混合動力汽車用超級電容及其關鍵技術的探討

趙旭哲

（伊利諾理工大學，芝加哥 伊利諾伊州 美國 60616）

混合動力汽車用超級電容及其關鍵技術的探討

趙旭哲

（伊利諾理工大學，芝加哥 伊利諾伊州 美國 60616）

簡介了現代汽車的動力驅動的情況，明確指出當前汽車電動化是其主要的發展方向。簡要分析了混合動力汽車的優勢與在電動化方面的特點，明確了電能儲存方式對汽車電動化的重要性，指出超級電容用于汽車上的優勢，并簡介了超級電容的類型、工作原理、充放電方式。論述了超級電容用于混合動力汽車上的關鍵技術問題，并對超級電容的其它應用領域進行了簡介。

混合動力汽車；電動化；超級電容；充放電；

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-82-06

引言

隨著電力電子技術的飛速發展，汽車的電動化被認為是解決現今環境污染和能源危機的最有效的方法[1]。目前占絕對優勢的汽車均采用燃油發動機，因此汽車就成為消耗礦物能源和環境污染的最主要者，目前城市污染50%以上都是來源于汽車[2]，我國近年來的霧霾嚴重很多也是汽車污染造成的。據報道，北京市機動車尾氣排放對大氣污染物中CO、HC、NOX的分擔率依次為63.4%、73.5%、和46%。相比于北京市，上海市汽車所產生的三種主要排放物CO、HC、NOX的分擔率分別為86%、96%和56%。而且全國各大城市例如廣州、天津、重慶的許多中大型規格的城市機動車尾氣也相當嚴重[1]。2013年3月，中國工信部等部委共同發布了《乘用車企業平均燃料消耗兩核算辦法》，此舉旨在促進先進節能技術的應用和推廣，加快汽車產業結構調整和轉型升級，確保中國在2015年乘用車平均燃料消耗量降至6.9升/百公里的目標實現。為了能夠緩解機動車尾氣對大氣污染的進一步惡化，新動力汽車代替傳統燃油發動機汽車是大勢所趨。現如今，許多國家都開始了新一代汽車的研制。1993年美國開始執行“新一代汽車伙伴計劃-PNGV ( Partnership for a New Generation of Vehicles)”,隨后日本也啟動了政府“先進清潔汽車項目- ACE ( Advanced Clean Energy Vehicle Project)”,而歐洲則提出了“明日汽車- The Car of Tomorrow”計劃。而早在1999年4月，中國政府在北京召開了“全國清潔汽車行動大會”，決定在北京、上海等12個大城市進行“清潔汽車試驗示范”活動以實施城市“藍天”計

劃[2]。因此，目前，有很多可替代燃油發動機汽車的方案，例如燃料電池汽車、氫能源汽車以及混合動力汽車等。

據報道，2013年我國新能源汽車產量1.75萬輛，同比增長39.7%，其中純電動汽車1.42萬輛；新能源汽車銷售1.76萬輛，同比增長37.9%，其中純電動汽車銷售1.46萬輛。我國新能源汽車產銷不斷創新高的同時，面臨政策、商業模式、基礎設施、產業化推進等瓶頸問題亟待解決[2]。2013年11月，太原市被列為新能源汽車示范城市，提出2014年50輛電動公交車和200量電動出租車推廣應用計劃。未來5年，太原市將建設28座電動汽車充電站，充電站科技含量和服務能力將達到國際化、智能化水平。2014年5月15日，國家稅務總局貨物和勞務稅司副司長林楓在稅務總局網站就節能環保稅收優惠政策進行了在線解答，針對城市中經常用到的電動汽車，林楓說，這有利于節能減排，現行消費稅政策規定，電動汽車不納入消費稅征收范圍，不征收消費稅。依據目前我國現狀，混合動力電動汽車是最具有實用性，并且已有商業化生產模式的新型汽車[3]。

依據混合動力汽車（hybrid power vehicle）總成的驅動系統能量流和功率流的配置結構關系，可分為串聯式（Series Hybrid System）(兩種)、并聯式（Parallel Hybrid System）和混聯式(Series·Parallel Hybrid System)等三種，如圖1所示[3]。

串聯式動力由發動機發電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間以串聯的方式組成動力系統，發動機驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車（如串聯型式Ⅰ、串聯型式Ⅱ）。小負荷時由電池驅動電動機驅動車輪，大負荷時由發動機帶動發電機發電驅動電動機。當車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發動機-電動機組和電池組共同向電動機提供電能（串聯型式Ⅱ）；當電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅動電動機，當電池組虧電時則由發動機發-電機組向電池組充電，組成如圖1（a）、（b）所示[3]。

