超級電容器在電動車上的應(yīng)用

中心議題：

超級電容器基本原理

與傳統(tǒng)電容器、電池的區(qū)別

解決方案：

超級電容器在剎車時再生能量回收

在啟動和爬坡時快速提供大功率電流

現(xiàn)在，城市污染氣體的排放中，汽車已占了70％以上，世界各國都在尋找汽車代用燃料。由于石油短缺日益嚴(yán)重人們都漸漸認(rèn)識到開發(fā)新型汽車的重要性，即在使用石油和其它能源的同時盡量降低廢氣的排放。
超級電容器功率密度大，充放電時間短，大電流充放電特性好，壽命長，低溫特性優(yōu)于蓄電池，這些優(yōu)異的性能使它在電動車上有很好的應(yīng)用前景。

在城市市區(qū)運行的公交車，其運行線路在20公里以內(nèi)，以超級電容為唯一能源的電動汽車，一次充電續(xù)駛里程可達20公里以上，在城市公交車將會有廣闊的應(yīng)用前景。

電動汽車屬于新能源汽車，包括純電動汽車，BEV）、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車（FuelCellElectricVehicle，F(xiàn)CEV）三種類型。它集光、機、電、化各學(xué)科領(lǐng)域中的最新技術(shù)于一體，是汽車、電力拖動、功率電子、智能控制、化學(xué)電源、計算機、新能源和新材料等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。電動汽車與傳統(tǒng)汽車在外形上沒有什么區(qū)別，它們之間的主要區(qū)別在于動力驅(qū)動系統(tǒng)。

電動汽車采用蓄電池組作儲能動力源，給電機驅(qū)動系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動電動機，推動車輪前進。雖然電動汽車的爬坡度、時速不及傳統(tǒng)汽車，但在行駛過程中不排放污染，熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，是一種新型交通工具，被譽為“明日之星”，受到世界各國的青睞。

超級電容器簡介

超級電容器又稱為電化學(xué)電容器，是20世紀(jì)年代末出現(xiàn)的一種新產(chǎn)品，電容量高達法拉級。以使用的電極材料來看，目前主要有3種類型：高比表面積碳材料超級電容器、金屬氧化物超級電容器、導(dǎo)電聚合物超級電容器。

1基本原理

根據(jù)電化學(xué)電容器儲存電能的機理的不同，可以將它分為雙電層電容器，EDLC）和贗電容器（Pesudocapaeitor）。碳基材料超級電容器能量儲存的機理主要是靠碳表面附近形成的雙電層，因此通常稱為雙電層電容；而金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物主要靠氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的贗電容。

雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。雙電層電容的大小與電極電位和表面積的大小有關(guān)。雙電層電容器電極通常由具有高比表面積的多孑L碳材料組成。碳材料具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，其密度低，抗化學(xué)腐蝕性能好，熱膨脹系數(shù)小，可以通過不同方法制得粉末、顆粒、塊狀、纖維、布、氈等多種形態(tài)。

贗電容是在電極表面或者體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物資進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附／脫附或氧化／還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于贗電容不僅發(fā)生在表面，而且可以深入內(nèi)部，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。相同電極面積下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100倍。目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。

2與傳統(tǒng)電容器、電池的區(qū)別

電化學(xué)電容器和電池的運行機理從原理上就不同。對于雙電層型超級電容器，電荷存儲是非法拉第過程，即理想的沒有發(fā)生通過電極界面的電子遷移，電荷和能量的存儲是靜電性的。而對電池而言，實質(zhì)上發(fā)生了法拉第過程，即發(fā)生了穿過雙層的電子遷移，結(jié)果是發(fā)生了氧化態(tài)的變化和電活性材料化學(xué)性質(zhì)的變化。總的來說，電荷存儲過程有如下重要的區(qū)別：

對于非法拉第過程，電荷的聚集靠靜電方式完成，正電荷和負(fù)電荷居于兩個分開的界面上。
中間為真空或分子絕緣體，如雙層、電解電容中的云母膜、空氣層或氧化物膜。
對于法拉第過程，電荷的存儲靠電子遷移完成，電活性材料發(fā)生了化學(xué)變化或氧化態(tài)變化，這些變化遵守法拉第定律并與電極電勢有關(guān)在某種情況下就能產(chǎn)生準(zhǔn)電容。這種能量的存儲是間接的。

在比能量和比功率兩個性能參數(shù)上超級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。由于使用壽命長通常都超過了使用其設(shè)備的壽命，所以，超級電容器終身無需維護，加之使用完后，對環(huán)境要求寬松，無污染，因而又稱其為綠色能源。；超級電容器車用貯電裝置的優(yōu)點超級電容器是綠色能源不污染環(huán)境化學(xué)電池對環(huán)境有2次污染。

