淺析超級電容器在新能源汽車中的應(yīng)用

張 鵬（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，陜西西安，710300）

淺析超級電容器在新能源汽車中的應(yīng)用

張 鵬
（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，陜西西安，710300）

本文針對能源危機問題，從節(jié)能環(huán)保的角度闡述了超級電容器發(fā)展歷史、基本原理、性能特點，重點論述了其在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用情況，為儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，起到了參考和借鑒作用。

超級電容器；儲能；電動汽車

0 引言

隨著能源危機的日益顯現(xiàn)，人們越來越重視能源的開發(fā)和利用，而作為能源存儲這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直為人們所關(guān)注。時代的高速發(fā)展推動了存儲介質(zhì)的研究步伐，傳統(tǒng)基于化學(xué)反應(yīng)的電池，如鋰離子、鉛酸、鎳氫、鎳氫、磷酸鐵鋰等，已經(jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用。這些電池容量大、沒有記憶效應(yīng)等，但其充、放電電流小，壽命短，充電電路復(fù)雜。對于很多對可靠性、工作壽命以及比功率要求較高的場合，這類電池就略顯不足，因此，研究高性能儲能器件勢在必行。而超級電容器作為一種新型儲能裝置迅速得到發(fā)展和應(yīng)用，尤其在新能源汽車領(lǐng)域，更是發(fā)揮了其獨有的優(yōu)勢。

1 超級電容器的簡介

1.1 結(jié)構(gòu)

超級電容器，又叫電化學(xué)電容器，內(nèi)部采用雙電層結(jié)構(gòu)，通過電極和電解液之間的界面或電極表面或內(nèi)部的可逆的氧化還原反應(yīng)存儲電荷，因此，其性能優(yōu)劣主要與電極材料和電解質(zhì)有關(guān)。

結(jié)構(gòu)如圖1所示，超級電容器內(nèi)部采用雙電層結(jié)構(gòu)和活性炭多孔化電極，由于電容量取決于電極間距離和電極的表面積，因此，在實際工藝中，主要通過減小電極間距，而增大電極表面積的方法，提高超級電容器的容量，容量可達幾百法拉到幾千法拉。

圖1 超級電容器結(jié)構(gòu)

1.2 特點

與傳統(tǒng)電容器相比，超級電容器的比能量和比功率都非常高，甚至遠遠超出電解電容器。而與化學(xué)電池相比，其比能量較小，但其比功率大，可進行大電流的充放電，最新技術(shù)可實現(xiàn)200ms充滿電，效率極高。其電極等制造材料對環(huán)境無污染，循環(huán)充電次數(shù)達10萬次，工作溫度范圍寬、穩(wěn)定可靠。由于其特殊的性能特點，一直備受業(yè)界關(guān)注，尤其在新能源汽車領(lǐng)域更是發(fā)揮了其獨特的性能優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。

2 超級電容器在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

超級電容器作為新型儲能器件，其技術(shù)已趨于成熟，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、軍事裝備、能源、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，由于受到能源危機影響，迫于環(huán)境保護的壓力，世界范圍的新能源開發(fā)和利用已經(jīng)開始。以純電動和混合動力為代表的新能源汽車越來越受到人們的青睞和認可，市場十分活躍。而作為電動汽車的儲能器件——電池，很大程度上決定了其整體的性能和競爭力，從性能特點看，無論是獨立使用，還是混合儲能，超級電容器作為電動汽車的儲能器件，都顯示了其獨特的優(yōu)勢。

2.1 作為輔助儲能電池

近年來，由于汽車技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的要求，新能源汽車得到迅速發(fā)展，目前已有多種車型投入市場應(yīng)用。就主流的電動汽車而言，其儲能電池主要有鉛酸蓄電池、磷酸鐵錳鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池和三元聚合物鋰電池等。例如，比亞迪E6電動汽車采用的是磷酸鐵鋰電池，其容量為60kWh，續(xù)航能力為300km。普通電池雖然能量密度高，續(xù)航里程長，但其功率密度較低，不能進行大電流充放電，壽命低，實際應(yīng)用只有3～5年。另外，電動汽車實際應(yīng)用的充電問題一直得不到解決，受到充電樁數(shù)量和布點的限制，即使有條件充電，其充電的時間相對較長，一般需1～3個小時，而且電池需要專門的定期維護，3～5年的時間還需更換新電池，費用較高，這些條件嚴重制約了電動汽車的實際推廣和應(yīng)用。

