超級電容器在汽車混合動力系統中的應用

安 軍，石 維

（ 銅仁學院 物理與電子科學系，貴州 銅仁 554300 ）

汽車對石化能源存在嚴重依賴，其排放的 CO2是溫室效應形成的重要因素。這導致全球氣候變暖，生態環境惡化。因此，迫切需要發展新能源和新能源的儲存系統。能量的儲存是新能源發展的關鍵技術，超級電容的出現為儲能技術的發展提供了新的途徑和方法。混合動力汽車的混合動力系統通常采用傳統的內燃機和電動機作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統開動汽車。隨著對鋰離子電池研究的深入，使得電力在汽車的混合動力系統中的作用提高，最高混合度可達到 50%，從而大大降低了汽車對石化資源的依賴程度。但是鋰離子電池目前很難突破大功率承載能力，不能應對汽車啟動、加速和爬坡運行的大功率過程，而超級電容器的充放電時間快，功率密度高，循環壽命長，可靠性好，因此彌補了鋰離子電池的缺點，成為汽車混合動力系統中不可缺少的部件。目前，超級電容器是汽車混合動力系統的研究熱點，在動力系統中與蓄電池組成混合動力源，其主要作用是在蓄電池負載耗電量降低的時候進行能量回收，存儲一定的電量，在蓄電池負載耗電量多的時候補充電源動力，并可有效的對動力系統進行保護[1]。鑒于超級電容器的重要性，美國等發達國家將超級電容器提高到與電池具有同等戰略發展意義的高度。本文主要在超級電容器特征的基礎上對電源保護和能量回收等應用進行研究。

1.超級電容器的基本特征

在汽車混合動力系統中應用的超級電容器應具備大容量儲能性能和優良的脈沖放電性能。與傳統靜電電容器相比，它的優勢主要表現在儲存能量上，其單體容量已經達到萬法拉級。超級電容器根據其儲能機理分為三種：雙層電容器、法拉第贗電容器和混合電容器。通常表達超級電容器的幾個重要的參數有比能量、比功率和充放電次數，與普通電容器和充電電池對比如表1所示[2]。

表1 能量存儲裝置性能比較

如表 1所示，超級電容器使用壽命長，充放電過程中發生的電化學反應具有良好的可逆性，循環次數可達100000 次以上，比電池高10～100倍。此外，超級電容器的低溫性能優越。超級電容器充放電過程中發生的電荷轉移大部分都在電極活性物質表面進行，使得容量隨溫度衰減非常小。電池在低溫環境下其內部電解液導電性能降低導致容量衰減幅度可高達70%。超級電容器的功率密度可達到電池的100倍以上，目前研究的混合超級電容的比功率可達到50kW/kg左右，瞬間電流可達到幾百到幾千安培，使得超級電容器適合用于短時間高功率輸出的汽車混合動力中電力系統的補充。此外，超級電容器具有快速充電的特征。基于雙電層充放電的物理過程和電極物質表面的化學過程，這種方式可在承受大電流充電前提條件下，幾十秒到數分鐘內完成充電過程。而蓄電池則需要數小時完成充電，采用快速充電也需要幾十分鐘。基于以上優點，日本豐田公司最早設計了混合動力汽車（HEV），其基本結構如圖1所示。

2.超級電容器在混合動力系統中的應用

2.1.啟動電路

汽車啟動大部分依賴于電機啟動方式，電機啟動的電流很大導致蓄電池端電壓很低，使得汽車不能正常工作[3]。采用超級電容器與蓄電池并聯的方式，提高蓄電池在低電勢時候的啟動功率來啟動發動機是非常必要的。圖 2中通常選用的超級電容器的等效串聯電阻RES較低（<10m?），最佳狀態低于2m?，以滿足電容器高功率的輸出[4]。比如，在遇到突發事件緊急剎車制動和天氣的氣溫非常低的情況下這種裝置是必須的，其并聯設置如圖3所示。

