢和空气中含有的氧产生电能和纯水的燃料电池,对其作为清洁和高效发动机的作用,近来引起人们的关注。日本铁道综合技术研究所(RTRI)开发出一种新型燃料电池作动力的铁道车辆,以便将来替代在非电气化区段运营的传统燃油车辆和电动车辆。已经对动力至少足以驱动单个车辆,安装在试验车辆进行运营试验的100 kW燃料电池系统(称之为FC系统)做过介绍。结果确认可达到42 km/h的最高速度,FC系统在波动荷载下能持续发电[1]。然而,在实际运用中却发现一些限定,如输出功率不足,无法达到传统车辆的加速能力,再生能量也无法应用。
在这次研究中,开发一种锂离子电池系统(称之为锂电池),电池用DC/DC变流器(电池变流器)和燃料电池/电池混合系统检测器(混合检测器),将它们与FC系统一起安装在R291系试验车辆上以建立一种混合系统。为提高加速能力、利用再生能量、提供辅助电力,制作了一列由2辆装有这种混合系统的车辆组成的车组。下面介绍这些开发和在不同运行情况下的能量效率和燃料耗量进行评定的结果。
2 燃料电池/电池混合系统的开发2.1
2.1装有这种燃料电池/电池混合系统试验车辆的技术条件
混合前,只用FC系统产生牵引动力,仅用单辆试验车辆组成的车组进行了运行试验。然而,在这次研究中,准备了一种燃料电池/电池混合系统,并用一列由2辆试验车辆组成的车组进行运行试验。图1示出所用的燃料电池/电池混合试验车辆,表1列出它们的主要技术参数,表2示出混合改变和改进的地方。与计划在不久的将来要替代的2辆传统燃油车辆(Kiha-40系,220 hp/车)的输出相比,这些试验车辆的输出得到改善。
2.2 燃料电池/电池混合系统的结构
这里示出各类燃料电池/电池混合结构。图2列出其主要类型。由于A类结构的燃料电池和电池都需要输出功率控制功能,所以,目前不选用这类结构。至于B类和C类结构,牵引逆变器的输入电压随燃料电池和电池的情况而波动,这会影响加速度能力。D类结构在图2所示所有结构中需要的设备最多,而它具有传统牵引系统适应的优点。而E类结构混合控制方法极为简单,但有一些缺点:功率再生只及感应电机的一半,电池不能从燃料电池充电。因此,为从使用普通牵引系统的传统电动车辆开发装有燃料电池/电池混合系统的车辆,就需要D类结构。表3对这些结构做了比较。由于RTRI的感应主电机和静态逆变器(SIV)是为传统牵引系统制作的,所以,有必要选用D类结构。图3示出RTRI的燃料电池/电池混合系统的结构。
2.3 为混合系统开发的锂电池
作为混合系统的电池类型,选用性能更高、可靠性得到改善、目前价格较低的锂离子电池。表4示出锂电池的主要技术参数。所选用的电池模件与Hi-电车(RTRI开发的接触网/电池混合轻轨车辆)所用尺寸和能量相同(图4)。然而,设计了模件的充放电电流密度,以便进行十倍率充放电。采用 1 组 168 节串联连接、2组并联连接的锂离子电池。为抑制这些电池在夏季的温升,设计了安装在轨道上带温度计控制冷却风机的冷却系统。此外,为获得如电池最大电压、最小电压、平均电压、电流、SOC(充电状态)、故障信号和电池温度等电池信息,在各个模件设一个电池观测装置。选择30 Ah电池容量,允许以360 kW功率进行充放电。
2.4 电池变流器的开发
为将锂电池用于混合系统,开发出可将锂电池的电压从600 V转化为1 500 V,且反过来也是一样相互作用的电池变流器。图5为电池变流器,表5列出主要技术参数。对为稳定接触网电压而设计的现场类DC/DC变流器进行了改进,开发出电池变流器安装在车辆地板上。为实际应用,有可能通过特别的设计而制作出尺寸较小的装置。将信号集中于电池变流器以便混合控制,但在将来可将混合控制装置从电池变流器中分开。
2.5 混合设备在试验车辆上的布置
图6示出包括上述FC系统、高压氢气罐系统和其他元件的混合设备在试验车辆上的布置。由于这里的重点是确认混合功能,所以,没有考虑减小尺寸、减轻质量和设备的优化布置。混合系统的所有设备(除高压氢气罐外)都安装在试验车辆的地板上。
