淺析超級(jí)電容器在新能源汽車中的應(yīng)用

張 鵬（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，陜西西安，710300）

淺析超級(jí)電容器在新能源汽車中的應(yīng)用

張 鵬
（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，陜西西安，710300）

本文針對(duì)能源危機(jī)問(wèn)題，從節(jié)能環(huán)保的角度闡述了超級(jí)電容器發(fā)展歷史、基本原理、性能特點(diǎn)，重點(diǎn)論述了其在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用情況，為儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，起到了參考和借鑒作用。

超級(jí)電容器；儲(chǔ)能；電動(dòng)汽車

0 引言

隨著能源危機(jī)的日益顯現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越重視能源的開(kāi)發(fā)和利用，而作為能源存儲(chǔ)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直為人們所關(guān)注。時(shí)代的高速發(fā)展推動(dòng)了存儲(chǔ)介質(zhì)的研究步伐，傳統(tǒng)基于化學(xué)反應(yīng)的電池，如鋰離子、鉛酸、鎳氫、鎳氫、磷酸鐵鋰等，已經(jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用。這些電池容量大、沒(méi)有記憶效應(yīng)等，但其充、放電電流小，壽命短，充電電路復(fù)雜。對(duì)于很多對(duì)可靠性、工作壽命以及比功率要求較高的場(chǎng)合，這類電池就略顯不足，因此，研究高性能儲(chǔ)能器件勢(shì)在必行。而超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能裝置迅速得到發(fā)展和應(yīng)用，尤其在新能源汽車領(lǐng)域，更是發(fā)揮了其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。

1 超級(jí)電容器的簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器，又叫電化學(xué)電容器，內(nèi)部采用雙電層結(jié)構(gòu)，通過(guò)電極和電解液之間的界面或電極表面或內(nèi)部的可逆的氧化還原反應(yīng)存儲(chǔ)電荷，因此，其性能優(yōu)劣主要與電極材料和電解質(zhì)有關(guān)。

結(jié)構(gòu)如圖1所示，超級(jí)電容器內(nèi)部采用雙電層結(jié)構(gòu)和活性炭多孔化電極，由于電容量取決于電極間距離和電極的表面積，因此，在實(shí)際工藝中，主要通過(guò)減小電極間距，而增大電極表面積的方法，提高超級(jí)電容器的容量，容量可達(dá)幾百法拉到幾千法拉。

圖1 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)

1.2 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器的比能量和比功率都非常高，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電解電容器。而與化學(xué)電池相比，其比能量較小，但其比功率大，可進(jìn)行大電流的充放電，最新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)200ms充滿電，效率極高。其電極等制造材料對(duì)環(huán)境無(wú)污染，循環(huán)充電次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次，工作溫度范圍寬、穩(wěn)定可靠。由于其特殊的性能特點(diǎn)，一直備受業(yè)界關(guān)注，尤其在新能源汽車領(lǐng)域更是發(fā)揮了其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。

2 超級(jí)電容器在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

超級(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能器件，其技術(shù)已趨于成熟，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、軍事裝備、能源、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，由于受到能源危機(jī)影響，迫于環(huán)境保護(hù)的壓力，世界范圍的新能源開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)開(kāi)始。以純電動(dòng)和混合動(dòng)力為代表的新能源汽車越來(lái)越受到人們的青睞和認(rèn)可，市場(chǎng)十分活躍。而作為電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能器件——電池，很大程度上決定了其整體的性能和競(jìng)爭(zhēng)力，從性能特點(diǎn)看，無(wú)論是獨(dú)立使用，還是混合儲(chǔ)能，超級(jí)電容器作為電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能器件，都顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.1 作為輔助儲(chǔ)能電池

近年來(lái)，由于汽車技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的要求，新能源汽車得到迅速發(fā)展，目前已有多種車型投入市場(chǎng)應(yīng)用。就主流的電動(dòng)汽車而言，其儲(chǔ)能電池主要有鉛酸蓄電池、磷酸鐵錳鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池和三元聚合物鋰電池等。例如，比亞迪E6電動(dòng)汽車采用的是磷酸鐵鋰電池，其容量為60kWh，續(xù)航能力為300km。普通電池雖然能量密度高，續(xù)航里程長(zhǎng)，但其功率密度較低，不能進(jìn)行大電流充放電，壽命低，實(shí)際應(yīng)用只有3～5年。另外，電動(dòng)汽車實(shí)際應(yīng)用的充電問(wèn)題一直得不到解決，受到充電樁數(shù)量和布點(diǎn)的限制，即使有條件充電，其充電的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般需1～3個(gè)小時(shí)，而且電池需要專門的定期維護(hù)，3～5年的時(shí)間還需更換新電池，費(fèi)用較高，這些條件嚴(yán)重制約了電動(dòng)汽車的實(shí)際推廣和應(yīng)用。

