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电动汽车中的超级电容


电动汽车中的超级电容

超级电容是一种电化学装置,是介于电池和普通电容之间的过渡部件。其充放电过程高度可逆,可进行高 效率(0.85~0.98)的快速(秒级)充放电。其优点还包括比功率高、循环寿命长、免维护等。

以前由于超级电容的比能量过低,放电时间太短,难以应用于汽车领域。随着超级电容技术的迅速发展, 目前成为汽车领域研究和应用的新热点

。超级电容不仅适合用作汽车发动机起动、动力转向等子系统的辅 助能源,而且还可以与电池、燃料电池等结合用作电动汽车的辅助能源,从而提高电池寿命,弥补燃料电 池比功率不足,最大限度的回收制动能量等。总之,其在汽车领域有十分广阔的应用前景。

超级电容的原理与分类

准确的说,超级电容应该叫做电化学电容器(Electrochemical Capacitor)。它能提供比电解电容器更高 的比能量,比电池更高的比功率和更长的寿命。

根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类:

1、 使用碳电极的双电层电容器 (Double Layer Capacitor,DLC)如图 1 所示,可以把双电层超级电容看 成是悬在电解质中的两个非活性多孔板,电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离 子,负极板吸引正离子。从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。

图 1 双电层超级电容器

DLC 本质上是一种静电型能量储存方式。所以双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关,因而 常常使用高比表面积的活性碳作为双电层电容器的电极材料,从而增加电容量。例如,活性碳在经过特定 的化学处理后,表面积可以达到 1000m2/g,从而使单位重量的电容量可达 100F/g,并且电容的内阻还能 保持在很低的水平。碳材料还具有成本低,技术成熟等优点。该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。

2、使用金属氧化物电极的超级电容器,原来是指贵金属氧化物 RuO2 、IrO2 作为电极的电容器。通过发 生可逆的氧化/还原反应, 使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。 它与双电层电容的机理不同, 称为法拉第赝电容 (Faradaic pseudocapacitance)。与双电层电容器的静电容量相比,相同表面积下超电 容器的容量要大 10~100 倍 ,因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高,主

要用于军事领域。

3、使用有机聚合物电极的电容。目前技术还不是很成熟,价格较贵,还处于实验室研究阶段。

汽车用超级电容的研究进展

目前,美国、欧洲和日本都在积极开展电动汽车用超级电容的研究开发工作。美国能源部和 USABC 从 19 92 年开始,组织国家实验室(Lawrence Livermore,Los Alamos 等)和工业界(Maxwell,GE 等)联 合开发使用碳材料的双电层超级电容器。其研究的初期目标是在维持功率密度为 1kW/kg 的同时,把超级 电容的能量密度提高到 5Wh/kg。这一目标已经基本达到,但是尚未按进度完成 PNGV 确定的目标。有关 资料表明,如果超级电容的比能量达到 20Wh/kg,那么用于混合车将是比较理想的。

1996 年欧共体制定了电动汽车超级电容器发展计划。由 SAFT 公司领导,成员包括 Alcatel-Asthom、Fiat 等。目标是:比能量达到 6Wh/kg,比功率达到 1500W/kg,循环寿命超过 10 万次,满足电化学电池和燃 料电池电动汽车要求。

日本也成立了“新电容器研究会”和 NEW SUNSHINE 开发机构。

目前,在该技术领域中处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国。俄罗斯专注于电容车技术和电 动车制动能量回收的研究,取得了显著的发展。其启动型超级电容器比功率已达 3000W/kg,循环寿命在 1 0 万次以上,领先于其它国家。在俄罗斯,曾有使用 950kg 超级电容驱动载客 50 人的电动巴士,尽管其续

驶里程只有 8~10km,但其充电时间也只有 15 分钟。

Maxwell 公司预测其产品 PowerCacheTM 的价格在 2003 年达到$30/cell,到 2003 年,汽车市场对超级电 容单体的需求将达到一百万只,2008 年将迅速增加到一亿只。现在,美国的 Full Power Technologies 公 司正在进行低成本超级电容的开发。

我国从九十年代开始研制超级双电层电容器,与国外先进水平还有一定的差距。据有关资料表明,国内有 些单位已经研制出比能量为 10Wh/kg、比功率为 600W/kg 的高能量型及比能量为 5Wh/kg、比功率为 250 0W/kg 的高功率型超级电容器样品,循环使用次数可达 50,000 次以上。性能指标已经达到国际先进水平, 成本较国际平均价格有大幅度下降。初步具备应用水平。

超级电容在汽车上的应用

1、电动汽车的辅助动力

汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大,在城市工况下更是如此。一辆高性能的电 动汽车的峰值功率与平均功率之比可达 16:1。但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短,需求 的能量并不高。

对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言,这就意味着:要么汽车动力性不足,要么电压总线上要 经常承受大的尖峰电流,这无疑会大大损害电池、燃料电池或其它 APU 的寿命。

但如果使用比功率较大的超级电容,当瞬时功率需求较大时,由超级电容提供尖峰功率,并且在制动回馈 时吸收尖峰功率,那么就可以减轻对辅助电池、燃料电池或其它 APU 的压力。从而可以大大增加起步、加 速时系统的功率输出,而且可以高效地回收大功率的制动能量。这样做还可以提高蓄电池(燃料电池)的