2.6 混合监视器的开发
开发出混合监视器用来检测电流量/作业状态并记录测试参数。图7示出试样显示屏。混合监视器与电池管理装置采用RS-485方式进行通信,锂电池寿命的测量和计算采用SOC信号输出的功能。
3 燃料电池/电池混合系统的控制方法
3.1 燃料电池/电池混合控制方法
电池变流器接收牵引逆变器(INV)、锂电池、FC系统和FC变流器的信号,来控制燃料电池变流器(FC变流器)的功率输出和锂电池的充放电。锂电池控制方法使连接到FC变流器、电池变流器、INV和SIV的母线保持稳定电压。如果母线电压超过1 500 V,电池变流器给锂电池充电;如果低于1 500 V,电池变流器使锂电池放电。
对FC变流器的控制方法,预先设定SOC(CEO)的充电指标和SOC(CSO)的放电指标,而后,电池变流器控制FC变流器的输出,以将锂电池的SOC信号保持在CEO值和CSO值之间。车辆速度高于5 km/h 时,视为运行,为接收到随速度而生的再生能量,电池变流器则降低CEO值和CSO值。因此,运行中的SOC值低于静止时(车辆速度低于5 km/h)的值。当车辆在高SOC情况下进行运行试验时,锂电池可提供加速功率。
为接收再生制动的最大功率,将CEO值设定在70%。为避免SOC信号振动产生共振,将CSO值设定在60%(即比CEO值低10%)。确定在30%锂电池情况下,可以在最高速度达到45 km/h时进行运行试验。这些电池变流器的参数也可以改变。
3.2 混合控制用INV的改进
对紧急情况下的混合控制,要求INV具有若干功能(如降低功率)。在这种情况下的混合控制,可对INV增加下列功能:
(1) 如果接收到“电池过充电”信号,INV停止再生制动;
(2) 如果接收到“电池过放电”信号,INV作业降低2个刻度,只用FC系统供电;
(3) 如果INV的输入电压降低,INV降低输出功率,以便保持输入电压接近DC1 500 V。
3.3 从运行试验结果对混合控制的确定
图8示出使用上述混合控制装置进行运行试验的结果。首先,对静止车辆,控制FC变流器以增加60%以上的SOC。第二,车辆开始运行时,根据速度和SOC,控制FC变流器来降低输出功率,以接收再生能量。第三,根据车辆的惯性速度,与实际SOC和目标SOC间的差别相一致控制FC变流器。第四,车辆制动和再生时,控制FC变流器以尽可能小地降低输出功率,用再生能量给锂电池充电。最后,按上述说明,控制FC变流器来增加输出功率,以保持初始控制状况下(高于60%)的SOC值。
4 燃料电池/电池混合系统燃料耗量和效率的评定
依据用如上所述的燃料电池/电池混合试验车辆在试验线路进行运行试验的结果,评定了混合系统的燃料耗量和效率。由于试验线路的长度只有615 m,所以,营业线路的惰行长度并不可靠。因此,用往返作业进行运行试验。此外,由于铁路道口要用1 min以上的时间关闭,所以,运行试验要用很长的时间,这会造成辅助能量的增加。由于这些原因,平均速度(包括停车时间)和燃料耗量往往会低于在营业线路上的。使用上述混合结构和控制方法时,似乎评定燃料耗量和效率的结果随如何进行运行试验和辅助能量而变化较大。对等待SOC恢复情况的结果与无SOC恢复情况的结果进行了对比,还对开启空调作为辅助功率与关闭空调的结果进行了比较。
4.1 对关闭空调时的燃料耗量和各种效率的评定
图9示出用SOC恢复并关闭空调(工况1)进行连续运行试验的结果。在SOC恢复情况下,运行试验可持续的时间可与燃料达到的时间一样长。这里,除第一结果外,依据将SOC保持在60%、进行30次连续运行试验的结果,对燃料耗量和各种效率进行了评定。图10示出无SOC恢复和关闭空调(工况2)试验的结果。在无SOC恢复情况下,SOC值随运行试验的进程而逐渐下降,所以,当SOC值降到30%以下时终止试验。在这种情况下,SOC值从60%降到30%可进行22次运行试验。
