電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的超級電容

1、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的超級電容作者：淸華大學(xué)土燕超超級電容是一種電化學(xué)裝置,是介于電辿和普通電容之間的過渡部件。具充放電過程高度可逆，可進(jìn)行高效率(0.850.98)的快速(秒級)充放電。其優(yōu)點(diǎn)還包括比 功率高、循壞壽命長、免維護(hù)等。以前由于超級電容的比能量過低，放電時(shí)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(diǎn)。超級電容不僅適合用作汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)起動(dòng)、動(dòng)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(dòng)汽 車的輔助能源，從而提高電池壽命，彌補(bǔ)燃料電池比功率不足，最大限度的回收制動(dòng)能量 等?？倆,其在汽車領(lǐng)域冇十分廣闊的應(yīng)用前景。超級

2、電容的原理與分類準(zhǔn)確的說，超級電容應(yīng)該叫做電化學(xué)電容器(electrochemical capacitor) <>它能提供比電 解電容器更高的比能址，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)屮的兩個(gè)非活性多孔板，電壓加載到兩個(gè)板上。加在正極 板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子。從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。按化電隔烹層圖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

3、電容的人小與電極電位和比衣面積的 人小有關(guān)，因而常常使用高比表而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(xué)處理后，表面積可以達(dá)到1000m2/g,從而使單位 重量的電容量可達(dá)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(diǎn)。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、lro2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(gè)電極上發(fā)牛轉(zhuǎn)移的同時(shí)產(chǎn)牛吸附電 容。它與雙電層電容的機(jī)理不同，稱為法拉笫贋電容(faradaic pseudocapacit

4、ance)o與 雙電層電容器的靜電容雖:相比，相同表面積下超電容器的容量耍大10100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(jià)格高，主耍用于軍事領(lǐng)域。3、使用有機(jī)聚合物電極的電容。目麗技術(shù)還不是很成熟，價(jià)格較貴，還處于實(shí)驗(yàn)窣研究階 段。表1不同種類的超級電容特性電極材料金屬氧化碳碳物電解質(zhì)水成水成有機(jī)最大電壓(v)113比功率(kw/kg)0.50.8-2.61.5-5比能量(wwkg)10.21.33%汽年用超級電容的研究進(jìn)展目前，美國、歐洲和i木都在積極開展電動(dòng)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(shí)驗(yàn)室(lawrence l

5、ivermore, 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(biāo) 是在維持功率密度為1 kw/kg的同時(shí)，把超級電容的能量密度捉高到5wh/kg0這一口標(biāo)已 經(jīng)基本達(dá)到，但是尚未按進(jìn)度完成pngv確定的目標(biāo)。有關(guān)資料表明，如果超級電容的比 能量達(dá)到20wh/kg,那么用于混合車將是比較理想的。表2 pngv超級電容技術(shù)現(xiàn)狀和目標(biāo)項(xiàng)目現(xiàn)狀2004 年2006 年功率能量比(wwh)>100>100>100比令纏(wh/kg)45918循環(huán)壽命(次)>100,000400,000400,000成本($w

6、h)>10,0005003201996年歐共體制定了電動(dòng)汽車超級電容器發(fā)展計(jì)劃。由saft公司領(lǐng)導(dǎo)，成員包括 alcatel-asthom. fiat等。目標(biāo)是:比能量達(dá)到6wh/kg,比功率達(dá)到1500w/kg,循環(huán)壽 命超過10萬次，滿足電化學(xué)電池和燃料電池電動(dòng)汽年耍求。口木也成立了“新電容器研究會”和new sunshine開發(fā)機(jī)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、h本、德國和美國。俄羅斯專注于 電容車技術(shù)和電動(dòng)車制動(dòng)能雖回收的研究，取得了就著的發(fā)展。其啟動(dòng)型超級電容器比功 率已達(dá)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，曾冇使川950kg

7、 超級電容驅(qū)動(dòng)載客50人的迫動(dòng)巴士，盡管其續(xù)駛里程只有810km,但其充電吋間也只 有15分鐘。maxwell公司預(yù)測其產(chǎn)品powercachetm的價(jià)格在2003年達(dá)到$30/cell,到2003年，汽 車市場対超級電容單體的需求將達(dá)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(jìn)行低成木超級電容的開發(fā)。表3世界上超級電容的主要研究和生產(chǎn)單位公司研煩maxwell(whflkg)35功翹度(wig)400h500研商業(yè)化3v,1000-2700f日本panasonic3v,80&-2000f3420&-400商業(yè)

8、化saft/alratel3v,130f3500封裝樣品澳丈利亞cap xx3v,3v,120f250f61.13001114封裝樣品俄斯esma1.7 v,50,000f81080-100(效率95%)商業(yè)化瑞典super ferad40v,250f5200-300封裝樣品我國從九十年代開始研制超級雙電層電容器，與國外先進(jìn)水平還有-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 能雖:為5wh/kg、比功率為2500w/kg的高功率型超級電容器樣品，循環(huán)便用次數(shù)nj達(dá) 50,000次以上。性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，成木較國際

