|
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。其優點還包括比功率高、循環壽命長、免維護等。 以前由于超級電容的比能量過低，放電時間太短，難以應用于汽車領域。隨著超級電容技術的迅速發展，目前成為汽車領域研究和應用的新熱點。超級電容不僅適合用作汽車發動機起動、動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�，其在汽車領域有十分廣闊的應用前景。 超級電容的原理與分類 準確的說，超級電容應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，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，并且電容的內阻還能保持在很低的水平。碳材料還具有成本低，技術成熟等優點。該類超級電容在汽車上應用也最為廣泛。 2、使用金屬氧化物電極的超級電容器，原來是指貴金屬氧化物RuO2 、IrO2 作為電極的電容器。通過發生可逆的氧化/還原反應，使電荷在兩個電極上發生轉移的同時產生吸附電容。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，主要用于軍事領域。 3、使用有機聚合物電極的電容。目前技術還不是很成熟，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）和工業界（Maxwell，GE等）聯合開發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。這一目標已經基本達到，但是尚未按進度完成PNGV確定的目標。有關資料表明，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展計劃。由SAFT公司領導，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開發機構。 目前，在該技術領域中處于領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和電動車制動能量回收的研究，取得了顯著的發展。其啟動型超級電容器比功率已達3000W/kg，循環壽命在10萬次以上，領先于其它國家。在俄羅斯，曾有使用950kg超級電容驅動載客50人的電動巴士，盡管其續駛里程只有8～10km，但其充電時間也只有15分鐘。 Maxwell公司預測其產品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。現在，美國的Full Power Technologies公司正在進行低成本超級電容的開發。 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。據有關資料表明，國內有些單位已經研制出比能量為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，循環使用次數可達50,000次以上。性能指標已經達到國際先進水平，成本較國際平均價格有大幅度下降。初步具備應用水平。 超級電容在汽車上的應用 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，可以實現動力源匹配的最優化。 2、典型驅動結構 超級電容作為唯一動力源的電動汽車驅動結構較簡單，而且目前技術還不成熟。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系統組成多能源的動力總成來驅動車輛。常見的結構組合形式有：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代表發電機），這些結構都屬于串聯式混合驅動結構。 如圖3所示為超級電容應用于電動車的典型結構。 圖3 超級電容用于電動車的典型驅動結構 UCMS（超級電容管理系統）實現對超級電容的封裝，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所決定的端電壓將在一個很寬的范圍內變化。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形式的電動汽車而言，主要是控制超級電容的電流，以實現作為主動力源的電池與超級電容的功率分配。應該考慮以下幾個方面：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 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－電驅動和雙層電容器作為大功率儲能裝置的城市公交車。與常規柴油機驅動的車輛相比，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動系統中。 圖4 “CNG＋C ”15噸串聯式混合動力大客車 瑞士中心應用科學大學（HTA－Luzerne）自1992年以來開發出一種適合車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年開發的“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邦鐵路公司的80t重的火車頭。此項目還實現了儲能系統完全由超級電容組成的16座4t的中巴車。 Nissan Diesel公司開發了一輛15t的“CNG＋C”串聯式混合動力大客車如圖4所示，續駛里程比常規CNG大客車提高了2.4倍。超級電容總重200kg，CNG發動機在最優效率點帶動一個75kW的發電機工作。 另外，本田公司的燃料電池轎車FCX-V3也采用了“FC＋C”的驅動結構。 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 除了用于動力驅動系統外，超級電容在汽車零部件領域也有廣泛的應用。例如，未來汽車設計使用的42V電系統（轉向、制動、空調、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常變化的子系統性能大大提高。另外，還可以減少車內用于電制動、電轉向等子系統的布線。而且，如果使用超級電容來提供發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境和電池性能不足的條件下也能順利實現起動。 結論 超級電容能在短時間內提供/吸收大的功率，而且效率高、循環壽命長、工作溫度范圍寬，其使用的基礎材料價格也很便宜。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，使產量上升，價格下降。總之，超級電容在汽車領域應用前景廣闊。 |
