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超級電容是一種電化學(xué)裝置，是介于電池和普通電容之間的過(guò)渡部件。其充放電過(guò)程高度可逆，可進(jìn)行高效率（0.85～0.98）的快速（秒級）充放電。其優(yōu)點(diǎn)還包括比功率高、循環(huán)壽命長(cháng)、免維護等。 以前由于超級電容的比能量過(guò)低，放電時(shí)間太短，難以應用于汽車(chē)領(lǐng)域。隨著(zhù)超級電容技術(shù)的迅速發(fā)展，目前成為汽車(chē)領(lǐng)域研究和應用的新熱點(diǎn)。超級電容不僅適合用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機起動(dòng)、動(dòng)力轉向等子系統的輔助能源，而且還可以與電池、燃料電池等結合用作電動(dòng)汽車(chē)的輔助能源，從而提高電池壽命，彌補燃料電池比功率不足，最大限度的回收制動(dòng)能量等�？傊�，其在汽車(chē)領(lǐng)域有十分廣闊的應用前景。 超級電容的原理與分類(lèi) 準確的說(shuō)，超級電容應該叫做電化學(xué)電容器（Electrochemical Capacitor）。它能提供比電解電容器更高的比能量，比電池更高的比功率和更長(cháng)的壽命。 根據使用電極材料的不同可以把超級電容分為三類(lèi)： 1、 使用碳電極的雙電層電容器 (Double Layer Capacitor，DLC)如圖1所示，可以把雙電層超級電容看成是懸在電解質(zhì)中的兩個(gè)非活性多孔板，電壓加載到兩個(gè)板上。加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子。從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。 圖1 雙電層超級電容器 DLC本質(zhì)上是一種靜電型能量?jì)Υ娣绞�。所以雙電層電容的大小與電極電位和比表面積的大小有關(guān)，因而常常使用高比表面積的活性碳作為雙電層電容器的電極材料，從而增加電容量。例如，活性碳在經(jīng)過(guò)特定的化學(xué)處理后，表面積可以達到1000m2/g，從而使單位重量的電容量可達100F/g，并且電容的內阻還能保持在很低的水平。碳材料還具有成本低，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。該類(lèi)超級電容在汽車(chē)上應用也最為廣泛。 2、使用金屬氧化物電極的超級電容器，原來(lái)是指貴金屬氧化物RuO2 、IrO2 作為電極的電容器。通過(guò)發(fā)生可逆的氧化/還原反應，使電荷在兩個(gè)電極上發(fā)生轉移的同時(shí)產(chǎn)生吸附電容。它與雙電層電容的機理不同，稱(chēng)為法拉第贗電容 (Faradaic pseudocapacitance)。與雙電層電容器的靜電容量相比，相同表面積下超電容器的容量要大 10～100倍，因此可以制成體積非常小、容量大的電容器。但由于貴金屬的價(jià)格高，主要用于軍事領(lǐng)域。 3、使用有機聚合物電極的電容。目前技術(shù)還不是很成熟，價(jià)格較貴，還處于實(shí)驗室研究階段。 汽車(chē)用超級電容的研究進(jìn)展 目前，美國、歐洲和日本都在積極開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)用超級電容的研究開(kāi)發(fā)工作。美國能源部和USABC從1992年開(kāi)始，組織國家實(shí)驗室（Lawrence Livermore，Los Alamos等）和工業(yè)界（Maxwell，GE等）聯(lián)合開(kāi)發(fā)使用碳材料的雙電層超級電容器。其研究的初期目標是在維持功率密度為1kW/kg的同時(shí)，把超級電容的能量密度提高到5Wh/kg。這一目標已經(jīng)基本達到，但是尚未按進(jìn)度完成PNGV確定的目標。有關(guān)資料表明，如果超級電容的比能量達到20Wh/kg，那么用于混合車(chē)將是比較理想的。 1996年歐共體制定了電動(dòng)汽車(chē)超級電容器發(fā)展計劃。由SAFT公司領(lǐng)導，成員包括Alcatel-Asthom、Fiat等。目標是：比能量達到6Wh/kg，比功率達到1500W/kg，循環(huán)壽命超過(guò)10萬(wàn)次，滿(mǎn)足電化學(xué)電池和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)要求。 