超級電容在電動車中的應(yīng)用研究

　　摘要介紹了超級電容器的機(jī)理與特點(diǎn)，概述了國內(nèi)外超級電容在電動汽車中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，通過分析比較超級電容在電動車中應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略，設(shè)計(jì)了一種新型的超級電容一蓄電池復(fù)合電源電動車控制系統(tǒng)(包括一個(gè)雙向DC/DC變換器和一個(gè)三相全橋逆變器)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合電源電動車能兼顧蓄電池和超級電容的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足電動車啟動和加速性能的要求，并能提高電動車制動能量回收的效率，增加續(xù)駛里程。以超級電容為惟一能源的電動車可以作為固定線路車使用，但配套設(shè)施還需要完善，所以發(fā)展趨勢并不樂觀。

曹秉剛，曹建波，李軍偉，續(xù)慧，許鵬

(西安交通大學(xué)電動車研究開發(fā)中心，710049，西安)

　　由于環(huán)境污染和石油危機(jī)的雙重壓力，電動車已經(jīng)逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動車的能量源泉，但目前電池技術(shù)還不能完全滿足電動車的要求。

　　超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時(shí)間的功率輸出源，而且還可利用它比功率高、比能量大、一次儲能多等優(yōu)點(diǎn)，在電動車啟動、加速和爬坡時(shí)有效地改善運(yùn)動特性。此外，超級電容還具有內(nèi)阻小，充放電效率高(90%以上)、循環(huán)壽命長(幾萬至十萬次)、無污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，和其他能量元件(發(fā)動機(jī)、蓄電池、燃料電池等)組成聯(lián)合體共同工作，是實(shí)現(xiàn)能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動車一次充電的續(xù)駛里程。因此，超級電容在電動車領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，將是未來電動車發(fā)展的重要方向之一。

　　目前，日本、美國、瑞士、俄羅斯等國家都在加緊超級電容的開發(fā)，并研究超級電容在電動車驅(qū)動和制動系統(tǒng)中的應(yīng)用，而我國超級電容的生產(chǎn)和應(yīng)用還處于起步階段。

　　1超級電容的機(jī)理與特點(diǎn)

　　超級電容(Ultracapacitor)是近期發(fā)展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力、可提供強(qiáng)大脈動功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)數(shù)萬法。超級電容按儲能機(jī)理主要分為三類①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容；③由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電容。

　　由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，因此比較適合在電動車中應(yīng)用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置，其原理結(jié)構(gòu)如圖l所示。當(dāng)向電極充電時(shí)，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于超級電容與傳統(tǒng)電容相比，儲存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個(gè)超級電容單元的電容量就高達(dá)幾法至數(shù)萬法。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內(nèi)阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達(dá)蓄電池的50～100倍，可達(dá)到10kW/kg左右，這個(gè)特點(diǎn)使超級電容非常適合于短時(shí)大功率的應(yīng)用場合。

　　超級電容具有極其優(yōu)良的充、放電性能，在額定電壓范圍內(nèi)，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時(shí)則可以放出所存儲的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級電容還具有不污染環(huán)境及機(jī)械強(qiáng)度高、安全性好(防火、防爆)、使用過程中免維護(hù)、使用壽命長(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～+45℃)等優(yōu)點(diǎn)，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。

　　2應(yīng)用研究現(xiàn)狀

　　2.1國內(nèi)外的應(yīng)用研究進(jìn)展

　　由于超級電容的優(yōu)越性能和近年來對超級電容開發(fā)能力的提高，因此超級電容在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前，世界各國爭相研究、并越來越多地將其應(yīng)用到電動車上。超級電容已經(jīng)成為電動車電源發(fā)展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來電動車動力問題的最佳途徑之一。

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