電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的超級電容原理與應(yīng)用

1、電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的超級電容原理及應(yīng)用相關(guān)專題：汽車電子時間：2010-04-29 18:38 來源： 電子工程世界超級電容是一種電化學(xué)裝置，是介于電池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、循環(huán)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)動機(jī)起動、動力轉(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

2、大限度的回收制動能量等?？傊?，其在汽車領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用 前景。超級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量，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)中的兩個非活性多孔板， 電壓加載到兩 個板上。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雙電層電容器。圖1雙電層超級

3、電容器DLC本質(zhì)上是一種靜電型能量儲存方式。所以雙電層電容的大小與電極電位和比表面積的大小有關(guān)，因而常常使用高比表面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、卜O2作 為電極的電容器。通過發(fā)生可逆的氧化/還原反應(yīng)，使電荷在兩個電極上發(fā)生轉(zhuǎn) 移的同時產(chǎn)生吸附電容。它與雙電層電容的機(jī)理不同，稱為

4、法拉第鷹電容 (Faradaic pseudocapacitance) 。與雙電層電容器的靜電容量相比，相同表面 積下超電容器的容量要大 10100倍，因此可以制成體積非常小、容量大的電 容器。但由于貴金屬的價格高，主要用于軍事領(lǐng)域。3、使用有機(jī)聚合物電極的電容。目前技術(shù)還不是很成熟，價格較貴，還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段表1不同科類的超級電容特性電極材料電解質(zhì)曩大電壓（V）比功率（kW/kg）比能量（VWkg）金屬氧化物碳族水成水成有機(jī)1130.50.8163510.2-1 .E|1 f !汽車用超級電容的研究進(jìn)展目前，美國、歐洲和日本都在積極開展電動汽車用超級電容的研究開發(fā)工作。美國能源部和USA

5、BC從1992年開始，組織國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore , 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1kW/kg的同時，把超級電容的能量密度提高到5Wh/kg 。這一目標(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。泰2 PNGV超級電容技術(shù)現(xiàn)狀和目標(biāo)項(xiàng)目計劃2004加比年功率能量匕（W陽h）100100100比1遑(WMzg)4-591S儲:年壽命（次）100,000400,000成本1

6、0,0005咽蛆泗蛆*1 , f 1996年歐共體制定了電動汽車超級電容器發(fā)展計劃。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汽車要求 日本也成立了 “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、日本、德國和美國。俄羅 斯專注于電容車技術(shù)和電動車制動能量回收的研究，取得了顯著的發(fā)展。其啟動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，曾有使用

7、950kg超級電容驅(qū)動載客50人的電動巴士，盡管 其續(xù)駛里程只有810km，但其充電時間也只有15分鐘。Maxwell公司預(yù)測其產(chǎn)品 PowerCacheTM 的價格在2003年達(dá)到$30/cell , 到2003年，汽車市場對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。現(xiàn)在，美國的 Full Power Technologies 公司正在進(jìn)行低成本 超級電容的開發(fā)。next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)水平還有一定的差距。 據(jù)有關(guān)資料表明，國有些單位已經(jīng)研制出比能量為10Wh/kg 、比功率為600W/kg 的高能量型及比能量為5Wh/kg、比功率為2

8、500W/kg 的高功率型 超級電容器樣品，循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50,000次以上。性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先 進(jìn)水平，成本較國際平均價格有大幅度下降。初步具備應(yīng)用水平。超級電容在汽車上的應(yīng)用1、電動汽車的輔助動力 汽車頻繁的起步、爬坡和制動造成其功率需求曲線的變化很大，在城市工況下更是如此。一輛高性能的電動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)時間一般都比較短，需求的能量并不高。對于純電動、燃料電池和串聯(lián)混合動力汽車而言， 這就意味著：要么汽車動力性不足，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

9、大的超級電容，當(dāng)瞬時功率需求較大時，由超級電容提供尖峰功率，并且在制動回饋時吸收尖峰功率，那么就可以減輕對輔助電池、燃料電池或其它APU的壓力。從而可以大大增加起步、加速時系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動能量。 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過程，由于超級電容在車輛起步時提供瞬時的大功率，從而使汽車起步過程大大加快。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（選擇）蓄電池等動力部件時，著重于其比 能量和成本等問題，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) 動力源匹配的最

10、優(yōu)化。2、典型驅(qū)動結(jié)構(gòu)超級電容作為唯一動力源的電動汽車驅(qū)動結(jié)構(gòu)較簡單，而且目前技術(shù)還不成熟。所以一般都是把超級電容作為輔助動力源，與電池、燃料電池或其它APU系統(tǒng)組成多能源的動力總成來驅(qū)動車輛。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)動結(jié)構(gòu)。如圖3所示為超級電容應(yīng)用于電動車的典型結(jié)構(gòu)。邪勸募統(tǒng)fIT I叁出林匚 1fBcoms圖3超級電容用于電動車的典型驅(qū)動結(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

11、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)定可靠的工作，提高超級電容組整體的效率和壽命。超級電容經(jīng)過一個雙向的高頻 DC/DC 后在直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 一般為電流型升壓變換器，通過控制 DC/DC的輸出電流來達(dá)到控制其輸出功率的目的。由于超級電容器存儲的能量和電壓的平方成正比，所以超級電容器由荷電狀態(tài)所決定的端電壓將在一個很寬的圍變化。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，必須要使用

12、 DC-DC變換器。3、控制方式對于B + C形式的電動汽車而言，主要是控制超級電容的電流，以實(shí)現(xiàn)作為主動 力源的電池與超級電容的功率分配。 應(yīng)該考慮以下幾個方面：蓄電池功率輸出應(yīng) 該盡可能保持恒定或平滑；超級電容主要起功率調(diào)峰作用，提供道路需求功率減 去蓄電池功率外剩余的功率，并且回收制動能量；必須保證蓄電池與超級電容都 在各自的安全電壓圍工作；系統(tǒng)的整體效率應(yīng)該盡可能最大。除了以超級電容電 流為控制目標(biāo)外，也可以把電容電壓作為控制目標(biāo)。4、示樣車next 在德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-電驅(qū)動和雙層電容器作為大功率儲能裝

13、置的城市公交車。與常規(guī)柴油機(jī)驅(qū)動的車輛相比，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)動系統(tǒng)中。圖4 “ CNG C ” 15噸串聯(lián)式混合動力大客車瑞士中心應(yīng)用科學(xué)大學(xué)(HTALuzerne )自1992年以來開發(fā)出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。并且在1997年開發(fā)的“藍(lán)色天使”輕型混合動力車中 僅使用超級電容組就拖動了瑞士聯(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

14、Diesel公司開發(fā)了一輛15t的“ CNJ C”串聯(lián)式混合動力大客車如圖4所示，續(xù)駛里程比常規(guī) CNG大客車提高了 2.4倍。超級電容總重200kg ,CNG發(fā)動機(jī)在最優(yōu)效率點(diǎn)帶動一個 75kW的發(fā)電機(jī)工作。另外，本田公司的燃料電池轎車 FCX-V3也采用了 “ FC+ C”的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。意大利的Roma Tre大學(xué)在政府的資助下正在開展“BG-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)動解決方案一一Allison Electric DrivesTM 的一 部分。5、汽車部件的輔助能源除了用于動力驅(qū)動系統(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)計使用的42V電系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向、制動、空調(diào)、高保真音響、電動座椅 等），如果使用長壽命的超級電容，可以使得需求功率經(jīng)常變化的子系統(tǒng)性能大 大提高。另外，還可以減少車用于電制動、電轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的布線。而且，如果 使用超級電容來