在评定中,使用下列公式对燃料耗量和各种效率进行了定义:
燃料耗量undefined
燃料电池效率(净)undefined
再生效率undefined
车辆能量效率undefined
式中:A——加速能量;B——辅助能量;C——电池放电能量,氢能量耗量由低热值(LHV:237 kJ/mol)转换。对工况1和工况2, 表6示出对燃料耗量的评定,表7示出对各种能量的评定,表8示出对各种效率的评定。
注:*氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。
4.2 开启空调时对燃料耗量和各种效率进行的评定
图11示出无SOC恢复而空调开启(只在1辆车)(工况3)进行连续运行试验的结果。在这种情况下,SOC值从60%下降到30%可进行16次试验。对工况3,表9示出对燃料耗量的评定,表10示出对各种能量的评定,表11示出对各种效率的评定。由于辅助能量最少,所以,工况2的燃料耗量和车辆能量效率高于其他工况的。在每种工况下,FC系统效率只有约50%。在只有空调开、关状态这一差别的工况2和工况3,可以看到燃料耗量只相差1.07(km/kg-H2),而车辆能量效率只相差7.4%。在工况2,SOC从30%恢复到60%要用12 min。而在工况3,则要用15 min。在工况1的每次运行试验,SOC恢复到60%则要用约3 min。RTRI试验车辆的高压氢气罐系统装有约17 kg的氢,所以,车辆可以在不充氢的工况1～工况3的燃料耗量运行55 km～74 km(2辆车)。
注:* 氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。
5 结论
对安装燃料电池/电池混合系统的2辆车进行运行试验,对各种运行情况的SOC 60%恢复情况和无SOC恢复情况间的燃料耗量和各种效率进行评定。结果确定,后一种情况的燃料耗量和各种效率分别比前种情况好0.8 km/kg-H2和10%。此外,检查空调开、关状态间的差别,确定开启状态比关闭状态的燃料耗量优1 km/kg-H2,车辆能量效率优7%。在运营线,这些值似乎得到提高。正如所预计的,简单确定了车辆能量效率约65%的高性能。在将来的工作中,计划为燃料电池/电池混合系统开发尺寸小的装置,为实际使用确定燃料电池的寿命确定跨度。
参考文献
[1] Yamamoto,T.,Furuya,T.,Yoneyama,T.,Ogawa,K..Evaluation of Fuel Consumption and Energy Efficiency with a Railway Test Vehicle Powered by Fuel Cells[J].RTRI Report,2008,22(2):53-58(in Japanese).
混合效率 篇2
再生制动是混合动力汽车的重要工作模式,采用再生制动策略是提高混合动力汽车燃油经济性的有效措施[1]。在保证整车安全制动的条件下,制定再生制动最佳控制策略,实现最大程度的制动能量回收,是混合动力汽车再生制动研究的重要内容。
研究表明:混合动力汽车制动过程中的能量回收效果与制动能量分配、电池快速充电性能和再生制动系统工作效率密切相关[1,2,3,4,5,6],而混合动力再生制动系统的工作效率主要取决于电机/电池的工作状态,所以在确定再生制动控制策略时,必须考虑再生制动过程中电机/电池的联合工作效率。
本文以轻度混合动力无级自动变速器 (continuously variable transmission,CVT )轿车为研究对象,在对镍氢电池充电特性和启动发电一体化(integrated starter and generator,ISG)电机发电特性试验分析的基础上,建立电机/电池联合效率模型,提出基于效率优化的再生制动控制策略。
1 制动能量回收的影响因素分析
