超級電容器儲能技術及其在電動汽車上的應用分析

潘 璐

（上海交通大學，上海200051）

0 引言

從目前來看，制約電動汽車發展的主要因素是續駛里程短，因此通常采用再生資源制動技術進行儲能工具的開發，將動能轉變為電能，以有效延長電動汽車的行駛距離。在現代高科技的發展過程中，由于大量出現大型裝配系統，使得電源系統既要具備高能量，又要具有較高的比能量，超級電容器就是在這個背景之下產生的。

1 原理

超級電容器是一種具有法拉級超大電容量的新型儲能器件，其介于傳統的電容器和蓄電池之間，功率密度是普通電池的10倍以上，可以在短時間內實現大規模的充電和放電。超級電容器利用電極和電解質之間的雙層界面來進行能量的存儲，當電極和電解液接觸時，由于分子力和庫侖力的作用，固液界面出現電荷符號相反的雙層結構，這就是用來存儲能量的雙層電荷。

2 分類

按照材料和性質的不同，可以將超級電容器分為不同的種類。按照超級電容器的電極材料可將其分為以下3種：導電聚合物電容器、貴金屬氧化物電容器和碳電極電容器。按照超級電容器的工作機理，可將其分為法拉第準電容器和雙電層電容器。按照結構和電極工作反應，可將其分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器。對稱型超級電容器由2個相同的電極組成，并且電極的反應相同、方向相反；如果2個電極的組成不同或是反應不同，那么就稱為非對稱型電容器。按照超級電容器電解液的不同，又可以將其分為固體物電解質電容器、有機系超級電容器和水溶液系超級電容器，選用有機系超級電容器可以獲得高電壓，從而獲得較高的比能量，選擇水溶液系超級電容器可以獲得高電源能量和比能量。

在現有的超級電容器中，碳電極電容器研究時間較長，早在1962年標準石油公司就研究生產出了6 V工作電壓的碳材料電容器。近些年，該類電容器中的碳材料也開始進行多種類的研發，主要包括活性碳纖維、碳納米管等。貴金屬氧化物電容器主要采用貴金屬氧化物作為電極材料，比如RuO2等，由于其導電性比碳材料好，因而可以獲得更高的比能量，制造出來的電容器也具有更高的穩定性，但是貴金屬資源價格昂貴并且有限，這就在一定程度上限制了貴金屬氧化物電容器的發展和應用。導電聚合物電容器具有更高的性能，通過優化設計聚合物的結構，可以進一步提升電容器的性能。

3 特點

超級電容器容量高，通常情況下是同體積電解電容器的2 000倍以上，其功率密度高，可以進行瞬間的大電流放電，功率是普通電池的10倍以上；超級電容器充電時間短、速度快，普通的化學電池充滿要5 h左右，而超級電容器只需幾分鐘即可；超級電容器壽命長，在給超級電容器充電時一般不會對電極材料產生影響，材料的使用壽命也不會受到循環充電的影響；超級電容器適用溫度范圍很寬，一般在－34～70℃之間，對于極限溫度和惡劣溫度的抵抗能力遠遠大于傳統的蓄電池，因此超級電容器也常常應用在軍事、航空領域和溫度環境惡劣地區，以滿足特殊的儲能需要。超級電容器是一種綠色環保能源，所使用的材料都是環保和安全無毒的，不會對使用者和環境產生影響。

目前，超級電容器的能量密度還不算高，而新的電極活性材料又極難開發，因此，超級電容器需要大量串聯使用，這就帶來了充電電壓一致性的難題。因此，在進行超級電容器的組裝時，要將電壓性能最接近的一組組裝到一起，以解決超級電容器的均壓問題。貴金屬氧化物超級電容器的材料貴重且稀少，會導致成本增加，因而難以進行大規模的生產。

4 應用

超級電容器在電動汽車上的應用主要體現在3個方面：

4.1 汽車啟動時

現在的電動汽車大多采用電機啟動方式，在啟動的瞬間，電機的轉速為0，會產生強大的啟動電流，對電動汽車的蓄電池造成很大的損害。而超級電容器在電動汽車啟動時，可以向發動機提供強大的電流支持以帶動其運轉，不僅可以提升電機啟動速度，還能改善電動汽車的性能和蓄電池的應用狀態。

4.2 汽車制動時

電動汽車制動過程中的制動消耗占總驅動消耗的50%左右，若能有效地回收制動能源，會使電動汽車的行駛距離延長。超級電容器的脈沖放電性能和大容量的存儲性能都決定了其可以進行制動過程中的能量回收及再利用。

4.3 作為電動汽車的輔助電源

將超級電容器作為電動汽車的輔助電源，可以有效延長電池的使用壽命。在電動汽車中加入超級電容器，車內用于電制動和電轉向系統的布線得以減少，可使電動汽車的穩定性得到提高。另外，超級電容器的使用還能提升電動汽車轉向、座椅加熱等電系統的性能。

5 研究近況及發展趨勢

由于超級電容器具有使用壽命長、功率密度高、適用溫度范圍寬和充放電快等優點，世界多國政府和企業都已開始進行相關的研發工作，美國、瑞典、日本等國已經將超級電容器應用到了商業中。但是由于超級電容器也應用在了軍事領域，具有一定的敏感性，因此國外相關研究機構并不對外輸出其制造的關鍵技術。我國已經將超級電容器的研究納入電動汽車開發的重大課題中，并且通過反復試驗和創新，在超級電容器的制作材料、工藝等方面都獲得了一定的進展，同時也掌握了制造的核心技術，這就為我國自主研發超級電容器奠定了堅實的基礎。超級電容器在車輛領域的應用表現出了傳統動力電池難以達到的高效性能，從而引起了人們對這一新型儲能裝置的廣泛重視。對未來超級電容器的發展，我們可以這樣預測，將超級電容器和蓄電池相結合，不僅可以減少大電流對電池的損害，還能主動將制動能源進行回收再利用，提升能量的利用率。

6 結語

在開發儲能工具時，首先要了解電動汽車的主要性能，再結合其應用特點來進行。隨著電動汽車的不斷發展，新型儲能工具也會不斷涌現，但是任何儲能工具都要符合電動汽車的性能要求，節約資源，對有限的資源進行最大化的利用。要從制造成本、產品性能等多方面來考慮儲能工具的開發和利用，讓電動汽車得到更好的發展。目前，超級電容器以其優越的性能已經在電動汽車行業開始了較為廣泛的應用，研究部門應該著力于提升其能量密度和功率密度，同時提高其價格在市場上的競爭力，進而促進超級電容器在電動汽車領域中更好地發揮作用。

［1］陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理及應用［J］.電子元件與材料，2008（4）

［2］華黎.動力超級電容車從技術突破到推廣應用［A］.上海市汽車工程學會學術年會論文集［C］，2006

［3］張步涵，王云玲，曾杰.超級電容器儲能技術及其應用［J］.水電能源科學，2006（5）