圖1 HEV的基本結構

圖2 超級電容器的等效電路

圖3 超級電容與鉛酸電池的并聯

2.2.超級電容器的電路保護

超級電容器可以承受高倍率的充放電電流，不需像蓄電池那樣嚴格限制充電電流。雖然充電過程可以短時過壓，但在充電結束時超級電容器的電壓不能超過其額定電壓，以免導致超級電容器過充損害，這就對保護電路提出了要求。遼寧錦州百納電器有限公司應用新型的DS2770和DS2720的芯片設計了一個具有充電控制、電源控制、電量計數、電池保護、計時和對電池組能識別等功能的高性能超級電容充電器，整個充電器的原理圖如圖 4所示，整個組合電路由 DS2770充電控制器／電量計、DS2720電池保護器、DS2415實時時鐘（RTC）三個芯片組成。它們均共用一個地（VSS或Gnd）、電源（Vdd）和通信線（DQ或DATA）。而所有的電容（從C1到C10）和電阻（從R1到R12）的作用是對干擾信號濾波及對ESD（靜電放電）提供保護。

圖4 高性能超級電容充電器設計方案圖

該充電器的負載（即主設備）是通過PACK＋和PACK－引腳獲得電源的，而充電器與主系統的數據通信是通過標準的l－Wire接口（標為DATA）進行。DS2720芯片2腳PS和主系統的開/關控制相連接，作為充電器的使能輸入（低電平有效）。圖4中引腳Charge source可連接到充電電源，而充電電流能按照電池額定的充電條件加以限制,其充電電壓最高至15V。整個充電器在工作模式下消耗不足 100μA 的典型電流，而處于靜止狀態（即超級電容不處于充電狀態）時典型消耗電流不到20μA。

3.超級電容器的儲能電路原理

超級電容器在車輛制動過程中將制動能量進行存儲，在車輛再加速時，超級電容器釋放存儲的能量，從而節省系統運行的能量[5]。如圖5所示，趙坤等人[6]認為超級電容器并聯在 DC電源總線上，雙向DC/DC變換器由C、IGBT1和IGBT2構成并對電容進行充放電。該電路可以控制電壓上升時充電和電壓下降時放電的過程，該系統可以短周期完成大電流充電和放電，在起動時能迅速大電流放電，下降時能迅速大電流充電，將能量吸收，起到節能環保的作用[7]。

圖5 超級電容其儲能系統的拓補結構

4.超級電容器在汽車應用中的發展趨勢

超級電容器的正負極的關鍵材料的研究發展，特別是近期報道的石墨烯超級電容器引起了廣泛的關注。Liu等人[8]發現了彎曲石墨烯可以抑制石墨烯面對面堆疊，提高了表面利用，在離子液體（4V）中，當功率密度為 136W·kg-1，能量密度高達85Wh·kg-1，能量密度與鎳氫電池相當，但功率密度遠高于鎳氫電池。這將為超級電容器在混合動力系統中的應用提供新的前景。

5.結論

超級電容器與新能源的節能要求還有一定的差距。滿足當前的動力系統保護功能的作用仍然因為其耐壓低而受到限制，因此現階段電路的保護設計十分關鍵。此外單位體積內的儲能密度是目前超級電容器領域的一個研究重點和難點，石墨烯超級電容器有可能成為解決這些問題的一個關鍵技術。這為我們有效提高超級電容器的耐壓值和儲能密度提供了新的途徑。

[1] Mastragostino M, Soavi F.Strategies for high-performance supercapacitors for HEV[J].JOURNAL OF POWER SOURCES.2007, 174(1): 89-93.

[2] Kotz R, Carlen M.Principles and applications of electrochemical capacitors[J].ELECTROCHIMICA ACTA.2000, 45(15-16): 2483-2498.

[3] 曹俊華，尹忠東，甄曉亞.電動汽車中超級電容技術的應用[J].電氣時代，2011，（8）.

[4] 張玉龍，王銀山，賈同國.超級電容在混合動力汽車中的應用發展[J].長春工程學院學報(自然科學版)，2012，（1）.

[5] Lhomme W, Delarue P, Bouscayrol A, et al.Comparison of Control Strategies for Maximizing Energy in a Supercapacitor Storage Subsystem[J].EPE JOURNAL.2009, 19(3): 5-14.

[6] 趙坤，王椹榕，王德偉，等.車載超級電容儲能系統間接電流控制策略[J].電工技術學報，2011，（9）.

[7] 宋平崗，徐凱，尹亮.基于超級電容的新型蓄電池充放電電路的研究[J].蓄電池，2012，（3）.

[8] Liu C, Yu Z, Neff D, et al.Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density[J].Nano Letters.2010,10(12): 4863-4868.