使用寿命,改善其放电性能。

如图 2 所示为燃料电池汽车的起动过程,由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率,从而使汽车起步 过程大大加快。

图 2 FC+C 与 FC 汽车起步加速性能比较 除此之外,采用超级电容还能在设计(选择)蓄电池等动力部件时,着重于其比能量和成本等问题,而不 用再过多考虑其比功率问题。通过扬长避短,可以实现动力源匹配的最优化。

2、典型驱动结构

超级电容作为唯一动力源的电动汽车驱动结构较简单,而且目前技术还不成熟。所以一般都是把超级电容 作为辅助动力源,与电池、燃料电池或其它 APU 系统组成多能源的动力总成来驱动车辆。常见的结构组合 形式有:B+C,FC+C,FC+B+C,ICE/G+C 等。(其中 B 代表电池、C 代表超级电容、FC 代表燃料 电池、ICE 代表内燃机、G 代表发电机),这些结构都属于串联式混合驱动结构。

如图 3 所示为超级电容应用于电动车的典型结构。

图 3 超级电容用于电动车的典型驱动结构

UCMS(超级电容管理系统)实现对超级电容的封装,主要作用是管理每个单体电流的大小,防止电压超 过电解质的分解电压而造成损坏,限制单体不均匀性的影响。从而使超级电容组稳定可靠的工作,提高超 级电容组整体的效率和寿命。

超级电容经过一个双向的高频 DC/DC 后在直流电压总线与电池组进行耦合。为了串联较少的超级电容单 体,DC/DC 一般为电流型升压变换器,通过控制 DC/DC 的输出电流来达到控制其输出功率的目的。

由于超级电容器存储的能量和电压的平方成正比,所以超级电容器由荷电状态所决定的端电压将在一个很 宽的范围内变化。例如,如果超级电容器被放电 75%,那么电容器的端电压将减少到初始电压的 50%。 为了控制电容器的能量输入输出,协调超级电容电压和电池电压,必须要使用 DC-DC 变换器。

3、控制方式

对于 B+C 形式的电动汽车而言,主要是控制超级电容的电流,以实现作为主动力源的电池与超级电容的 功率分配。应该考虑以下几个方面:蓄电池功率输出应该尽可能保持恒定或平滑;超级电容主要起功率调 峰作用,提供道路需求功率减去蓄电池功率外剩余的功率,并且回收制动能量;必须保证蓄电池与超级电 容都在各自的安全电压范围内工作;系统的整体效率应该尽可能最大。除了以超级电容电流为控制目标外, 也可以把电容电压作为控制目标。

4、示范样车

在德国巴伐利亚州政府的支持下,MAN 和 Siemens 、EPSOS 公司合作建立了欧洲第一辆采用柴油-电 驱动和双层电容器作为大功率储能装置的城市公交车。与常规柴油机驱动的车辆相比,燃料消耗减少 10~ 15%,而且舒适性提高,噪音和污染减少。该研究项目将来会把超级电容用于燃料电池车的驱动系统中。

图 4 “CNG+C ”15 吨串联式混合动力大客车 瑞士中心应用科学大学(HTA-Luzerne)自 1992 年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统—SAM (Super Accumulator Module),它是以超级电容和电池为基础组成的。并且在 1997 年开发的“蓝色天使” 轻型混合动力车中仅使用超级电容组就拖动了瑞士联邦铁路公司的 80t 重的火车头。此项目还实现了储能 系统完全由超级电容组成的 16 座 4t 的中巴车。 Nissan Diesel 公司开发了一辆 15t 的“CNG+C”串联式混合动力大客车如图 4 所示, 续驶里程比常规 CNG 大客车提高了 2.4 倍。超级电容总重 200kg,CNG 发动机在最优效率点带动一个 75kW 的发电机工作。 另外,本田公司的燃料电池轿车 FCX-V3 也采用了“FC+C”的驱动结构。 意大利的 Roma Tre 大学在政府的资助下正在开展“FC+B+C”的研究工作。 2001 年 1 月,GM 宣布将使用 Maxwell 公司的 PowerCacheTM 超级电容,作为其针对卡车和巴士混合驱 动解决方案——Allison Electric DrivesTM 的一部分。

5、汽车部件的辅助能源 除了用于动力驱动系统外,超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如,未来汽车设计使用的 42V 电系统(转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等),如果使用长寿命的超级电容,可以使得需求功 率经常变化的子系统性能大大提高。另外,还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线。而且, 如果使用超级电容来提供发动机起动时所需要的大电流,那么不仅能保护电池,而且即使是在低温环境和 电池性能不足的条件下也能顺利实现起动。 结论 超级电容能在短时间内提供/吸收大的功率,而且效率高、循环寿命长、工作温度范围宽,其使用的基础材 料价格也很便宜。尽管超级电容仍然存在价格偏贵,比能量有待进一步提高等缺点,但是随着其技术的日 益成熟和车载示范运行的不断深入,超级电容将会快速进入汽车市场,使产量上升,价格下降。总之,超 级电容在汽车领域应用前景广阔。


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