混合動力汽車用超級電容及其關(guān)鍵技術(shù)的淺析

周浩

摘 要：本文簡要分析了混合動力汽車的優(yōu)勢和電動化特點，明確指出電能儲存方式對汽車電動化的重要性，將超級電容在汽車上的優(yōu)勢闡述出來，并且淺析了超級電容在混合動力汽車應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車；超級電容；關(guān)鍵技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.154

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，電子電力技術(shù)不斷上升，環(huán)境和能源也出現(xiàn)了危機(jī)和問題，電動化汽車能夠?qū)@些問題有效解決。1993年美國就提出了新型電動汽車研制計劃“伙伴”，日本和歐洲也相繼提出了“ACE”項目和“明日汽車”計劃，我國也在上世紀(jì)末召開了相關(guān)會議，實行“藍(lán)天”計劃，來促進(jìn)電動汽車研究。

1 混合動力汽車

根據(jù)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，可以將其分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種模式。串聯(lián)式動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三個部分組成，可以細(xì)分為串聯(lián)形式I、串聯(lián)形式II，串聯(lián)式動力系統(tǒng)能夠提高發(fā)動機(jī)效率，減少汽車尾氣排放，但同時也有能量轉(zhuǎn)換形式復(fù)雜，機(jī)械效率過慢等缺點。并聯(lián)式可以通過發(fā)動機(jī)和電動機(jī)分別進(jìn)行汽車驅(qū)動，也可以同時進(jìn)行，分路面進(jìn)行共同工作或單獨工作，比如爬坡時就可以讓發(fā)動機(jī)和電動機(jī)同時提供動力，很多情況下并聯(lián)式工作方式和驅(qū)動系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車較為相近，在當(dāng)前比較容易被接受并廣泛應(yīng)用?；炻?lián)式系統(tǒng)是前兩種方法的綜合，通過發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)提供動力，又可以根據(jù)助力裝置分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主的兩種形式，同時具有串聯(lián)和并聯(lián)的特點，除了結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜外沒有太大缺點。

混合動力車根據(jù)能量搭配比例可以分為以下幾種類型，分別為微混合、全混合、外電源插座充電混合。其中微混合的優(yōu)點是可以減少內(nèi)燃機(jī)排放量，并且讓能量可再生利用；全混合也可以稱為強(qiáng)混合，通過對內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)二者同時驅(qū)動來工作，但是所需的電池也非常大，并且電壓需求較高，例如日本生產(chǎn)的豐田PRIUS；而外電源插座充電混合動力汽車則是非常簡單的一種，體現(xiàn)在家用220V電源就可以隨時進(jìn)行充電，并且行駛距離也較長，并且當(dāng)電池耗盡之后可以依靠混合動力繼續(xù)行駛。由于以上所有類型都對電池有較高要求，導(dǎo)致混合動力汽車電池成本非常高，所以我們需要對超級電容如何解決電能儲存問題進(jìn)行分析[1]。

2 超級電容類型和特點

超級電容是一種通過介乎于傳統(tǒng)物理先容器和電池之間的一種最佳儲能方案而研制出的新型儲能原件，相比于傳統(tǒng)電池，超級電容器擁有更高的最大工作電流、更強(qiáng)的功率密度、更持久的循環(huán)使用壽命，并且毒性較低，不會對環(huán)境造成較大影響，而且充電速度也比較快，但是能量密度較小無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離行駛，在港口碼頭中經(jīng)常可以見到，超級電容器的容量比同等電解電容器最多可以高出六千倍；在功率密度上可以瞬間達(dá)到數(shù)百到數(shù)千毫安不等，是普通電池的一百倍；由于超級電容器不會在充放電過程中造成電極材料損壞，工作溫度適應(yīng)范圍也較強(qiáng)，可以比普通電池使用壽命高出數(shù)千次；超級電容器材料也較為環(huán)保安全；超級電容器長期放置后也不會有容量減小現(xiàn)象發(fā)生，雖然會出現(xiàn)短暫的電壓下降，但是只要重新充電就會回復(fù)。