如图1所示,混合动力再生制动系统主要由ISG电机及控制器、CVT、镍氢电池组及电池管理系统、制动控制器和混合动力控制器组成。ISG电机与发动机飞轮轴直接相连,整车制动时,汽车的动能通过CVT和ISG电机转换为电能,然后储存到蓄电池中,并提供整车所需的一部分制动力。
对于一定的车速v和所需的前轮再生制动力Freg,再生制动系统的工作参数如下:
电机转矩
Tm=FregrwηCVTη0/(iCVTi0) (1)
电机输入功率
Pm=Tmωm=FregrwωmηCVTη0/(iCVTi0) (2)
电机输出功率
Pmo=IU=Tmωmηm=FregrwωmηCVTηmη0/(iCVTi0) (3)
电池充电功率
Pb=Pmoηb=FregrwωmηCVTηmη0ηb/(iCVTi0) (4)
式中,rw为车轮半径;ηCVT 为CVT传动效率;η0为主减速传动效率;iCVT为CVT速比;i0为主减速比;Tm为电机制动转矩;ωm为电机转速;ηm为电机总效率(发电效率);ηb为电池充电效率;U为电池端电压;I为电池充电电流。
制动功率一定时,要回收尽可能多的制动能量,就必须提高传动系统的效率。假设CVT的效率为常量,取平均效率ηCVT=0.85,而主减速器的效率η0为常量,η0=0.98。因此再生制动的能量回收效率取决于ISG电机发电效率ηm和电池的充电效率ηb,为提高制动能量回收率,应采取一定的控制策略,使电机/电池联合高效工作,以提高混合动力再生制动系统的工作效率。
2 ISG电机/镍氢电池的联合效率模型
2.1 ISG电机/镍氢电池效率特性
基于台架试验得到的ISG电机和镍氢电池的效率特性如图2～图4所示。
2.2 ISG电机/镍氢电池的联合工作效率
输入一系列转速nm和转矩Tm的组合,就得到不同电池荷电状态值(SOC)和不同输入条件下ISG电机/镍氢电池组联合工作的效率特性曲线(图5)。
对比图5和图2可见,电机/电池联合效率图和电机效率图的最大区别在于:前者在高转速、高转矩区域的效率比在高转速、低转矩区域的效率低很多,说明电机高效工作区域并不等同于电机/电池联合高效区域,仅根据电机高效发电来制定再生制动控制策略是不全面的。
在相同转速转矩(充电功率)下,由于低SOC时的充电电流大于高SOC时的充电电流,充电效果(Iηb)较好,因此低SOC下的电机/电池综合效率较高。
再生制动过程中,电机/电池联合工作效率在50%～90%之间大幅变化,如果能保持电机/电池工作在高效区域,就能提高再生制动系统的能量回收效率。
2.3 电机/电池联合最佳效率曲线
要保证电机运行在联合高效工作区域,须获取保证电机/电池综合效率最高的优化工作线,以便得到电机转速并达到转矩控制目标。
将图5转化为不同功率-转矩的效率特性图(以SOC=0.3为例)。每条恒功率线都有一个最高效率点,将这些最高效率点连接起来即为电机/电池联合最佳效率曲线(联合高效曲线),如图6和图7所示。
对于不同的SOC,都可得到不同的的联合最佳效率曲线,如图8所示。由图8可见,电机最佳效率曲线(虚线)和电机/电池联合最佳效率曲线(粗实线)并不重合,仅依靠电机高效工作并不能保证电机/电池的联合高效工作,难以实现制动能量的高效回收。只要控制ISG电机运行在联合最佳效率曲线上,就可实现电机/电池的联合高效工作。
3 基于效率优化的再生制动控制策略
3.1 混合动力再生制动系统的匹配
制动过程中,ISG电机、CVT与整车的匹配关系如图9所示。对一定车速和制动强度,根据整车制动能量分配控制策略,可得前轮再生制动力和再生制动功率;根据前轮再生制动功率和SOC,总可以在电机/电池联合最佳效率曲线上找到对应的电机最佳工作点,从而确定该工作点上的电机转矩和转速,最终得到相应的CVT目标速比。SOC=0.3时,CVT目标速比如图10所示。
3.2 基于联合效率优化的CVT速比控制CVT速比为
iCVT=ωmdrw/(vi0) (5)
式中,ωmd为电机目标转速。
由CVT速比iCVT可计算出主动带轮工作半径RDR:
式中,d为主从动带轮轴间距;L为金属带长度。
设再生制动时ISG电机输入转矩为Tm,传递转矩储备系数为β,则CVT从动带轮缸的期望工作压力为
式中,α为带轮槽角;μ为金属带与带轮间的摩擦因数;ADN为从动带轮油缸面积。
当整车制动强度z(其值等于减速度与重力加速度之比的绝对值)大于0.7时,为保证制动安全,不采用再生制动,CVT速比调至最大值;为便于起车,当车速低于临界值v0时,CVT速比也调至最大值。
4 基于效率优化的CVT再生制动仿真分析
4.1 再生制动系统建模
采用理论建模和数值建模相结合的方法,在MATLAB/Simulink环境下,建立了CVT混合动力汽车整车前向仿真模型,如图11所示。仿真模型由整车模型(驾驶员、工作模式判断、整车控制和车辆参数计算),控制器模型(离合器、CVT和再生制动等),以及子系统模型(发动机、镍氢电池、ISG电机、主减速器和车轮等)组成。
将再生制动充电策略加入到再生制动系统的制动力分配控制模块中。由于采用前轮驱动,故只需根据制动力分配策略对前轮摩擦制动力和再生制动力进行重新分配即可实现再生制动控制策略。
在制动过程中,由于电机与传动系统相连,故可通过控制CVT速比使电机运行在高效发电区域,CVT速比控制模型如图12所示。
4.2 CVT混合动力再生制动系统仿真分析
本文采用前向仿真的仿真方法,其中,仿真步长取0.01s,求解器采用ode4龙格-库塔算法。仿真所用混合动力汽车相关参数如表1所示。
4.2.1 典型制动工况仿真分析
为了验证基于系统效率优化的再生制动控制策略的正确性,分别对电机单独高效工作和电机/电池联合高效工作两种情况进行仿真计算,仿真结果如图13～图15所示。
由图15可见,由于采用了基于效率优化的再生制动控制策略,故在制动过程中,通过控制CVT速比保证了电机/电池的联合高效工作。相比于电机单独高效工作,采用电机/电池联合高效控制能够实现更大程度的制动能量回收,即SOC增加量较大且充电效率ηmb有明显提高,即制动强度为0.1和0.3时的SOC分别增加60%和37%,充电效率分别增加85.54%和88.47%。
在一定车速下,SOC的变化(反映了制动能量回收量)基本上随制动强度的增大而减小,这是因为当制动强度为0.1时,电机所能提供的再生制动力已经接近最大值,且制动时间显著缩短。
4.2.2 循环工况仿真分析
为全面模拟混合动力汽车再生制动系统的工作过程,选取了欧洲城郊行驶循环(EUDC)、欧洲市区与城郊行驶循环(ECE+EUDC)、日本市区行驶循环(1015)和美国市区行驶循环(UDDS)等行驶工况,分别对电机高效和电机/电池联合高效两种情况进行再生制动系统的仿真与分析。其中,ECE+EUDC工况下的电机/电池综合高效时的仿真结果如图16和图17所示。
采用电池/电机联合高效控制时,循环工况中整车消耗有效总能量为2893.82kJ,未采用再生制动时制动消耗的能量为714.63kJ,采用再生制动后的制动能量回收量为357.62kJ,由此可得:制动能量回收率、有效制动能量回收率和电机/电池发电效率分别为50.1%、12.5%和87.8%,与电机高效控制相比,分别提高4.4%,5.1%和2.7%(图17)。
5 结论
(1)以ISG混合动力轿车为研究对象,在对镍氢电池快速充电特性和ISG电机发电特性试验与分析的基础上,建立了电机/电池联合效率模型,获取了电机/电池联合高效工作曲线。
(2)提出了利用CVT速比控制以实现ISG电机和镍氢电池组联合高效工作的再生制动控制策略,进行了再生制动系统的建模与仿真分析。
(3)仿真结果表明:应用本文提出的基于效率优化的再生制动控制策略,在保证整车制动安全的条件下,能实现ISG电机/电池高效工作,可更进一步提高制动能量回收率。
参考文献
[1]Szumanowski A.混合电动车辆基础[M].陈清泉,孙逢春,译.北京:北京理工大学出版社,2001.
