电动汽车驱动系统中的超级电容

电动汽车驱动系统中的超级电容作者：清华大学王燕超

超级电容

是一种电化学装置，是介于电

池和普通电容之间的过渡部件。其充放

电过程高度可逆，可进行高效率（0.85～0.98）的快速（秒级）充放电。其优点还包括比功率高、循环寿命长、免维护等。

以前由于超级电容的比能量过低，放电时间太短，难以应用于汽车领域。随着超级电容技术的迅速发展，目前成为汽车领域研究和应用的新热点。超级电容不仅适合用作汽车发动机起动、动力转向等子系统的辅助能源，而且还可以与电池、燃料电池等结合用作电动汽车的辅助能源，从而提高电池寿命，弥补燃料电池比功率不足，最大限度的回收制动能量等。总之，其在汽车领域有十分广阔的应用前景。

超级电容的原理与分类

准确的说，超级电容应该叫做电化学电容器（Electrochemical Capacitor）。它能提供比电解电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的寿命。

根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类：

1、使用碳电极的双电层电容器 (Double Layer Capacitor，DLC)如图1所示，可以把双电层超级电容看成是悬在电解质中的两个非活性多孔板，电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子。从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。

图1 双电层超级电容器

DLC本质上是一种静电型能量储存方式。所以双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关，因而常常使用高比表面积的活性碳作为双电层电容器的电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳在经过特定的化学处理后，表面积可以达到1000m2/g，从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平。碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。

2、使用金属氧化物电极的超级电容器，原来是指贵金属氧化物RuO2 、IrO2 作为电极的电容器。通过发生可逆的氧化/还原反应，使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。它与双电层电容的机理不同，称为法拉第赝电容 (Faradaic pseudocapacitance)。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大 10～100倍，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。

3、使用有机聚合物电极的电容。目前技术还不是很成熟，价格较贵，还处于实验室研究阶段。

汽车用超级电容的研究进展

目前，美国、欧洲和日本都在积极开展电动汽车用超级电容的研究开发工作。美国能源部和USABC从1992年开始，组织国家实验室（Lawrence Livermore，Los Alamos等）和工业界（Maxwell，GE等）联合开发使用碳材料的双电层超级电容器。其研究的初期目标是在维持功率密度为1kW/kg的同时，把超级电容的能量密度提高到5Wh/kg。这一目标已经基本达到，但是尚未按进度完成PNGV确定的目标。有关资料表明，如果超级电容的比能量达到20Wh/kg，那么用于混合车将是比较理想的。

1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器发展计划。由SAFT公司领导，成员包括Alcatel-Asthom、Fiat等。目标是：比能量达到6Wh/kg，比功率达到1500W/kg，循环寿命超过10万次，满足电化学电池和燃料电池电动汽车要求。

日本也成立了“新电容器研究会”和NEW SUNSHINE开发机构。

目前，在该技术领域中处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国。俄罗斯专注于电容车技术和电动车制动能量回收的研究，取得了显著的发展。其启动型超级电容器比功率已达3000W/kg，循环寿命在10万次以上，领先于其它国家。在俄罗斯，曾有使用950kg 超级电容驱动载客50人的电动巴士，尽管其续驶里程只有8～10km，但其充电时间也只有15分钟。

Maxwell公司预测其产品PowerCacheTM的价格在2003年达到$30/cell，到2003年，汽车市场对超级电容单体的需求将达到一百万只，2008年将迅速增加到一亿只。现在，美国的Full Power Technologies公司正在进行低成本超级电容的开发。

我国从九十年代开始研制超级双电层电容器，与国外先进水平还有一定的差距。据有关资料表明，国内有些单位已经研制出比能量为10Wh/kg、比功率为600W/kg的高能量型及比能量为5Wh/kg、比功率为2500W/kg的高功率型超级电容器样品，循环使用次数可达50,000次以上。性能指标已经达到国际先进水平，成本较国际平均价格有大幅度下降。初步具备应用水平。

超级电容在汽车上的应用

1、电动汽车的辅助动力

汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大，在城市工况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16：1。但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短，需求的能量并不高。

对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言，这就意味着：要么汽车动力性不足，要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流，这无疑会大大损害电池、燃料电池或其它APU的寿命。

但如果使用比功率较大的超级电容，当瞬时功率需求较大时，由超级电容提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率，那么就可以减轻对辅助电池、燃料电池或其它APU的压力。从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出，而且可以高效地回收大功率的制动

能量。这样做还可以提高蓄电池（燃料电池）的使用寿命，改善其放电性能。

如图2所示为燃料电池汽车的起动过程，由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率，从而使汽车起步过程大大加快。

图2 FC＋C与FC汽车起步加速性能比较

除此之外，采用超级电容还能在设计（选择）蓄电池等动力部件时，着重于其比能量和成本等问题，而不用再过多考虑其比功率问题。通过扬长避短，可以实现动力源匹配的最优化。

2、典型驱动结构

超级电容作为唯一动力源的电动汽车驱动结构较简单，而且目前技术还不成熟。所以一般都是把超级电容作为辅助动力源，与电池、燃料电池或其它APU系统组成多能源的动力总成来驱动车辆。常见的结构组合形式有：B＋C，FC＋C，FC＋B＋C，ICE/G＋C等。（其中B 代表电池、C代表超级电容、FC代表燃料电池、ICE代表内燃机、G代表发电机），这些结构都属于串联式混合驱动结构。

如图3所示为超级电容应用于电动车的典型结构。