电动汽车驱动系统中的超级电容原理及应用

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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。

图3 超级电容用于电动车的典型驱动结构
　　UCMS（超级电容管理系统）实现对超级电容的封装，主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。
　　超级电容经过一个双向的高频DC/DC后在直流电压总线与电池组进行耦合。为了串联较少的超级电容单体，DC/DC一般为电流型升压变换器，通过控制DC/DC的输出电流来达到控制其输出功率的目的。
　　由于超级电容器存储的能量和电压的平方成正比，所以超级电容器由荷电状态所决定的端电压将在一个很宽的范围内变化。例如，如果超级电容器被放电75％，那么电容器的端电压将减少到初始电压的50％。为了控制电容器的能量输入输出，协调超级电容电压和电池电压，必须要使用DC-DC变换器。
　　3、控制方式
　　对于B＋C形式的电动汽车而言，主要是控制超级电容的电流，以实现作为主动力源的电池与超级电容的功率分配。应该考虑以下几个方面：蓄电池功率输出应该尽可能保持恒定或平滑；超级电容主要起功率调峰作用，提供道路需求功率减去蓄电池功率外剩余的功率，并且回收制动能量；必须保证蓄电池与超级电容都在各自的安全电压范围内工作；系统的整体效率应该尽可能最大。除了以超级电容电流为控制目标外，也可以把电容电压作为控制目标。
　　4、示范样车
         在德国巴伐利亚州政府的支持下，MAN 和Siemens 、EPSOS公司合作建立了欧洲第一辆采用柴油－电驱动和双层电容器作为大功率储能装置的城市公交车。与常规柴油机驱动的车辆相比，燃料消耗减少10～15％，而且舒适性提高，噪音和污染减少。该研究项目将来会把超级电容用于燃料电池车的驱动系统中。

图4 “CNG＋C ”15吨串联式混合动力大客车
　　瑞士中心应用科学大学（HTA－Luzerne）自1992年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统—SAM（Super Accumulator Module），它是以超级电容和电池为基础组成的。并且在1997年开发的“蓝色天使”轻型混合动力车中仅使用超级电容组就拖动了瑞士联邦铁路公司的80t重的火车头。此项目还实现了储能系统完全由超级电容组成的16座4t的中巴车。
　　Nissan Diesel公司开发了一辆15t的“CNG＋C”串联式混合动力大客车如图4所示，续驶里程比常规CNG大客车提高了2.4倍。超级电容总重200kg，CNG发动机在最优效率点带动一个75kW的发电机工作。
　　另外，本田公司的燃料电池轿车FCX-V3也采用了“FC＋C”的驱动结构。
　　意大利的Roma Tre大学在政府的资助下正在开展“FC＋B＋C”的研究工作。
　　2001年1月，GM宣布将使用Maxwell公司的PowerCacheTM超级电容，作为其针对卡车和巴士混合驱动解决方案——Allison Electric DrivesTM的一部分。
　　5、汽车部件的辅助能源
　　除了用于动力驱动系统外，超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如，未来汽车设计使用的42V电系统（转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等），如果使用长寿命的超级电容，可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高。另外，还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线。而且，如果使用超级电容来提供发动机起动时所需要的大电流，那么不仅能保护电池，而且即使是在低温环境和电池性能不足的条件下也能顺利实现起动。

结论
　　超级电容能在短时间内提供/吸收大的功率，而且效率高、循环寿命长、工作温度范围宽，其使用的基础材料价格也很便宜。尽管超级电容仍然存在价格偏贵，比能量有待进一步提高等缺点，但是随着其技术的日益成熟和车载示范运行的不断深入，超级电容将会快速进入汽车市场，使产量上升，价格下降。总之，超级电容在汽车领域应用前景广阔。