與之相比，超級(jí)電容器雖然能量密度接近普通電池，但其功率密度大，允許大電流充放電，大大提高了充電速度，能在短時(shí)間內(nèi)充滿電，一般只需幾十秒～幾分鐘。瞬間輸出功率大，可提供相當(dāng)大的放電電流，為瞬間大負(fù)荷的工作提供充足的能源保障。因此，將超級(jí)電容器是一種理想的電動(dòng)汽車儲(chǔ)能設(shè)備，如再將普通的儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器組合成混合儲(chǔ)能單元，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，必將大大提升電動(dòng)汽車的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

早在2010年上海世博會(huì)期間，用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件的純電動(dòng)公交汽車就已應(yīng)用于世博會(huì)的公共交通運(yùn)輸，這款公交車只需2～3公里在公交車站（即充電站）進(jìn)行一次補(bǔ)充充電，充電時(shí)間僅需幾分鐘，即可完成1～2個(gè)站點(diǎn)的運(yùn)輸任務(wù)，成為會(huì)議的一大亮點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外汽車制造商也在不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，如豐田、比亞迪等企業(yè)，部分車型已投入市場(chǎng)使用。

2.2 再生制動(dòng)的吸收與轉(zhuǎn)化

超級(jí)電容器還可以作為功率變換器的緩沖裝置，汽車在下坡和剎車時(shí)，特別是在緊急剎車時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的慣性能，這是汽車加、減速時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能的一部分。通常，產(chǎn)生的能量太大，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率不能太大，無(wú)法在瞬間將其完全利用。因此，在能量再生制動(dòng)模式，汽車額外的動(dòng)能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，把能量從車輪回饋至能量回收裝置，并存儲(chǔ)于超級(jí)電容器中，將車輛的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在整個(gè)汽車運(yùn)行過(guò)程中，幾乎不需要對(duì)超級(jí)電容器再進(jìn)行額外的充電。據(jù)測(cè)算：再生制動(dòng)可以提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程約15%左右，使混合電動(dòng)汽車能節(jié)油40%左右，減少污染近80%，實(shí)現(xiàn)能源的有效吸收和利用。該項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于電梯、高鐵等領(lǐng)域的能力緩沖與回收。

2.3 特殊場(chǎng)合的峰值功率補(bǔ)償

電動(dòng)汽車在正常工況條件下，如勻速行駛時(shí)，所需能耗最小，使用普通的電池供電，發(fā)揮其比能量大的特點(diǎn)。而在啟動(dòng)、上坡或加速時(shí)，需要較大的動(dòng)力時(shí)，電池需給負(fù)載電機(jī)提供很大的電流，而普通的蓄電池由于其比功率小，瞬時(shí)不能提供大電流，否則將嚴(yán)重影響其使用壽命，這時(shí)，需超級(jí)電容器介入工作，發(fā)揮其比功率大的優(yōu)勢(shì)，可以為這些特殊工況提供較大的峰值功率，補(bǔ)償動(dòng)力不足的問(wèn)題，尤其在冬季冷啟動(dòng)時(shí)，效果十分顯著，這種混合儲(chǔ)能方式在改善加速性能、提高啟動(dòng)響應(yīng)能力和爬坡能力的前提下，能有效延長(zhǎng)普通電池的使用壽命，同樣，也可將超級(jí)電容器應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車（HEV）中，實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

超級(jí)電容器從誕生到被廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，以其性能優(yōu)良、綠色環(huán)保、綜合成本低等優(yōu)勢(shì)，受到業(yè)界的認(rèn)可，但也應(yīng)該看到，其在比容量、循環(huán)特性以及價(jià)格方面還存在一定的差距，相信隨著材料和制造工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，超級(jí)電容器必將會(huì)取代傳統(tǒng)電池，從而推動(dòng)電動(dòng)汽車工業(yè)、乃至各行業(yè)的發(fā)展，為解決能源危機(jī)問(wèn)題作出重要的貢獻(xiàn)。我國(guó)的超級(jí)電容器技術(shù)的研究和應(yīng)用才剛剛起步，還具有廣闊的發(fā)展空間。

［1］劉興江等.電化學(xué)混合電容器的研究進(jìn)展［J］.電源技術(shù)，2005（12）.

［2］王曉峰等.“超電容”電化學(xué)電容器研究進(jìn)展［J］.電源技術(shù)，2001（25）：166- 170.

［5］陳永真.超級(jí)電容器原理及應(yīng)用［C］.第十五屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集.

張鵬，男，（1977-），漢族，黑龍江省哈爾濱市人，碩士，講師，主要研究方向：電子信息技術(shù)及自動(dòng)控制。

The application of super capacitor in the new energy vehicle

Zhang Peng
（Shaanxi Institute of Technology，Shaanxi Xi'an，710300）

This paper aiming at the problem of energy crisis，from the angle of environmental protection and energy saving describes the super capacitor is a development history，basic principle，performance and characteristics，focuses on the its application in the field of new energy vehicles，energy storage technology development and application，has played a reference role.

Super capacitor；Energy storage；Electric vehicle