超级电容在电动车上的应用现状

超级电容在电动车上的应用现状
0 引言
由于环境污染和石油危机的双重压力，电动车已经逐渐成为人们生活中一种重要的绿色交通工具。

电源是电动车的能量源泉，但目前电池技术还不能完全满足电动车的要求。

超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多的能量密度和比电池高得多的功率密度，不仅适合于作短时间的功率输出源，还可利用它比功率高、比能量大、一次储能多等优点，在电动车启动、加速和爬坡时有效地改善运动特性。

超级电容和其他能量元件（发动机、蓄电池、燃料电池等）组成联合体共同工作，是实现能量回收利用、降低污染的有效途径，可以大大提高电动车一次充电的续驶里程。

因此，超级电容在电动车领域有着广阔的应用前景，将是未来电动车发展的重要方向之一。

电动轿车要求速度高、行程远，目前，动力锂电池的优势明显，超级电容电池的比能量只有它的10%，显然动力锂电池是电动轿车的最优选择。

城市公共交通的特点：公共交通线路站点固定，长度一般在10公里，最长线路一般不超过30公里。

车辆运行速度一般在50公里/小时左右。

车辆启动、停止、刹车、变速频繁，车辆在终点停留时间长，通常停留时间约在15～30分钟。

公共汽车的行驶与轿车不同，行驶速度较慢，一般小于80km/h，在城市工况下，公交车频繁起步、加速、制动和停车，要额外消耗许多燃油。

公共轿车制动消耗能量（油耗）所占比例，其算数平均值达47.1%，如何利用这部分能量，超级电容电池有明显的优势[1]。

1 国外应用现状
超级电容在电动汽车中的一个显著应用是将其用作再生制动回馈能量储存单元，与动力电池组成联合体共同工作。

该组合可以将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优点结合在一起，提高再生制动效率，也避免再生制动对蓄电池可能造成的损害，被认为是解决未来电动汽车电源问题的最佳途径。

[2]
日本是将超级电容运用于混合动力上较早的国家，本田FCX燃料电池-超级电容器混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车，在日本和美国加州上市时间早在2002年。

第5代FCX采用超级电容器加燃料电池的电能供应方式，这使FCX能快速达到较大的输出功
率，改善燃料电池车启动变换器，降低了系统质量。

超级电容器电量不足时则由燃料电池带动电机利用输出的多余电功率来补充。

燃料电池组带动的超级电容器只提供车辆加速和爬坡时所需的峰值功率，同时制动能量回收。

在以内燃机作主能源的混合动力电动车方面，日产汽车公司推出了安装有柴油机、电动机和电容器的并联混合动力卡车，由额定功率为152kW 的CID1发动机和55KW的永磁电机驱动，安装有日产公司开发的新型电容器-超级电力电容器（ECaSS），具有6.3kW的比功率，功率能量比高达80。

该卡车使用384个单元组成三串，每串由28个1500F 2.7V单元并联，共583W h。

该车制动能量的功效高于其他电池供电的混合动力车。

美国加州早在20世纪90年代颁布零排放汽车近期规划，普遍认为超级电容汽车满足这一标准。

2003年，美国宾西法尼亚州立大学研制了采用蓄电池和超级电容混合储能的实验样车，蓄电池直接接在直流母线上，超级电容挂在拖车上，通过电流双象限DC/DC变换器接至母线，用于吞吐动态能量。

本世纪初美国北部能量研究中心(NTCER)针对电池和超级电容混合储能的电动车提出了一种多功能DC/DC变换器。

直流母线通过接触器(Contactor)与两种储能体之间以电流双象限变换器相联，可以实现某一储能体与直流母线的能量交换[3]。

美国的Maxwell公司和Exide公司联合开发了以超级电容为储能设备的复合电源系统，并将其应用于卡车、陆上和地下军用车中[4]。

美国的布鲁克斯自动化公司研制了一种仅由超级电容供电的电动轨道引导车，该引导车通过该公司自己设计的AEV(AeroLoader IV, AEV)控制系统，具有能实现频繁、高加速启动和停止、短的时间内为电机充电、高可靠性和低维护的良好性能。