如圖1（a）、（b）所示的串聯式結構適用于城市內頻繁起步和低速行駛工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量經過多次轉換，機械效率較低[3]。

如圖1（c）的并聯式的發動機和電動機可以共同或分別驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時，電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發動機維持該速度。電動機既可以作電動機又可以作發電機使用，又稱為電動-發電機組。由于沒有單獨的發電機，發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應用。組成如圖1（c）所示[3]。

混聯式系統包含了串聯式和并聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機，根據助力裝置不同，它又分為發動機為主和電機為主兩種。以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源；以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源。該結構的優點是控制方便，缺點是結構比較復雜。如圖1（d）所示[3]。

按照兩種不同的能量的搭配比例不同，混合動力車輛則有四種類型：

微混合（micro hybrids）,有時也叫“起-停混合”，其特點是采用低電壓和低功率的電動機，電動機不驅動車輪，只是用于大功率的起動機。在內燃機起動時，將內燃機的曲軸旋轉到較高的轉速，使得內燃機的起動更加輕松可靠；汽車在減速、制動時還可以使內燃機熄火，電動機則通過再生制動發電給蓄電池充電回收部分能量，這樣都可以達到節省燃油的效果。輕度混合（mild hybrids）動力電動汽車的特點是采用高電壓和低功率的電動機，在汽車加速時，電動機作為輔助動力使用。這樣內燃機的排量就可以減小[3]。

全混合（full hybrids）也稱強混合（strong hybrid）,特點是可以只使用內燃機或電動機驅動車輛,也可二者同時驅動。當然，這需要裝備較大體積、較高電壓的電池。日本的豐田PRIUS即屬此類[3]。

外電源插座充電混合動力汽車 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下簡稱為PHEV)，PHEV是指可以使用家用電源插座（例如220V電源)對混合動力車電池充電的混合動力汽車，同時這種混合動力汽車可單獨依靠電池就能行駛較長距離，但需要時仍然可以像通常的全混合動力汽車一樣工作。例如有一輛可以單獨靠電池行駛50km的PHEV，可利用電池行駛40km到旅程終點后，插入電源對電池充電；如果旅程超過50km，則開始的50km可以用電池來行駛，超過50km后則可以以通常的混合動力方式行駛，到了旅程終點則再插入電源對電池充電[3]。

從上面的混合動力汽車（hybrid power vehicle）工作原理簡介可看出，混合動力汽車的電機與電池、以及控制是其關鍵技術。目前由于電池尺寸、重量以及其他因素使得混合動力汽車（hybrid power vehicle）的成本很高，但是隨著電池和混合動力技術的進步，混合動力汽車（hybrid power vehicle）可能會成為未來的一種汽車[3]。為此下面僅對混合動力汽車（hybrid power vehicle）上使用超級電容（super capacitor）解決電能儲存的問題進行分析。

1、超級電容器類型及其特點

超級電容器（super capacitor）作為一種新型的儲能元件是介于傳統物理電容器和電池之間的一種最佳儲能方案。與電池相比，超級電容器的優勢體現在各個方面。從表1可以看出，超級電容器在最大工作電流、功率密度、循環壽命及環保方面相比電池而言，均具有很大的優勢。尤其是在快速充電性能方面優勢極為突出。但由于其能量密度較小，所以不適合進行長途行駛。但在重型純電動牽引車，以及運輸線路固定、路況良好、啟動頻繁的港口碼頭應用較為廣泛。超級電容器具有以下優點[4]；

（1）超級電容器與普通的電容器相比具有超高的容量。超級電容器的容量范圍是0.1～6000F，它比同體積的電解電容器容量大2000～6000倍[5]。

（2）超級電容器的功率密度是電池的10～100倍，它可在瞬時提供大電流，短時間內可以達到幾百到幾千毫安。

（3）由于超級電容器的充放電過程不會對電極材料造成影響，循環次數不會影響電極材料的使用壽命。因此超級電容器的充放電效率很高，達到了105以上。同樣，它的壽命也非常高。超級電容器的工作溫度為- 40～70℃，在25℃環境溫度下的壽命為90000小時，在60℃的環境溫度下為4000小時[6]。而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次[9]。

（4）與電池相比，超級電容器的材料是無毒、安全的。因此，超級電容器對環境不會造成任何污染。而像鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池等用材均為有毒材料。