超級電容器根據(jù)儲能機(jī)理可以區(qū)分為雙層電容器EDLC和法拉第準(zhǔn)電容器或贗電容器Pesudocapacitor[2]。而根據(jù)它們在結(jié)構(gòu)上和電極發(fā)生的不同反應(yīng)，可以區(qū)分為對稱型和不對稱性，電極反應(yīng)相同，反應(yīng)方向不同時稱為對稱型，相反則成為非對稱型電容器。在超級電容器的放電方式是在外加電壓被加載至雙層電容器上的時候，且正好處在2個極板的上面，則可判定正極帶有正電荷，而它的負(fù)極帶有負(fù)電荷。 同時，在兩極板間構(gòu)成電場，電解液恰好在此種作用情況下，和電極間所處界面將帶有不同性質(zhì)的電荷產(chǎn)生。進(jìn)而將點業(yè)界內(nèi)部的電場進(jìn)行有效平衡。

3 超級電容器的其它應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前的內(nèi)燃機(jī)型汽車都是使用蓄電池組來實現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的啟動，由于蓄電池充放電時間較長，各個季節(jié)的汽車啟動速度不同，受到溫度影響較大，冬天啟動最難，所以很多卡車司機(jī)都會選擇在冬天保持怠速狀態(tài)，保證卡車能夠隨時重新啟動，國外研究人員通過常年研究，使用較小的蓄電池與超級電容器進(jìn)行并聯(lián)，取代了原本蓄電池作為汽車主要啟動動力的現(xiàn)象，解決了怠速停車期間產(chǎn)生的能源浪費問題，有效提高了汽車啟動速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。

在其它領(lǐng)域超級電容器也得到了成功運用，例如高壓變電站和開關(guān)站通過超級電容器取代電解電容器，有效解決了由于儲能少而漏電導(dǎo)致分合閘裝置可靠性差等缺點，減少了安全隱患，降低了事故發(fā)生幾率，減少了日常維護(hù)成本。在軍工方面新一代的激光武器、粒子束武器、潛艇、導(dǎo)彈和航天飛行器等軍事裝備都必須應(yīng)用到超大容量的超級電容器，并且和常規(guī)高比能量電池相配備構(gòu)成“致密性超高功率脈沖電源”，通過對脈沖施放頻率、脈沖密度、最大值時的釋放功率調(diào)整，讓相關(guān)環(huán)節(jié)和設(shè)備能夠滿足在脈沖狀態(tài)保持平均功率水平的狀態(tài)，國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了超大型超級電容器存儲的能量達(dá)到了35KJ，計劃應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[4]。

當(dāng)前超級電容器主要圍繞碳材料開展研究，但是制造出的電容器能量非常低，需要對性能進(jìn)行進(jìn)一步提高，納米碳材料為超級電容器電容材料的研究和改進(jìn)提供了新的思路，是當(dāng)前的主流發(fā)展趨勢，為超級電容器性能提升帶來了巨大發(fā)展空間。

4 結(jié)束語

超級電容器和傳統(tǒng)的蓄電池以及傳統(tǒng)電容器相比，在各個方面都有著顯著提升，占據(jù)著巨大優(yōu)勢，但是仍然需要降低成本和增加能量密度。在電動汽車和混合動力汽車應(yīng)用中已經(jīng)具有先天優(yōu)勢，尤其在車輛需要爬坡和啟動時，可以提供大量能量輸出優(yōu)勢，并且快速運轉(zhuǎn)，其中帶來的便利不能用語言來形容。這些優(yōu)勢同樣可以在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)機(jī)車的蓄電池問題中得到體現(xiàn)。電力系統(tǒng)儲能和新型軍事武器中得到應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，超級電容器技術(shù)不斷突破，其應(yīng)用領(lǐng)域和性能必將不斷提升，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]陳坤華，孫玉坤，王富良等.混合動力汽車超級電容能量控制研究[J].電源技術(shù)，2015（04）：798-800.

[2]杜爽，左春檉.超級電容混合動力汽車能量存儲技術(shù)發(fā)展研究[J].電源技術(shù)，2014，38（03）：589-590，595.

[3]趙旭哲.混合動力汽車用超級電容及其關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].汽車實用技術(shù)，2014（10）：82-87.

[4]董學(xué)進(jìn)，何亮.混合動力汽車超級電容監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（14）：50-52.