日本也成立了“新電容器研究會(huì )”和NEW SUNSHINE開(kāi)發(fā)機構。 目前，在該技術(shù)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位的國家有俄羅斯、日本、德國和美國。俄羅斯專(zhuān)注于電容車(chē)技術(shù)和電動(dòng)車(chē)制動(dòng)能量回收的研究，取得了顯著(zhù)的發(fā)展。其啟動(dòng)型超級電容器比功率已達3000W/kg，循環(huán)壽命在10萬(wàn)次以上，領(lǐng)先于其它國家。在俄羅斯，曾有使用950kg超級電容驅動(dòng)載客50人的電動(dòng)巴士，盡管其續駛里程只有8～10km，但其充電時(shí)間也只有15分鐘。 Maxwell公司預測其產(chǎn)品PowerCacheTM的價(jià)格在2003年達到$30/cell，到2003年，汽車(chē)市場(chǎng)對超級電容單體的需求將達到一百萬(wàn)只，2008年將迅速增加到一億只�，F在，美國的Full Power Technologies公司正在進(jìn)行低成本超級電容的開(kāi)發(fā)。 我國從九十年代開(kāi)始研制超級雙電層電容器，與國外先進(jìn)水平還有一定的差距。據有關(guān)資料表明，國內有些單位已經(jīng)研制出比能量為10Wh/kg、比功率為600W/kg的高能量型及比能量為5Wh/kg、比功率為2500W/kg的高功率型超級電容器樣品，循環(huán)使用次數可達50,000次以上。性能指標已經(jīng)達到國際先進(jìn)水平，成本較國際平均價(jià)格有大幅度下降。初步具備應用水平。 超級電容在汽車(chē)上的應用 1、電動(dòng)汽車(chē)的輔助動(dòng)力 汽車(chē)頻繁的起步、爬坡和制動(dòng)造成其功率需求曲線(xiàn)的變化很大，在城市工況下更是如此。一輛高性能的電動(dòng)汽車(chē)的峰值功率與平均功率之比可達16：1。但是這些峰值功率的特點(diǎn)是持續時(shí)間一般都比較短，需求的能量并不高。 對于純電動(dòng)、燃料電池和串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)而言，這就意味著(zhù)：要么汽車(chē)動(dòng)力性不足，要么電壓總線(xiàn)上要經(jīng)常承受大的尖峰電流，這無(wú)疑會(huì )大大損害電池、燃料電池或其它APU的壽命。 但如果使用比功率較大的超級電容，當瞬時(shí)功率需求較大時(shí)，由超級電容提供尖峰功率，并且在制動(dòng)回饋時(shí)吸收尖峰功率，那么就可以減輕對輔助電池、燃料電池或其它APU的壓力。從而可以大大增加起步、加速時(shí)系統的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動(dòng)能量。這樣做還可以提高蓄電池（燃料電池）的使用壽命，改善其放電性能。 如圖2所示為燃料電池汽車(chē)的起動(dòng)過(guò)程，由于超級電容在車(chē)輛起步時(shí)提供瞬時(shí)的大功率，從而使汽車(chē)起步過(guò)程大大加快。 圖2 FC＋C與FC汽車(chē)起步加速性能比較 除此之外，采用超級電容還能在設計（選擇）蓄電池等動(dòng)力部件時(shí)，著(zhù)重于其比能量和成本等問(wèn)題，而不用再過(guò)多考慮其比功率問(wèn)題。通過(guò)揚長(cháng)避短，可以實(shí)現動(dòng)力源匹配的最優(yōu)化。 2、典型驅動(dòng)結構 超級電容作為唯一動(dòng)力源的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)結構較簡(jiǎn)單，而且目前技術(shù)還不成熟。所以一般都是把超級電容作為輔助動(dòng)力源，與電池、燃料電池或其它APU系統組成多能源的動(dòng)力總成來(lái)驅動(dòng)車(chē)輛。常見(jiàn)的結構組合形式有：B＋C，FC＋C，FC＋B＋C，ICE/G＋C等。（其中B代表電池、C代表超級電容、FC代表燃料電池、ICE代表內燃機、G代表發(fā)電機），這些結構都屬于串聯(lián)式混合驅動(dòng)結構。 如圖3所示為超級電容應用于電動(dòng)車(chē)的典型結構。 圖3 超級電容用于電動(dòng)車(chē)的典型驅動(dòng)結構 UCMS（超級電容管理系統）實(shí)現對超級電容的封裝，主要作用是管理每個(gè)單體電流的大小，防止電壓超過(guò)電解質(zhì)的分解電壓而造成損壞，限制單體不均勻性的影響。