超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用

　　摘要分析了超級(jí)電容器應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，介紹了國(guó)內(nèi)外在超級(jí)電容器的研發(fā)、項(xiàng)目合作、超級(jí)電容電動(dòng)車(chē)實(shí)際運(yùn)營(yíng)以及招商招標(biāo)的活躍狀態(tài)，指出了目前超級(jí)電容器的技術(shù)不足和發(fā)展希望。

　　有統(tǒng)計(jì)顯示，城市污染氣體的排放中，汽車(chē)已占了70%以上，世界各國(guó)都在尋找汽車(chē)代用燃料。由于石油短缺日益嚴(yán)重，人們漸漸認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)新型汽車(chē)的重要性，即需要降低對(duì)石油的依賴(lài)，減少?gòu)U氣的排放，于是電動(dòng)汽車(chē)近年來(lái)發(fā)展很快。超級(jí)電容器功率密度大，充放電時(shí)間短，大電流充放電特性好，壽命長(zhǎng)，低溫特性?xún)?yōu)于蓄電池，這些優(yōu)異的性能使它在電動(dòng)車(chē)上有很好的應(yīng)用前景。

　　1、技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　超級(jí)電容作為電池的替代品，已經(jīng)不斷應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中。圖1為混合動(dòng)力型超級(jí)電容汽車(chē)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的超級(jí)電容器用于回收剎車(chē)時(shí)的再生能量，在啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大功率電流。超級(jí)電容電動(dòng)車(chē)一般指由超級(jí)電容器提供是主要能源的電動(dòng)車(chē)。

　　在比能量和比功率兩個(gè)性能參數(shù)上超級(jí)電容器位于電池和傳統(tǒng)電容之間，循環(huán)壽命和充放電效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電池。由于使用壽命長(zhǎng)通常都超過(guò)了使用其設(shè)備的壽命，所以，超級(jí)電容器終身無(wú)需維護(hù)，加之使用完后，對(duì)環(huán)境要求寬松，無(wú)污染，因而又稱(chēng)其為綠色能源。

　　較之化學(xué)電池，超級(jí)電容器車(chē)用貯電裝置是綠色能源，對(duì)環(huán)境沒(méi)有二次污染。循環(huán)使用壽命長(zhǎng)（約10萬(wàn)次），化學(xué)電池的循環(huán)使用壽命短（200～1000次），易損壞。充電速度快（0.3s～15min）；化學(xué)電池的充電時(shí)間長(zhǎng)，一般要3～10h。充放電效率高（98％），化學(xué)電池的充放電效率低（70％）。功率密度高（1000～10000W/kg），化學(xué)電池功率密度低（300W/kg）。超級(jí)電容器徹底免維護(hù)，工作溫度范圍寬(–40～+70℃)。容量變化小，鉛酸電池電動(dòng)車(chē)在零下溫度使用時(shí)，續(xù)駛里程減少90％，而超級(jí)電容器只減少10％。超級(jí)電容器電動(dòng)大客車(chē)剎車(chē)再生能量回收效率高，常規(guī)制動(dòng)時(shí)回收高達(dá)70％，化學(xué)電池能量回收效率僅為5％。

　　相對(duì)成本低。超級(jí)電容器的價(jià)格比鉛酸電池高一倍，但由于超級(jí)電容器的壽命比化學(xué)電池高100倍，所以超級(jí)電容器電動(dòng)車(chē)的綜合運(yùn)營(yíng)成本大大低于化學(xué)電池。

　　2、研發(fā)與應(yīng)用持續(xù)活躍

　　研發(fā)活躍、已上擬上項(xiàng)目眾多是超級(jí)電容電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的現(xiàn)狀。

　　Tesla（特斯拉）潮正席卷全球，并被市場(chǎng)形象地稱(chēng)之為“電動(dòng)車(chē)中的蘋(píng)果”。Tesla首席執(zhí)行官Elon Musk早在2011年就表示，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)的電池已經(jīng)過(guò)時(shí)，未來(lái)以超級(jí)電容器為動(dòng)力系統(tǒng)的新型汽車(chē)將取而代之。

　　近日，麥斯威爾科技有限公司(Maxwell Technologies)宣布，將為全球最大獨(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)制造商康明斯的供應(yīng)商，Cummins Crosspoint公司的子公司Crosspoint Kinetics公司供應(yīng)超級(jí)電容產(chǎn)品，用于小型混合動(dòng)力卡車(chē)和巴士等的動(dòng)力系統(tǒng)。這套采用了麥斯威爾超級(jí)電容的混合動(dòng)力系統(tǒng)具有制動(dòng)能量回收和扭矩輔助系統(tǒng)，能夠有效減少燃油消耗和廢氣排放。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)回收車(chē)輛在制動(dòng)或慣性滑行中釋放出的多余能量，并通過(guò)混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能，再儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，用于之后的加速行駛。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁與電子技術(shù)研究所研究出用超級(jí)電容器做儲(chǔ)能器件的電動(dòng)客車(chē)，這是一種只需充電15分鐘便能連續(xù)行駛25公里，而最高時(shí)速可達(dá)52公里的電動(dòng)客車(chē)。據(jù)悉，由該所承擔(dān)的黑龍江省科技攻關(guān)重大項(xiàng)目——“以電容為能源的電動(dòng)車(chē)”等3個(gè)項(xiàng)目，已通過(guò)該省科技廳鑒定。該項(xiàng)研究在以電容為能源的電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程、最高車(chē)速等方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這種超級(jí)電容電動(dòng)客車(chē)的研制為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，其性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

