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超級電容是一種電化學裝置，是介于電池和普通電容之間的過渡部件。其充放電過程高度可逆，可進行高效率（0.85～0.98）的快速（秒級）充放電。其優(yōu)點還包括比功率高、循環(huán)壽命長、免維護等。 以前由于超級電容的比能量過低，放電時間太短，難以應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。隨著超級電容技術(shù)的迅速發(fā)展，目前成為汽車領(lǐng)域研究和應(yīng)用的新熱點。超級電容不僅適合用作汽車發(fā)動機起動、動力轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的輔助能源，而且還可以與電池、燃料電池等結(jié)合用作電動汽車的輔助能源，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能量等�？傊湓谄囶I(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景。 超級電容的原理與分類 準確的說，超級電容應(yīng)該叫做電化學電容器（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的壽命。 根據(jù)使用電極材料的不同可以把超級電容分為三類： 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)中的兩個非活性多孔板，電壓加載到兩個板上。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儲存方式。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)過特定的化學處理后，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(nèi)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。該類超級電容在汽車上應(yīng)用也最為廣泛。 2、使用金屬氧化物電極的超級電容器，原來是指貴金屬氧化物RuO2 、IrO2 作為電極的電容器。通過發(fā)生可逆的氧化/還原反應(yīng)，使電荷在兩個電極上發(fā)生轉(zhuǎn)移的同時產(chǎn)生吸附電容。它與雙電層電容的機理不同，稱為法拉第贗電容 (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，價格較貴，還處于實驗室研究階段。 汽車用超級電容的研究進展 目前，美國、歐洲和日本都在積極開展電動汽車用超級電容的研究開發(fā)工作。美國能源部和USABC從1992年開始，組織國家實驗室（Lawrence Livermore，Los Alamos等）和工業(yè)界（Maxwell，GE等）聯(lián)合開發(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，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，那么用于混合車將是比較理想的。 1996年歐共體制定了電動汽車超級電容器發(fā)展計劃。由SAFT公司領(lǐng)導(dǎo)，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10萬次，滿足電化學電池和燃料電池電動汽車要求。 日本也成立了“新電容器研究會”和NEW SUNSHINE開發(fā)機構(gòu)。 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。俄羅斯專注于電容車技術(shù)和電動車制動能量回收的研究，取得了顯著的發(fā)展。其啟動型超級電容器比功率已達3000W/kg，循環(huán)壽命在10萬次以上，領(lǐng)先于其它國家。在俄羅斯，曾有使用950kg超級電容驅(qū)動載客50人的電動巴士，盡管其續(xù)駛里程只有8～10km，但其充電時間也只有15分鐘。 Maxwell公司預(yù)測其產(chǎn)品PowerCacheTM的價格在2003年達到$30/cell，到2003年，汽車市場對超級電容單體的需求將達到一百萬只，2008年將迅速增加到一億只�，F(xiàn)在，美國的Full Power Technologies公司正在進行低成本超級電容的開發(fā)。 我國從九十年代開始研制超級雙電層電容器，與國外先進水平還有一定的差距。據(jù)有關(guān)資料表明，國內(nèi)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(shù)可達50,000次以上。性能指標已經(jīng)達到國際先進水平，成本較國際平均價格有大幅度下降。初步具備應(yīng)用水平。 超級電容在汽車上的應(yīng)用 1、電動汽車的輔助動力 汽車頻繁的起步、爬坡和制動造成其功率需求曲線的變化很大，在城市工況下更是如此。一輛高性能的電動汽車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是持續(xù)時間一般都比較短，需求的能量并不高。 對于純電動、燃料電池和串聯(lián)混合動力汽車而言，這就意味著：要么汽車動力性不足，要么電壓總線上要經(jīng)常承受大的尖峰電流，這無疑會大大損害電池、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，當瞬時功率需求較大時，由超級電容提供尖峰功率，并且在制動回饋時吸收尖峰功率，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、加速時系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動能量。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的起動過程，由于超級電容在車輛起步時提供瞬時的大功率，從而使汽車起步過程大大加快。 