與之相比，超級電容器雖然能量密度接近普通電池，但其功率密度大，允許大電流充放電，大大提高了充電速度，能在短時間內(nèi)充滿電，一般只需幾十秒～幾分鐘。瞬間輸出功率大，可提供相當(dāng)大的放電電流，為瞬間大負荷的工作提供充足的能源保障。因此，將超級電容器是一種理想的電動汽車儲能設(shè)備，如再將普通的儲能電池和超級電容器組合成混合儲能單元，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，必將大大提升電動汽車的應(yīng)用優(yōu)勢。

早在2010年上海世博會期間，用超級電容器作為儲能器件的純電動公交汽車就已應(yīng)用于世博會的公共交通運輸，這款公交車只需2～3公里在公交車站（即充電站）進行一次補充充電，充電時間僅需幾分鐘，即可完成1～2個站點的運輸任務(wù)，成為會議的一大亮點。國內(nèi)外汽車制造商也在不斷開發(fā)和應(yīng)用該項技術(shù)，如豐田、比亞迪等企業(yè)，部分車型已投入市場使用。

2.2 再生制動的吸收與轉(zhuǎn)化

超級電容器還可以作為功率變換器的緩沖裝置，汽車在下坡和剎車時，特別是在緊急剎車時，會產(chǎn)生很大的慣性能，這是汽車加、減速時產(chǎn)生的動能的一部分。通常，產(chǎn)生的能量太大，由于驅(qū)動電機功率不能太大，無法在瞬間將其完全利用。因此，在能量再生制動模式，汽車額外的動能通過驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸，把能量從車輪回饋至能量回收裝置，并存儲于超級電容器中，將車輛的機械能轉(zhuǎn)化為電能，在整個汽車運行過程中，幾乎不需要對超級電容器再進行額外的充電。據(jù)測算：再生制動可以提高電動汽車的續(xù)駛里程約15%左右，使混合電動汽車能節(jié)油40%左右，減少污染近80%，實現(xiàn)能源的有效吸收和利用。該項技術(shù)也可以應(yīng)用于電梯、高鐵等領(lǐng)域的能力緩沖與回收。

2.3 特殊場合的峰值功率補償

電動汽車在正常工況條件下，如勻速行駛時，所需能耗最小，使用普通的電池供電，發(fā)揮其比能量大的特點。而在啟動、上坡或加速時，需要較大的動力時，電池需給負載電機提供很大的電流，而普通的蓄電池由于其比功率小，瞬時不能提供大電流，否則將嚴重影響其使用壽命，這時，需超級電容器介入工作，發(fā)揮其比功率大的優(yōu)勢，可以為這些特殊工況提供較大的峰值功率，補償動力不足的問題，尤其在冬季冷啟動時，效果十分顯著，這種混合儲能方式在改善加速性能、提高啟動響應(yīng)能力和爬坡能力的前提下，能有效延長普通電池的使用壽命，同樣，也可將超級電容器應(yīng)用于混合動力汽車（HEV）中，實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，對于節(jié)能減排具有重要意義。

3 結(jié)束語

超級電容器從誕生到被廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，以其性能優(yōu)良、綠色環(huán)保、綜合成本低等優(yōu)勢，受到業(yè)界的認可，但也應(yīng)該看到，其在比容量、循環(huán)特性以及價格方面還存在一定的差距，相信隨著材料和制造工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，超級電容器必將會取代傳統(tǒng)電池，從而推動電動汽車工業(yè)、乃至各行業(yè)的發(fā)展，為解決能源危機問題作出重要的貢獻。我國的超級電容器技術(shù)的研究和應(yīng)用才剛剛起步，還具有廣闊的發(fā)展空間。

［1］劉興江等.電化學(xué)混合電容器的研究進展［J］.電源技術(shù)，2005（12）.

［2］王曉峰等.“超電容”電化學(xué)電容器研究進展［J］.電源技術(shù)，2001（25）：166- 170.

［5］陳永真.超級電容器原理及應(yīng)用［C］.第十五屆全國電源技術(shù)年會論文集.

張鵬，男，（1977-），漢族，黑龍江省哈爾濱市人，碩士，講師，主要研究方向：電子信息技術(shù)及自動控制。

The application of super capacitor in the new energy vehicle

Zhang Peng
（Shaanxi Institute of Technology，Shaanxi Xi'an，710300）

This paper aiming at the problem of energy crisis，from the angle of environmental protection and energy saving describes the super capacitor is a development history，basic principle，performance and characteristics，focuses on the its application in the field of new energy vehicles，energy storage technology development and application，has played a reference role.

Super capacitor；Energy storage；Electric vehicle