但是由于要铺设轨道增加了该轨道车应用时的成本，从而影响轨道车的大规模推广[5]。

2 国内应用现状
目前，国内对以超级电容作为惟一能源的电动汽车的研究取得了一定的进展，将超级电容作为电动车主能源主要是应用在城市电动公交车上。

中国是唯一将超级电容公交车投入量产的国家，城市公交车装备质量大，起停频繁，大多数线路相对固定且较短，超级电容可在车辆起动时提供较大的瞬时功率，刹车和减速时有效回收制动能量，提高车辆续驶里程。

截止到2012年底，中国共有27800辆新能源汽车投入使用，其中80%为纯电动公交车。

国内多个城市实现超级电容纯电动公交车上线运行，普遍采用“一站一充”方式。

2004年7月我国首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行，该公交车利用超级电容比功率大和公共交通定点停车的特点，当电车停靠站时在30 s内快速充电，充电后就可持续提供电能，时速可达44 km/h。

2005年1月上海交通大学与山东烟台市签署协议，共同投资开发超级电容公交电车，
计划在烟台福山区建一条12 km的示范线，在福山高新技术产业区建立年产1万辆新型环保超级电容公交车的生产基地。

[6]
2006年，哈尔滨市公共电车总公司研制出的超级电容电动公交车——新型站间快速充电电动公交客车，可容纳50名乘客，最高速度20 km/h。

该车运行一至两站充电一次，一次充电时间仅需45至50秒，可以在上下客时完成，动力源由18组252只超级电容组成。

同一年，由哈尔滨工业大学研制的、技术上更加先进的“超级电容电动车”的样车也已进入试运行阶段。

[7]
上海是迄今为止全国乃至全球最有代表性的超级电容公交示范应用城市，既有老无轨电车改造，又有从燃油公交线路上新建充电设施的实践。

2006年8月上海市完成老城厢原11路无轨电车基础上进行的全球最早的超级电容公交试点改造。

该车一次充电公交模式续行里程为7.9km，平均车速为22 km/h，电容器输出能量5 kWh；续行里程测试结束后进行充电测试，充足电时间为90 s；0～40 km/h加速时间为16.5 s；最高车速44.8 km/h；7.8%坡道上驻坡后，顺利通过爬坡；再生制动能量回收明显。

2008年上海市电力公司负责实施“电池-电容混合电动汽车应用示范系统研究”项目，采用的是超级电容和锂离子电池相混合的技术。

有10辆电池－电容混合型电动汽车在上海825路公交车上线运营。

该车采用上海奥威科技公司开发的具有完全自主知识产权的超级电容器，这种电池－电容混合型电动汽车具有续驶里程长、充电速度快、充放电循环次数高等主要优点，一次完全充电最大行驶距离可达100-300公里，最高时速可达80-100公里，一次完全充电时间3小时左右，每公里耗电小于1.6度，在实际应用领域走在了世界前列[8]。

2010年上海世博会期间，共有61辆超级电容公交车投入运行，累计运送客流超过2400万人次。

2012年上海崇明城桥1号线示范推广了超级电容公交（如表1所述）[9]，于2013年中升级为上海奥威科技开发有限公司的高能量超级电容城市客车（第三代），升级后有如下优点：减小了电源的体积和重量，续驶里程提高到10-15 km（不使用空调、不堵车情况下）；超级电容器内阻减小，能量效率更高，工作时发热量小；在起点站一次充电后基本可以跑完全程（但在使用空调和堵车情况下，中间还需充电）；新建线路只在起点站建一个充电站即可，能大幅度减少充电站基本投资；通过实时监控系统对整车运营状况进行监控，数据自动统计，故障预判，提高运营管理平[10]。

表1 上海超级电容公交试点投运线路概况
2011年9月1日，新型动力电源高能镍碳超级电容器在津研制成功。

这一产品结合镍氢电池能量密度和电容器功率密度，循环寿命达到5万次以上，搭载该电容器的智能搬运车实际充放电次数达1万次以上，使用温度可达零下40摄氏度至零上70摄氏度。

为探索高能镍碳超级电容器产品在新能源汽车上的适应性，天津市组织了整车搭载测试，周国泰院士团队与南车集团合作开发了高能镍碳超级电容纯电动大客车，与天津一汽夏利公司和天津松正电动汽车公司合作开发了高能镍碳超级电容轿车，同时还在纯电动中巴车、电动自行车、便携式红光辐照仪上配装试用。