9、平均價(jià)格有人幅度下降。初 步具備應(yīng)用水平。超級電容在汽車上的應(yīng)用1、電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力汽年頻繁的起步、爬坡和制動(dòng)造成其功率需求曲線的變化很大，在城市工況下更是如此。 -輛高性能的電動(dòng)汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)16： 1。但是這些峰值功率的特點(diǎn) 是持續(xù)時(shí)間一般都比較短，需求的能用并不高。對于純電動(dòng)、燃料電池和串聯(lián)混合動(dòng)力汽車而言，這就意味著：要么汽車動(dòng)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(dāng)瞬時(shí)功率需求較大時(shí)，由超級電容提供尖峰功率， 并口在制動(dòng)回饋時(shí)吸收尖峰功率，那么就可以減輕對輔助電池、燃料

10、電池或其它apu的壓 力。從而可以人大增加起步、加速時(shí)系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收人功率的制動(dòng) 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(dòng)過程，由于超級電容在車輛起步時(shí)提供瞬時(shí)的人功率, 從而使汽乍起步過程人人加快。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(jì)（選擇）蓄電池等動(dòng)力部件時(shí)，著重于其比能最和成 本等問題，而不用再過多考慮其比功率問題。通過揚(yáng)長避短，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源匹配的最優(yōu) 化。2、典型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)超級電容作為唯一動(dòng)力源的電動(dòng)汽車騾動(dòng)結(jié)構(gòu)較簡單，而且口前技術(shù)還不成熟。所以一般 都是把超級電容作為

11、輔助動(dòng)力源，與電池、燃料電池或其它apu系統(tǒng)組成多能源的動(dòng)力總 成來驅(qū)動(dòng)車輛。常見的結(jié)構(gòu)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(nèi)燃機(jī)、g代表發(fā)電機(jī)）， 這些結(jié)構(gòu)都屬于串聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。如圖3所示為超級電容應(yīng)用于電動(dòng)車的典型結(jié)構(gòu)。圖3超級電容用丁電動(dòng)乍的典型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)ucms （超級電容管理系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對超級電容的封裝，主要作用是管理每個(gè)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)泄可靠的工作，提髙超級電容組整體的效率和壽命。超級電容經(jīng)過一個(gè)雙向的

12、高頻dc/dc麻在肓流電壓總線與電池組進(jìn)行耦合。為了串聯(lián)較 少的超級電容單體，dc/dc 般為電流型升壓變換器，通過控制dc/dc的輸出電流來達(dá) 到控制英輸出功率的目的。由于超級電容器存儲的能量和電壓的平方成止比，所以超級電容器由荷電狀態(tài)所決定的端 電壓將在一個(gè)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，必須耍使用dc-dc變換器。3、控制方式對于b+c形式的電動(dòng)汽車而言，主要是控制超級電容的電流，以實(shí)現(xiàn)作為主動(dòng)力源的電 池與超級電容的功率分配。應(yīng)該考慮以下兒個(gè)方面：蓄電池功率輸出

13、應(yīng)該盡可能保持恒定 或平滑；超級電容主要起功率調(diào)峰作川，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(dòng)能量；必須保證蓄電池與超級電容都在各h的安全電壓范圍內(nèi)工作；系統(tǒng)的 整體效率應(yīng)該盡町能最大。除了以超級電容電流為控制h標(biāo)外，也可以把電容電壓作為控 制目標(biāo)。4、示范樣車在徳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 輛采用柴油一電驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng) 的車輛和比，燃料消耗減少1015%,而且舒適性提高，噪音和污染減少。該研究項(xiàng)目將 來會把超級電容用于燃料電池車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。圖4 “cng + c ”

14、15噸串聯(lián)式混合動(dòng)力大客車瑞士中心應(yīng)用科學(xué)大學(xué)(hta-luzerne)自1992年以來開發(fā)岀一種適合車輛使用的能量 存儲系統(tǒng)一sam (super accumulator module),它是以超級電容和電池為基礎(chǔ)組成的。并在1997年開發(fā)的“藍(lán)色天使”輕型混合動(dòng)力車中僅使用超級電容組就拖動(dòng)了瑞士聯(lián)邦鐵 路公司的80t重的火車頭。此項(xiàng)目還實(shí)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(dòng)力大客車如圖4所示，續(xù)駛 里程比常規(guī)cng大客乍提高了 24倍。超級電容總重200kg, cng發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)效率點(diǎn) 帶動(dòng)一個(gè)75

15、kw的發(fā)電機(jī)工作。另外，木出公司的燃料電池轎車fcx-v3也采用了“fc+c”的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。意大利的roma tre人學(xué)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(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(jì)使用的42v電系統(tǒng)(轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、空調(diào)、高保真音響、電動(dòng)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)常變化的了系統(tǒng)性能大大提高。期外，還可以減少車 內(nèi)用于電制動(dòng)、電轉(zhuǎn)向等了系