[2]Gao Yimin,Chen Liping,Ehsani M.Investigation of the Effectiveness of Regenerative Braking for EV and HEV[C]//Future Transportation Technology Conference and Exposition.Costa Mesu,USA:SAE,1999:1999-01-2910.
[3]Hidehiro Oba,Akihiro Yamanaka,Katsuta Hiro-shi,et al.Development of a Hybrid Powertrain Sys-tem Using CVTin a Minivan[J].Toyota Technical Review,2002,51(2):74-79.
[4]Panagiotidis M,Delagrammatikas G,Assanis D.De-velopment and Use of a Regenerative Braking Model for a Parallel Hybrid Electric Vehicle[C]//SAE2000World Congress.Detroit,USA:SAE,2000:2000-01-0995.
[5]詹迅,秦大同,杨阳,等.轻度混合动力汽车再生制动控制策略与仿真研究[J].中国机械工程,2006,17(3):321-324.
混合效率 篇3
1 PHEV工作模式介绍
本文中的驱动控制策略包括以下三种驱动模式:
1.1 纯电动模式:
插电式混合动力汽车由于可以外接充电, 所以其可用纯电动模式行驶。在电量充足且电机功率满足需求的条件下, 该车均工作于纯电动模式。
1.2 传统模式:
在某些情况下, 需要发动机单独驱动车辆行驶。比如在较高车速下, 发动机工作在高效负荷区, 而此时电池电量又比较充足无需进行充电, 为了保持整个系统的高效, 仅需发动机单独工作。另外, 当电驱动系统出现故障时, 为了保证车辆能够继续行驶, 也要求发动机单独驱动车辆。
1.3 混合模式:
当电池电量较低或车辆需求功率较大时, 车辆工作于混合模式中, 根据需求转矩与发动机工作于高效区时发出的转矩进行比较, 混合模式又可以分成以下几种子模式:
1.3.1 电动助力模式:
为了使发动机的工作区域稳定在高效区, 需要电机对功率不足的部分进行补偿。随着车速的升高, 电动机达到最大输出功率后, 则发动机不再保持在高效区域工作, 而是提高输出功率, 此时控制策略优先保证满足车辆的功率需求。
1.3.2 混合发电模式:
在此模式中, 驱动控制策略根据驾驶员的油门踏板信号来计算驱动车辆所需的功率, 然后计算当前转速下发动机的最佳效率工作点, 当需求功率小于发动机最佳工作效率点处所发出的功率时, 驱动控制策略计算此时发动机最佳效率点处的功率与需求功率的差值, 并根据现在的电池与电机状态计算此差值经过一轮充放电循环后, 可以保留的有效功, 进而计算这种情况下的单位燃油效率, 其结果与发动机仅产生当前需求功率时的燃油效率进行比较, 如果电机进行多余能量回收时燃油效率高, 则令发动机工作在最佳效率点处, 电动机对多余能量进行回收, 否则令发动机单独驱动车辆, 电动机不进行能量回收。
2 使用Cruise进行仿真
Cruise是由AVL公司发布的一款整车性能仿真分析软件, 其自带多种车辆标准零部件模块, 通过拖放的方法可以迅速建立车辆的整车模型, 并对其进行动力性和经济性仿真。并可与Simulink软件进行通信, 方便使用Simulink建立控制策略模型。图1是本文使用Cruise3.0建立的PHEV整车模型。该车具有发动机和电机两套动力装置, 采用并联式结构, 发动机和电机可以分别或同时驱动车辆。发动机通过超越离合器与电机机械连接。由于超越离合器只能单向传递扭矩 (从发动机向电动机) 所以当由电机单独驱动车辆时, 电机无需反拖发动机, 减少了无谓的能量消耗及机械磨损。模型中发动机参数为1.1L、额定功率48k W, 电机最大功率25k W, 电池组容量330V/22Ah。