[11]
2013年11月底由中上汽车有限公司推出的超级电容纯电动公交车在长沙星沙的101路公交线路上投入运行。

中上超级电容纯电动公交客车可在3至6分钟内完成整车快速充电，在行车过程中遇到下坡刹车可回馈能量自动充电。

3-6分钟充满电可行驶不少于20公里，最高时速不小于60公里。

2013年1月11日，22辆上海万象大宇SXC6105GBEV型“双电”公交车在上海787线路正式投入营运。

“双电”新能源车辆动力源主要由车上搭载的超级电容和电池构成，“双电”的黄金组合新能源公交车结合了两者优势，既解决了纯超级电容电动汽车行驶里程较短的缺点，也使电池寿命得到了延长，提高了电动汽车的经济性。

同时制动能量回收的问题也得到了解决，使续驶里程进一步延长，在满载并打开空调的状况下，日均行驶里程已经超过150km[12]。

3 超级电容电动车应用中面临的问题
目前超极电容车辆故障较多，尤其是高温期间电容故障率较高，电容器能量密度、耐高温性等关键技术有待改进。

在散热问题解决前，只适宜在客流量不太大的线路运营，应用规模也不宜过大[13]。

部分主要经济技术性能达不到理论指标。

超级电容公交车部分技术性能与指标比对见表2。

表2 超级电容公交车部分重要经济及室内功能与指标对比
超级电容公交车车辆机动性较差，对路段车流、路况等有特殊要求。

平均行驶2～3 km 就须及时停靠站点进行快速充电，且充电时对停车位置有一定限制，易受其他行驶车辆的影响，仅能适应车流量较少、平行公交线路较少等特定线路的运营要求。

超级电容的一致性检测问题。

超级电容的额定电压很低，在应用中需要大量的串联。

由于应用中需要大电流充放电，而过充对电容的寿命有严重的影响，因此，串联中的各个单体电容器上的电压是否一致是至关重要的。

如果能在超级电容器分组组装前进行一致性检测，将充放电性能最接近的超级电容器分成一组，就能够在很大程度上解决超级电容组的均压问题。

[14]
热管理问题。

混合动力系统结构复杂，为了减小在车上的安装空间，会尽量减小超级电容器的体积，使得超级电容系统的通风和散热困难。

而温度对超级电容各个参数都有很大影响，应保证超级电容器模块处于一个较适宜的工作温度范围内，温度过低时超级电容性能下降，温度过高则有可能引发安全问题。

同时应使各单体相对一致的环境温度中，以免对单体一致性造成不利影响。

因此超级电容器的热管理也十分重要。

使用安全问题。

车用超级电容器工作环境恶劣，车辆运行颠簸，这对超级电容的抗冲击和震动等性能提出了更高的指标要求，同时灰尘、雨水以及线路磨损可能导致电池出现爬电、短路、搭铁等绝缘问题。

不合理的使用会对超级电容造成损坏，减短超级电容的寿命。

超级电容器组的电压较高，因此必须进行有效的绝缘保护和高压管理，确保车辆安全和乘客的人身安全。

就在2012年夏，使用第1代“双电”技术的上海825路公交车在示范运行期间突然发生自燃。

因此必须重视电动车安全问题。

运行成本高于预期。

目前，国内的超级电容客车的市场尚未打开，推广难度主要在于售价高。

常态化运营下车辆百公里综合运营成本较高，需出台相应激励和扶持政策。

且须配套建设充电支架、整流站等配套设施，若新建线网则投资较大。

超级电容公交数以百万的单位里程初始成本和难以自我平衡的营运成本，制约了推广应用的可行性。

[1] 邓俊彦,周梓荣,苏小欢.电动汽车发展分析[J].科技导报, 2011(28): 219-220.
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[7] /articles/2008/07-17/07102542.htm
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[11] /dfpd/tianjin/2011-09-02/content_3673069.html
[12] 韩超.走进上海787路“双电”新能源公交车[J].商用汽车, 2013(9): 155-157.
[13] 姚瑶.上海市新能源公交车应用研究[J].交通与运输, 2012(7): 81-84.
[14] 张宇.混合动力电动汽车再生制动控制策略研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学2010.。