　　上海奧威與揚(yáng)州亞星的合作推動(dòng)了超級(jí)電容客車(chē)在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。奧威公司在2010年上海世博會(huì)上推出的超級(jí)電容車(chē)引起了多方關(guān)注，現(xiàn)在該公司把超級(jí)電容這一專(zhuān)利授權(quán)給亞星使用，亞星客車(chē)基礎(chǔ)好，有先進(jìn)的工廠、國(guó)家的政策和地方政府的支持，在充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的情況下，有可能在短時(shí)期內(nèi)將符合市場(chǎng)潮流的產(chǎn)品投入到市場(chǎng)中去，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的集成，完成轉(zhuǎn)型升級(jí)后的爆發(fā)增長(zhǎng)。

　　超級(jí)電容純電動(dòng)公交將在長(zhǎng)沙投運(yùn)。據(jù)該車(chē)的研發(fā)者介紹，城市公交使用超級(jí)電容純電動(dòng)客車(chē)，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。比如一臺(tái)12米長(zhǎng)的公交客車(chē)，按每天行駛240公里、一年運(yùn)行330天計(jì)算，可節(jié)油22萬(wàn)元，扣除電費(fèi)5萬(wàn)元，可節(jié)約燃料費(fèi)用17萬(wàn)元左右；同時(shí)減少尾氣排放19.2噸。如果在全國(guó)公交線(xiàn)路上推廣這種超級(jí)電容純電動(dòng)車(chē)，一年可節(jié)省1200億元燃油，可減少尾氣排放1000萬(wàn)噸。

　　超級(jí)電容器的招商招標(biāo)工作更是此起彼伏。朝陽(yáng)市遼遠(yuǎn)新能源科技有限公司的超級(jí)電容器電動(dòng)車(chē)生產(chǎn)項(xiàng)目招商，涉及征地51畝，投資1.2億元，總建設(shè)面積為31209平方米的標(biāo)準(zhǔn)化廠房、辦公樓、生產(chǎn)車(chē)間及研發(fā)中心；建設(shè)年產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)超級(jí)電容器電動(dòng)車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)3條。已完成前期立項(xiàng)、環(huán)評(píng)、規(guī)劃、土地等手續(xù)，雖然前期定位為電動(dòng)自行車(chē)，但長(zhǎng)遠(yuǎn)不排除向汽車(chē)擴(kuò)張。北汽福田汽車(chē)股份有限公司電電混合（超級(jí)電容-鋰電池）電動(dòng)公交研發(fā)設(shè)備招標(biāo)招標(biāo)文件發(fā)售于2013年12月23日結(jié)束。

　　在高歌猛進(jìn)中，也應(yīng)看到超級(jí)電容器的先天缺陷，基于目前的技術(shù)水平，超級(jí)電容器的能量密度低，行駛里程短?，F(xiàn)實(shí)案例中，所運(yùn)行的路線(xiàn)全部為短線(xiàn)，全程在10公里以?xún)?nèi)。即便是短途，這類(lèi)超級(jí)電容大巴

　　出發(fā)前先要把電充滿(mǎn)，運(yùn)行過(guò)程中每行駛?cè)膫€(gè)站就需要停下來(lái)快速充電，補(bǔ)充能量。為配合超級(jí)電容大巴的運(yùn)行，沿途需要安裝充電設(shè)施，司機(jī)停車(chē)充電時(shí)必須準(zhǔn)確把握大巴的?？康攸c(diǎn)，以便順利對(duì)接充電設(shè)施。

　　即使是2013年新推出的可運(yùn)營(yíng)超級(jí)電容大巴，一次充電行駛里程也僅10～15公里日本研發(fā)了一種鋰離子超級(jí)電容器，與傳統(tǒng)超級(jí)電容器相比，其能量密度已經(jīng)提高了4～5倍，不過(guò)也只達(dá)到30～40Wh/kg，遠(yuǎn)低于鋰電池的能量密度。超級(jí)電容器目前的狀況一時(shí)還無(wú)法替代鋰電池，更別說(shuō)獨(dú)自撐起電動(dòng)車(chē)的主能源的這片天了，發(fā)展還任重而道遠(yuǎn)。

　　3、結(jié)束語(yǔ)

　　鑒于超級(jí)電容器的重要性，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都給予了高度重視，并成為各國(guó)重點(diǎn)的戰(zhàn)略研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

　　雖然超級(jí)電容汽車(chē)受制于成本和能量密度低的原因，產(chǎn)業(yè)化仍處起步階段，但在特殊領(lǐng)域的突破甚至普及還是完全可期的。

　　超級(jí)電容公交憑借節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)將重新為市場(chǎng)所認(rèn)知，使用滲透率有望進(jìn)一步提高。超級(jí)電容的用途很廣泛，在客車(chē)上的使用僅僅只是一部分。比如超級(jí)電容適合機(jī)場(chǎng)的擺渡車(chē)和公交車(chē)使用，對(duì)于解決園區(qū)最后一公里也很適用，包括應(yīng)用于物流、城鄉(xiāng)接合部的交通等。隨著石墨烯等新材料新技術(shù)的應(yīng)用，不排除超級(jí)電容器技術(shù)迎來(lái)革命性的突破，從而帶動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的爆發(fā)式增長(zhǎng)。