本文中为了表现车辆在行驶时, 各个部件的工作情况, 特地选取了代表车辆的中高速行驶的EUDC工况, 可以反映PHEV在混合工作模式下的表现;以及代表市区内行驶的UDC工况, 可以反映PHEV在城市内以纯电动模式行驶时的表现。
PHEV与对照的传统车辆在EUDC工况下的发动机工作点分布见图2。
从图中我们可以看出, 在动力电池电量充足的条件下, 插电式混合动力汽车发动机的工作点主要分布在高效区, 范围集中, 工作转速范围在2000~3500转之间。低速时, 发动机不工作。在EUDC循环工况中, 发动机仅有28.39%的时间工作。在怠速和低速工况时, 控制策略能够成功关闭发动机。而传统车辆的发动机工作点分布较为分散, 工作转速范围较宽。车辆有12.96%的时间处于怠速状态, 且有43.3%的时间工作在低负荷区域, 这对发动机的燃油经济性有很大的影响。从仿真结果来看, 在EUDC工况下, PHEV与同排量的传统车相比, 燃油消耗降低21.05%。
而在UDC工况中, 最高车速为50km/h, 可以用来测试插电式混合动力汽车平时的主要工作模式--纯电动模式。从仿真结果来看, 当PHEV工作在纯电动模式下时, 与传统汽车相比可以显著降低油耗, 等效百公里油耗仅有1.59L, 降低了78.24%。体现出了巨大的节能优势。按照现在的93号汽油6.56元/升的价格来计算, 传统车每百公里燃油成本为50元;PHEV在纯电动模式下行驶时百公里耗电14.586度, 按当前0.49元每度的电价计算, 考虑充放电损失, 成本约在10元/百公里左右。
总结。根据仿真结果可以看出, 本控制模型可以有效降低车辆的油耗。但尚存在一些不足:当车速波动时, 可能造成发动机频繁启动;控制策略对发动机等的实验数据要求较高, 并且无法及时反应参数的变化, 导致控制效果降低;本策略计算量较大, 需要使用成本较高的芯片。
因此本策略尚有改进空间:加入发动机起动频率的控制, 减少发动机短时间内起动的次数;加入道路预判断功能, 优化发动机的工作时间;加入参数自动校正功能。
参考文献
[1]汪斌, 李峥, 彭红涛, 朱禹.CRUISE软件在混合动力汽车性能仿真中的应用[J].汽车科技, 2007, (5) :38-40.
[2]王锐, 何洪文.基于Cruise的整车动力性能仿真分析[J].车辆与动力技术, 2009, 114 (2) :24-26, 36.
混合效率 篇4
采用尝试采用氯苯二氯苯和混合溶剂对活性层影响的方法来探索改进电池效率的方法,并且取得显著效果。发现混合溶剂给出最好的表现( sola performance) 这种光电转换效率的提高主要是由于短路电流密度的提高引起的,同时研究了活性层AFM高度图和相图的区别及其吸收曲线。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
聚3-己基噻吩(Poly-3-)购买于西格玛药品公司;
PCBM购买于Nano-C药品公司;
氯苯购买于西格玛药品公司;
邻二氯苯购买于西格玛药品公司。
1. 2 实验仪器
旋转镀膜仪( spin coater) 为Shinu + 仪器公司生产;
太阳光模拟器( solar simulator) 某仪器公司生产;
分子力显微镜AFM为Veeco仪器公司生产。
2 实验方法
如图1 所示,有机太阳能电池是做在有ITO镀层的玻璃板上,结构是ITO/PEDOT: PSS /P3HT:PCBM / Li F / Al。
2. 1 溶液制备
分别配制氯苯、邻二氯苯和混合溶剂( 氯苯: 邻二氯苯= 1∶ 3) 的20 mg /m L的PCBM和P3HT溶液;然后将PCBM和P3HT溶液按照1∶ 1的体积比混合。
2. 2 旋涂
