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(dá)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(jī)、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(jī)、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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動電動機(jī)，推動車輪前進(jìn)。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(dá)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(hù)，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～I(xiàn)O000W／Kg）；化學(xué)電池功率密度低（300W／Kg）。。

超級電容器徹底免維護(hù)，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(dá)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(dá)到22。0萬輛。美國達(dá)4.0萬輛。估計到2010年公交車輛的擁有量將達(dá)65萬輛。這么多車輛若不進(jìn)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(dá)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(jī)的價格比同排量柴油機(jī)成倍增，在全國率先批量裝備天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)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(dá)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(dá)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(dá)到了國際先進(jìn)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(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)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