循環(huán)使用壽命長（約l0萬次）；化學(xué)電池的循環(huán)使用壽命短（20o～1000次），易損壞。

充電速度快（0.3s～15min）；化學(xué)電池的充電時間長，一般要3～l0h……‘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（1OOO～IO000W／Kg）；化學(xué)電池功率密度低（300W／Kg）。。

超級電容器徹底免維護，工作溫度范圍寬一40～+70～C），容量變化??；鉛酸電池電動車在一℃時，續(xù)駛里程減少90％，而超級電容器只減少10％。

超級電容器電動大客車剎車再生能量回收效率高，常規(guī)制動時回收高達70％，化學(xué)電池能量回收效率僅為5％。

相對成本低。超級電容器的價格比鉛酸電池高一倍，但由于超級電容器的壽命比化學(xué)電池高～100倍，所以超級電容器電動車的綜合運營成本大大低于化學(xué)電池。
超級電容器在電動車上的應(yīng)用
全球每年通過公交系統(tǒng)在固定線路上出動的運輸車輛約是5000億次，其中人們最普遍使用的運輸工具仍是公交車輛。2000年的銷售量為l8-3萬輛，今后5年里，每年銷售達到22。0萬輛。美國達4.0萬輛。估計到2010年公交車輛的擁有量將達65萬輛。這么多車輛若不進行改造，仍然采用柴油或汽油，那需要的油料量將成為沉重的負(fù)擔(dān)，造成的空氣污染也很明顯圈。

據(jù)估計燃料電池在最近十年內(nèi)還不可能達到規(guī)?；a(chǎn)嘲。撇開成本昂貴的燃料電池不說，我國已在使用或即將推廣的車用乙醇汽油、天然氣車的項目，也擺脫不了高成本的困擾：由于燃料乙醇的生產(chǎn)成本高于汽油，國家有關(guān)部門正在制定補貼方寨，以使車用乙醇汽油的價格與同號汽油持平；研究與探討然氣發(fā)動機的價格比同排量柴油機成倍增，在全國率先批量裝備天然氣發(fā)動機的北京市公交總公司有關(guān)人士承認(rèn)，目前天然氣車主要滿足長安街一線的運營需要191。

而超級電容器正好解決了這一難題，超級電容器的容量有足夠大，成本很低，對環(huán)境又無污染。

大功率的超級電容器對于電動汽車的啟動、加速和上坡行駛具有極其重要的意義：在汽車啟動和爬坡時快速提供大功率電流；在汽車正常行駛時由蓄電池快速充電；在汽車剎車時快速存儲發(fā)電機產(chǎn)生的大電流，這些可以減少電動汽車對蓄電池大電流充電的限制，大大延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的實用性。鑒于電化學(xué)超級電容器的重要性，各工業(yè)發(fā)達國家都給予了高度重視，并成為各國重點的戰(zhàn)略研究和開發(fā)項目。

在純電動車上的應(yīng)用及發(fā)展

超級電容對整車動力性能的影響主要在于對續(xù)駛里程的影響。超級電容的容量、能量密度、放電深度、功率密度等性能參數(shù)都會影響車輛行駛的能量消耗和續(xù)駛里程川。

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電容器做儲能器件的電動客車，這是一種只需充電I5分鐘便能連續(xù)行駛25公里，而最高時速可達52公里的電動客車。據(jù)悉，由該所承擔(dān)的省“十五”科技攻關(guān)重大項目——“以電容為能源的電動車”

等3個項目，已通過省科技廳鑒定。該項研究在以電容為能源的電動車?yán)m(xù)駛里程、最高車速等方面達到了國際先進水平。這種超級電容電動客車的研制為國內(nèi)首創(chuàng)，其性能指標(biāo)達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平。

該項目在整車控制技術(shù)、電驅(qū)動技術(shù)、電容管理均衡技術(shù)方面實現(xiàn)了突破和創(chuàng)新。據(jù)了解，目前在國際上，污染小、節(jié)省能源的電動汽車已引起相當(dāng)高的重視。在電動車的部件中，超級電容器憑借使用壽命長、安全性強等特點，已成為電動汽車開發(fā)的重要方向之一。這種以電容為能源的電動客車無污染、零排放、低溫特性好，適合于北方城市公交運行，具有良好的市場前景和社會效益I嘲。

將超級電容器應(yīng)用到電動公交車上已經(jīng)是一個很熱門的話題了。由于公交線路站點是固定不變的，超級電容器的充電時間很短