将ITO玻璃分别置于超声振荡器中用去离子水、丙酮、和乙二醇中清洗后烘干备用,将ITO放置于紫外臭氧( UV-ozone) 处理20 min。然后将PEDOT: PSS( Clevios P VP 4083) 以厚度为40 nm旋涂到ITO玻璃基板上后放置到150 ℃ 环境中加热30 min。在充满氩气保护的手套箱中将上述已配制好的三种活性层溶液均以100 nm厚度分别旋涂到以覆有PEDOT层的ITO玻璃基板上。
2. 3 负极材料蒸镀和退火
将Li F和Al先后按照1 nm和100 nm的厚度蒸镀到上述已旋涂过活性层的基板上后送入烘箱以150 ℃ 的温度加热30 min后再自然冷却致室温。至此,实验制作部分完成。最后将制成的样品分别用原子力显微镜、可见光吸收光谱以及太阳光模拟器来检测其表面形貌、吸收光谱以及转换效率以分析不同溶剂对转换效率的影响结果。
3 结果与讨论
3. 1 伏安曲线的绘制
图2 为三种不同溶剂的活性层电池的伏安曲线,由此可以看出,混合溶剂组的转化效率达到2. 948% ,明显高于氯苯组的2. 474% 和邻二氯苯组的2. 602% 。相比氯苯为溶剂的参比试验,二氯苯和混合溶剂设备的转化效率分别提高了5. 26% 和19. 43% . 我们用氯苯作为参比试验( control) ,开路电压Voc是0. 617 V,短路电流密度Jsc是7. 180m A / cm2,填充因子FF是0. 559,最终效率是2. 474% ,邻二氯苯的Voc是0. 615 V,短路电流密度Jsc是7. 673 m A / cm2,填充因子FF是0. 552,PCE是2. 602% ; 混合溶剂的Voc是0. 619,短路电流密度Jsc是8. 264 m A/cm2,填充因子FF是0. 570,PCE是2. 948% 。从表1 可以看出,使用邻二氯苯的Voc和FF与氯苯情况类似,但是Jsc有6. 87% 的提高。从而使PCE有5. 17% 的提高。混合溶剂的效果最好,最终混合溶剂组的PCE的19. 43% 提高主要是由于短路电流密度Jsc的15. 04% 和FF的3. 04% 的改善引起的。
3. 2 原子力显微镜( AFM)
图3 是通过原子力显微镜( atomic force microscope,AFM) 测得旋涂后的活性层表面形貌和相分布情况。很显然,二氯苯组的表面比氯苯表面要平整,而相比于单纯氯苯和邻二氯苯组,混合溶剂组的样品具有更加平整的表面; 平整的表面有利于活性层跟电极的完好接触,增大有机活性层与Al电极的接触面积。
另一方面,从相图上来看,三组表面均有小的突起,表面的突起是聚合物的不同聚集形态造成的[10]; 很明显,这种突起的粒径从上往下也是逐渐减小的,混合溶剂组的相图突起的粒径更小,这样利于激子的扩散和电荷的分离; 因为通常激子的扩散距离只有大约10 nm更小更均匀的表面形态能够提高电流和填充因子[11]。
3. 3 吸收光谱图
图4 三条曲线为三种不同溶剂的活性层可见光吸收光谱,从图中可以看到混合溶剂组的活性层吸收光谱在400 ~ 520 nm之间的可见光吸收强度明显大于另外两组,而这个区间的吸收主要是由于聚合物P3HT引起的; 分析认为,聚合物的聚集形态能够影响到能带分布,从而影响到最终的吸收曲线。所以,混合溶剂能够让P3HT形成更好的聚集形态从而更好的吸收光,提高了光的利用效率。
4 结论
分别试验了以氯苯、邻二氯苯及这两种溶剂按照1: 3 的比例混溶物作为溶剂来进行旋涂制作薄膜太阳能电池。通过对比这三种不同溶剂所制成的电池的活性层的表面形态、紫外- 可见光吸收谱、以及伏安曲线,发现氯苯和二氯苯互溶物组的产物可见光吸收强度和光电转换效率明显优于单纯的氯苯组和邻二氯苯组; 其中,二氯苯的情况又稍好于氯苯组。通过AFM的分析认为,在混溶物组中由于两种溶剂的作用,使得P3HT和PCBM之间形成了更好的相分离,而且这两相的分离后的尺度都为纳米级,比较均匀和平整。从而提高了激子的分离效率致使产生更多的载流子,提高了光的利用率,因而会产生明显的光电转换效率。该结果同时探索出了通过尝试不同活性层旋涂溶剂的方式来探索提升有机异质结太阳能电池效率的方法。
参考文献
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