（5）超級電容器在放置長時間后，電壓會下降。但再次充電后會回到原來的電位，并且對超級電容器的容量性能沒有影響。

（6） 超級電容器使用的材料安全、無毒、環保。

根據電極材料的不同，超級電容器可分為：碳電極電容器、貴金屬氧化物電極電容器和導電聚合物電容器。而雙層電容器和法拉第準電容器是典型的兩種超級電容器。

超級電容器根據儲能的機理不同，可分為雙層電容器（Electric double layer capacitor, EDLC）和法拉第準電容器或贗電容器（Pesudocapacitor）。

根據超級電容器的結構及電極上發生反應的不同，也可分為對稱型和非對稱型。當兩個電極的組成相同且電極反應相同，反應方向相反，這種類型可稱為對稱型。碳電極雙層電容器和貴金屬氧化物電容器均為對稱型電容器。相反，當兩電極組成不同或反應不同，則被稱為非對稱型電容器。

表1 幾種常用動力電池的性能對比[4]

1.1 雙層電容器

雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當外加電壓加到超級電容的兩個極板上時，與普通的電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷、負極板存儲負電荷，進一步在超級電容的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液的內電場中，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態（通常為3V以下），而當兩極板間電勢超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解為非正常狀態。

由于隨著超級電容的放電，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應減少。因此，超級電容的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此，其性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池是不同。超級電容器為正常工作狀態的當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，使固液界面出現穩定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層[7]。超級電容器的結構如圖2所示。

在圖2中，超級電容器的結構如圖2所示，其電極多為活性炭多孔化電極，有活性炭（粉末和纖維）、炭氣凝膠和碳納米管。雙層電容器的容量大小與電極材料的空隙有很大關系。當電極材料的孔徑大小在2～50nm之間，孔隙率越高，其電極材料表面積就越大，電極上積累電荷就越多，雙層電容器的容量就越大。在超級電容器結構圖中，使用電解電容器紙的隔膜起到了引出電極、多孔化活性炭和隔膜外的所有空間均填充電解液的作用。這樣可以大大提高實際面積與空間面積的比例，并且具有流動性的電解液可以與多孔化的活性炭電極緊密接觸使得實際電機具有更大的有效極板面積。平板電容器的容量為

式中C為平板電容器的電容量，其中S、d、ε0、ε分別為電容器的極板面積、極板間距離、極板間介質的相對真空的介電系數和電介質的介電常數。由公式(1)可以得出，當電極表面積越大，極板之間距離越小，電容器的容量就會迅速擴大。

1.2 法拉第準電容器

法拉第準電容器是在電極表面或體相的二維或準二維空間上，活性物質發生了欠電位沉積，進而發生高度的化學吸脫附或氧化還原反應，并產生了與電極充電電位有關的電容。由于在體相中進行氧化還原反應，其最大電容值相當大。通常，碳材料的比容為20 x 10-6F/cm2,而吸附型準電容為2000 x 10-6F/cm2。因此，法拉第準電容器的容量為通常雙層電容器10～100倍。法拉第準電容器的電極材料為金屬氧化物，因此法拉第準電容器又可以被稱為貴金屬氧化物超級電容器。它所采用的電極材料通常是過渡金屬氧化物，如MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、H3PMo12O40、WO3、PbO2和Co3O4等。[5]其中，RuO2作為法拉第準電容器的電極材料，它具有更高的導電性。RuO2在H2SO4電解液中的比容可以達到700～760F/g。但RuO2材料的稀有性和高價格限制了它的廣泛應用。

1.3 導電聚合物電極電容器

導電聚合物電容器是一種新型的電化學電容器，它具有高性能和比貴金屬超級電容器更優越的電性能。因為聚合物產品具有良好的電子電導率，可通過選擇相應聚合物的結構進一步優化集合物的性能，從而提高電容器的容量。導電聚合物是通過法拉第過程大量儲存能量，它是借助于電化學氧化和還原反應在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負電荷中心，正、負電荷中心的充電程度取決于電極電勢。導電聚合物電極電容器可分為三種類型，第一種為對稱結構電容器。這種類型電容器中的兩電極為相同可p型摻雜的導電聚合物。第二種為不對稱結構電容器。此類型電容器是兩電極為不同的可進行p型摻雜的聚合物材料。第三種電容器是導電聚合物可以進行p型和n型摻雜，充電時電容器的一個電極是n型摻雜狀態，而另一個電極是p型摻雜狀態，放電后為去摻雜狀態。而當兩電極的分別為n型摻雜和p型摻雜時，電容器具有類似蓄電池放電時的特性，即充分利用溶液中的陰陽離子來進行放電的過程。[8]聚乙炔、聚毗咯、聚苯胺、聚噻吩等聚合物為現今有限可以在較高的還原電位下穩定地進行電化學n型摻雜的導電聚合物。