圖2 FC＋C與FC汽車起步加速性能比較 除此之外，采用超級電容還能在設(shè)計（選擇）蓄電池等動力部件時，著重于其比能量和成本等問題，而不用再過多考慮其比功率問題。通過揚長避短，可以實現(xiàn)動力源匹配的最優(yōu)化。 2、典型驅(qū)動結(jié)構(gòu) 超級電容作為唯一動力源的電動汽車驅(qū)動結(jié)構(gòu)較簡單，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力源，與電池、燃料電池或其它APU系統(tǒng)組成多能源的動力總成來驅(qū)動車輛。常見的結(jié)構(gòu)組合形式有：B＋C，F(xiàn)C＋C，F(xiàn)C＋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(nèi)燃機、G代表發(fā)電機），這些結(jié)構(gòu)都屬于串聯(lián)式混合驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 如圖3所示為超級電容應(yīng)用于電動車的典型結(jié)構(gòu)。 圖3 超級電容用于電動車的典型驅(qū)動結(jié)構(gòu) UCMS（超級電容管理系統(tǒng)）實現(xiàn)對超級電容的封裝，主要作用是管理每個單體電流的大小，防止電壓超過電解質(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(wěn)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)過一個雙向的高頻DC/DC后在直流電壓總線與電池組進行耦合。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，通過控制DC/DC的輸出電流來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很寬的范圍內(nèi)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(diào)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形式的電動汽車而言，主要是控制超級電容的電流，以實現(xiàn)作為主動力源的電池與超級電容的功率分配。應(yīng)該考慮以下幾個方面：蓄電池功率輸出應(yīng)該盡可能保持恒定或平滑；超級電容主要起功率調(diào)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(nèi)工作；系統(tǒng)的整體效率應(yīng)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 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(qū)動和雙層電容器作為大功率儲能裝置的城市公交車。與常規(guī)柴油機驅(qū)動的車輛相比，燃料消耗減少10～15％，而且舒適性提高，噪音和污染減少。該研究項目將來會把超級電容用于燃料電池車的驅(qū)動系統(tǒng)中。 圖4 “CNG＋C ”15噸串聯(lián)式混合動力大客車 瑞士中心應(yīng)用科學大學（HTA－Luzerne）自1992年以來開發(fā)出一種適合車輛使用的能量存儲系統(tǒng)—SAM（Super Accumulator Module），它是以超級電容和電池為基礎(chǔ)組成的。并且在1997年開發(fā)的“藍色天使”輕型混合動力車中僅使用超級電容組就拖動了瑞士聯(lián)邦鐵路公司的80t重的火車頭。此項目還實現(xiàn)了儲能系統(tǒng)完全由超級電容組成的16座4t的中巴車。 Nissan Diesel公司開發(fā)了一輛15t的“CNG＋C”串聯(lián)式混合動力大客車如圖4所示，續(xù)駛里程比常規(guī)CNG大客車提高了2.4倍。超級電容總重200kg，CNG發(fā)動機在最優(yōu)效率點帶動一個75kW的發(fā)電機工作。 另外，本田公司的燃料電池轎車FCX-V3也采用了“FC＋C”的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 意大利的Roma Tre大學在政府的資助下正在開展“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，作為其針對卡車和巴士混合驅(qū)動解決方案——Allison Electric DrivesTM的一部分。 5、汽車部件的輔助能源 除了用于動力驅(qū)動系統(tǒng)外，超級電容在汽車零部件領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，未來汽車設(shè)計使用的42V電系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向、制動、空調(diào)、高保真音響、電動座椅等），如果使用長壽命的超級電容，可以使得需求功率經(jīng)常變化的子系統(tǒng)性能大大提高。另外，還可以減少車內(nèi)用于電制動、電轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的布線。而且，如果使用超級電容來提供發(fā)動機起動時所需要的大電流，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現(xiàn)起動。 結(jié)論 超級電容能在短時間內(nèi)提供/吸收大的功率，而且效率高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，其使用的基礎(chǔ)材料價格也很便宜。盡管超級電容仍然存在價格偏貴，比能量有待進一步提高等缺點，但是隨著其技術(shù)的日益成熟和車載示范運行的不斷深入，超級電容將會快速進入汽車市場，使產(chǎn)量上升，價格下降�？傊夒娙菰谄囶I(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。 |