從而使超級電容組穩定可靠的工作，提高超級電容組整體的效率和壽命。 超級電容經(jīng)過(guò)一個(gè)雙向的高頻DC/DC后在直流電壓總線(xiàn)與電池組進(jìn)行耦合。為了串聯(lián)較少的超級電容單體，DC/DC一般為電流型升壓變換器，通過(guò)控制DC/DC的輸出電流來(lái)達到控制其輸出功率的目的。 由于超級電容器存儲的能量和電壓的平方成正比，所以超級電容器由荷電狀態(tài)所決定的端電壓將在一個(gè)很寬的范圍內變化。例如，如果超級電容器被放電75％，那么電容器的端電壓將減少到初始電壓的50％。為了控制電容器的能量輸入輸出，協(xié)調超級電容電壓和電池電壓，必須要使用DC-DC變換器。 3、控制方式 對于B＋C形式的電動(dòng)汽車(chē)而言，主要是控制超級電容的電流，以實(shí)現作為主動(dòng)力源的電池與超級電容的功率分配。應該考慮以下幾個(gè)方面：蓄電池功率輸出應該盡可能保持恒定或平滑；超級電容主要起功率調峰作用，提供道路需求功率減去蓄電池功率外剩余的功率，并且回收制動(dòng)能量；必須保證蓄電池與超級電容都在各自的安全電壓范圍內工作；系統的整體效率應該盡可能最大。除了以超級電容電流為控制目標外，也可以把電容電壓作為控制目標。 4、示范樣車(chē) 在德國巴伐利亞州政府的支持下，MAN 和Siemens 、EPSOS公司合作建立了歐洲第一輛采用柴油－電驅動(dòng)和雙層電容器作為大功率儲能裝置的城市公交車(chē)。與常規柴油機驅動(dòng)的車(chē)輛相比，燃料消耗減少10～15％，而且舒適性提高，噪音和污染減少。該研究項目將來(lái)會(huì )把超級電容用于燃料電池車(chē)的驅動(dòng)系統中。 圖4 “CNG＋C ”15噸串聯(lián)式混合動(dòng)力大客車(chē) 瑞士中心應用科學(xué)大學(xué)（HTA－Luzerne）自1992年以來(lái)開(kāi)發(fā)出一種適合車(chē)輛使用的能量存儲系統—SAM（Super Accumulator Module），它是以超級電容和電池為基礎組成的。并且在1997年開(kāi)發(fā)的“藍色天使”輕型混合動(dòng)力車(chē)中僅使用超級電容組就拖動(dòng)了瑞士聯(lián)邦鐵路公司的80t重的火車(chē)頭。此項目還實(shí)現了儲能系統完全由超級電容組成的16座4t的中巴車(chē)。 Nissan Diesel公司開(kāi)發(fā)了一輛15t的“CNG＋C”串聯(lián)式混合動(dòng)力大客車(chē)如圖4所示，續駛里程比常規CNG大客車(chē)提高了2.4倍。超級電容總重200kg，CNG發(fā)動(dòng)機在最優(yōu)效率點(diǎn)帶動(dòng)一個(gè)75kW的發(fā)電機工作。 另外，本田公司的燃料電池轎車(chē)FCX-V3也采用了“FC＋C”的驅動(dòng)結構。 意大利的Roma Tre大學(xué)在政府的資助下正在開(kāi)展“FC＋B＋C”的研究工作。 2001年1月，GM宣布將使用Maxwell公司的PowerCacheTM超級電容，作為其針對卡車(chē)和巴士混合驅動(dòng)解決方案——Allison Electric DrivesTM的一部分。 5、汽車(chē)部件的輔助能源 除了用于動(dòng)力驅動(dòng)系統外，超級電容在汽車(chē)零部件領(lǐng)域也有廣泛的應用。例如，未來(lái)汽車(chē)設計使用的42V電系統（轉向、制動(dòng)、空調、高保真音響、電動(dòng)座椅等），如果使用長(cháng)壽命的超級電容，可以使得需求功率經(jīng)常變化的子系統性能大大提高。另外，還可以減少車(chē)內用于電制動(dòng)、電轉向等子系統的布線(xiàn)。而且，如果使用超級電容來(lái)提供發(fā)動(dòng)機起動(dòng)時(shí)所需要的大電流，那么不僅能保護電池，而且即使是在低溫環(huán)境和電池性能不足的條件下也能順利實(shí)現起動(dòng)。 結論 超級電容能在短時(shí)間內提供/吸收大的功率，而且效率高、循環(huán)壽命長(cháng)、工作溫度范圍寬，其使用的基礎材料價(jià)格也很便宜。盡管超級電容仍然存在價(jià)格偏貴，比能量有待進(jìn)一步提高等缺點(diǎn)，但是隨著(zhù)其技術(shù)的日益成熟和車(chē)載示范運行的不斷深入，超級電容將會(huì )快速進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)，使產(chǎn)量上升，價(jià)格下降�？傊�，超級電容在汽車(chē)領(lǐng)域應用前景廣闊。 |