2、超級電容器的充放電方式

當外加電壓加到雙層電容器的兩個極板上時，極板的正極上為正電荷，極板的負極上為負電荷。電解液在兩極板產生的電場作用下，在與電解液和電極間的界面上形成了相反的電荷。以此來平衡電解液的內電場。當電容器兩極板間的電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，這是電容器的放電過程。而當電容器兩端的電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將進行分解，此過程就為電容器的充電過程。圖3所示雙層電容器的充放電過程示意圖。

對于法拉第準電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質中由于氧化還原反應而將電荷儲存于電極中。當在和多孔過渡金屬氧化物發生氧化還原反應時，有如下現象出現在充放電過程中：

（1）兩極電位與電極上施加或釋放的電荷幾乎呈線性關

系；

（2）系統的電壓隨時間呈線性變化，則可以表示為：

其產生的電流為恒定或者幾乎恒定的電容性充電電流為：

此充放電過程是動力學高度可逆，反應隨著電荷的轉移，進而實現能量的儲存。以RuO2反應為例，從圖4可以看出法拉第準電容器充放電的大致過程。以RuO2作為電極，H2SO4作為溶液的電容主要取決于法拉第準電容器。當在電極上發生法拉第反應，其反應方程式為：

此反應是通過在RuO2的微孔中發生可逆的電化學離子注入，它不僅發生在電極表面，而且可深入電極內部，從而獲得比雙層電容器更高的電容量和能量密度。

3、混合動力汽車中的超級電容器及其選用

超級電容器的高功率輸出、快速充電、寬溫度范圍以及使用壽命長等方面明顯優越于傳統動力電池。對于汽車在啟動、加速、爬坡時的大功率輸出要求均能較好的滿足。在汽車中當超級電容與動力電池配合使用時，可以減少大電流充放電時對電池的傷害，延長使用壽命。擁有超級電容器的混合動力汽車可以明顯減少汽車的總排放量，節約能量，其燃料可以減少25%的用量[12]。圖5為帶有超級電容的混合動力汽車的基本結構組成示意圖[11,12]。

以城市混合動力公共汽車為例，可以看出超級電容器在汽車使用實際情況[10]。該城市混合動力公共汽車是由一個85KW的異步電機作為驅動電機，通過一個125KW柴油機恒速驅動同步發電機饋電和帶有超級電容的能量存儲單元與經過相控穩壓器電路鏈相耦合的供電系統向自換向雙向變化器供電。當車速低于20km/h，超級電容器開始放電；當柴油機的輸出功率小于50KW時，超級電容器也開始放電。超級電容器可以進行在汽車制動時進行能量的回收，其儲能單元與柴油機都在高效運行狀態。超級電容器通過自身的這些優點使燃料消耗降低了26%，城市的總的能量需求減少了18%，并且減少了城市范圍內的大氣污染。超級電容器不但可以應用在公共汽車上，在需要進行各種加速和制動循環地鐵與轎車上也可以廣泛的使用[6]。

對于超級電容器的具體工作流程，可以通過一實例來進行說明。當一臺質量為2噸的汽車在看見紅綠燈時開始制動，其初始制動速度為50Km/h，經過制動后直到速度為0。它所產生的動能可以被存儲在超級電容器中。超級電容器的初始充電電壓為UE=46V，充電完成時電壓為UA=25V。通過下面的公式（2）和公式（3）可以得出在此充電過程中所需要的電容量。

汽車制動產生的能量

其中，質量m=2t=2000kg, 速度v=50km/h=13.89m/s。經過上式計算得到能量為193kJ。

再由下式能量與電容的關系可以得出儲存制動能量所需的電容：

最終可以得出存儲制動能量所需要的電容為260F。

在此制動過程中，假設制動時間為10s。利用公式（5）可以得出完成此制動過程的制動電流。

根據上式可得到對應的制動電流為546A。

在選用電容器時可以通過以上計算結果來選取合適的容量與數量的電容器進行組合。經過以上公式計算，此輛汽車需要260F的電容量和46V的涌浪電壓。其電容可以用18個5000F/2.7V的超級電容器進行串聯可以滿足。

