电动汽车驱动系统中的超级电容原理

admin

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。