4、超級電容器的其它應用領域

目前的內燃機型的汽車基本上是用蓄電池組來啟動柴油發電機組的，蓄電池的充放電時間較長，在冬天啟動汽車比

較困難。冬天，很多司機都會將卡車處于怠速狀態，以保證卡車在停了幾個小時后能重新啟動。德國的研究人員對超級電容器應用在汽車發動機的快速啟動上做了研究[10]，以解決怠速停車產生的能源浪費問題。他們使用一個小的蓄電池并聯一個超級電容器代替原蓄電池為車輛啟動提供動力。超級電容器+蓄電池組構成的啟動能源系統的質量僅為傳統車用蓄電池的1／3，但卻使啟動機的啟動扭矩提高50%，而且啟動轉速也有所增加[10]。

另外，在其他領域超級電容器也獲得成功的應用，超級電容器替代電解電容器，應用在高壓變電站及開關站的電容儲能式硅整流分合閘裝置中，作為儲能裝置，可以解決電解電容器由于儲能低及漏電流大造成的分合閘裝置町靠性差等缺點，防止產生嚴重事故[11]。超級電容器代替電解電容器能保持原裝置簡單的結構，還能降低成本，減少維護量[11]。

超級電容器也可以用于分布式電網的儲能。該系統利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時，再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速地補償系統所需的能量，從而實現電能的平衡、穩定控制[11。

新一代的激光武器、粒子束武器、潛艇、導彈以及航天飛行器等高功率軍事裝備在發射階段除了具有常規高比能量電池外，還必須與超大容量電容器組合才能構成“致密型超高功率脈沖電源”，通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調整，使脈沖電起飛加速器、電弧噴氣式推進器等裝置能實現在脈沖狀態下達到任何平均功率水平的狀態。Evans公司開發了一種大型的超級電容器，計劃應用于海軍。Evans公司的這種電容器的工作電壓為120V，存儲的能量超過35 kJ，功率高于20kW[5]。

超級電容器由于具備高比功率、長循環壽命等優勢，使其作為許多電力行業的首要選擇。目前已應用于計算機備用電源、信號燈電源及與燃料電池、鎳氫電池等動力電池復合作為電動汽車的動力電源。尤其是混合動力汽車和純電力驅動汽車，超級電容器重要的研究方向之一是將其與高比能量的蓄電池連用，在車輛加速、剎車或爬坡的時候提供車輛所需的高功率，在車輛正常行駛時則由蓄電池充電或由車輛剎車時所產生的電能充電，減少汽車對蓄電池大電流放電的要求，達到減少蓄電池的體積和延長蓄電池壽命的目的。

目前，超級電容器的研究主要圍繞碳材料展開，但是制備的電容器比能量很低，而且性能有待進一步提高。納米碳材料的出現和發展為超級電容器電極材料研究提供了新的發展方向，將給超級電容器性能提高提供廣闊的發展思路和空間[8]。

5、結論

在與蓄電池和傳統電容器相比，超級電容器在功率密度、壽命、快速充電性能以及工作溫度方面具有明顯的優勢，但在成本和能量密度方面仍需要大幅度的提高。超級電容器在電動汽車和混合動力汽車中的應用具有巨大的優勢。尤其當車輛啟動和爬坡需要大功率能量輸出時，超級電容器的快速響應相對比傳統蓄電池電動汽車的優勢不言而喻。超級電容器的優勢同樣可以應用在傳統內燃機汽車蓄電池問題、電力系統的儲能以及軍事新興武器研究等各個領域。隨著對超級電容器研究的深入，其實用性和性能將不斷提高，超級電容的前景將無限寬廣。

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Discussion of Super capacitor and Its Key Technology in Hybrid Power Vehicle

Zhao Xuzhe
(Illinois Institute of Technology, Chicago, IL, USA 60616)

In this thesis, methods in power drive of modern vehicle are simply introduced. It is explicitly point out that modern vehicle electromotion is development direction. Advantage of hybrid electric vehicle and its properties are briefly related. It is explicitly point out that electric energy storage method in hybrid power vehicle is important. Advantage of super capacitor in hybrid electric vehicle is related. super capacitor kinds, operating principle, charge-discharge way are simply introduced. Key technology of super capacitor in hybrid power vehicle is discussed. Other application fields of super capacitor are simply introduced.

hybrid power vehicle; electromotion；super capacitor；charge-discharge way

U469.7

A

1671-7988(2014)10-82-06

趙旭哲，就讀于美國伊利諾理工大學。