汽车行业：超级电容在电动汽车上的应用

NO. 273超级电容在电动汽车上的应用目前见到的电动汽车主要是混合动力汽车，储能装置主要有蓄电池和超级电容两部分。通过DC/DC变换器等功率变换装置转换成符合要求的直流电或交流电供给负载使用，以完成整个车辆的运行。随着科技的进步，近年来出现了一种新的元器件—超级电容 。这种新型的电子器件比蓄电池高10倍以上的功率密度和100倍以上的充放电速率。利用超级电容可以迅速地吸收和释放制动再生能量。汽车在行驶过程中有一部分能量因热量散发和制动而消耗掉 ，特别是在城市中行驶 ，经常遇到交通信号的提示 ，这样不仅造成能源浪费 ，而且增加环境污染 。如何把制动所消耗的能量回收到电池中是一个能量管理系统中的关键 。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的，所需时间较长 ，但制动时间较短 ，因而回收能量效果不佳 。超级电容是介于蓄电池和电容器之间的一种能量存储器 ，它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能。 超级电容是根据电化学双电平理论研制而成的。当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子 ，使这些离子附于电极表面形成双电荷层 ，构成双电层电容 。由于两电荷层的距离非常小 (一般在0.5am 以下 )，加之采用特殊电极结构 ，使电极表面积成万倍地增加 ，从而产生极大的电容量 ，电容器的这种极化作用可以储存电能。▲奥威科技 公交用超级电容系统（整车储能模组），用于上海、广州等地超级电容公交车，3–5 分钟快充，可循环几十万次▲Maxwell（汽车 48V 轻混常用）单体与模组，沃尔沃 48V、凯迪拉克 ATS/CTS 等用的 2.85V/3000F 圆柱形超级电容及集成模组▲单颗圆柱形超级电容（改装 / 启停常用），2.7V 高容量单体，多颗串联组成 12V/48V 系统，用于启停、电压稳定▲多单元串联模组（家用车 48V 轻混 / 重卡），蓝色圆柱单元组成的 PCB 集成模组，体积小，适配发动机舱安装1. 超级电容器的机理与特点 1.1 超级电容器的机理 超级电容器是一种具有超级储电能力 、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。超级电容器结构形式大致分为两种 ：一种是圆柱状电容器 ，即把基片卷绕起来装进圆形金属外壳内，这种电容器适用于低电压大电流充放电的情况 ；另一种是叠层式的，即将电极基片叠起来 ，组装在塑料或金属壳内，这种电容器用在高电压小电流充放电的情况下比较合适。 1.2 超级电容器的特点 （1）很高的功率密度 ：超级电容器的内阻很小 ， 且在电极液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放 ，因而它的输出功率密度高达数 kW／kg，是一般蓄电池的数十倍。超级电容器和电化学电容器 、充电电池和燃料电池等电池的功率密度 、能量密度之间关系的曲线比较 ，超级电容器功率密度较高 。 （2）极长的充放电循环寿命：超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，充放电寿命很长：可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次。当今蓄电池的充放电循环寿命只有数百次 ，只有超级电容器的几十分之几。 （3）大电流：可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A），一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。（4）贮存寿命极长：超级电容器充电之后贮存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在 ，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应 ，没有产生新的物质 ，而且 ，所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，故理论上超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的 。 （5）高可靠性：超级电容器工作过程中没有运动部件 ，维护工作极少，因而超级电容器的可靠性是非常高的。 （6）比能量低：比能量低是目前超级电容器的显著缺陷，并在一定程度上限制了电动汽车的续驶里程 。（7）非常短的充电时间：可以数十秒到数分钟内快速充电。从目前已经做出的超级电容器充电试验结果来看 ，全充电时问只要 10～ 12min；蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的 。（8）安全系数高：超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。（9）电容量大：超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。图 1 超级电容器工作机理2. 超级电容主要参数及充放电时间常数的确定 2.1超级电容主要参数 （1）工作电压：电容器能够连续长期保持的最大电压 。（2）电流：对电容器进行充电后 ，为使电容器在某一电压处于稳定状态而从外部施加的一个电流 。 （3）时间常数：如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一个电阻的简单串联组合 ，则该电容和电阻的乘积便为时间常数 ，其单位为 S，相当于将电容器恒压充电至满充容量的 63.2％时所需的时间 。 （4）等效串联：电阻当一个电容器被模拟为包括电感 、电容 、电阻的等效模拟电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。等效串联电阻可以利用交流阻抗技术或电流阶跃技术测试得到。 （5）放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部容量 ，具体计算方法是将放电过程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时问进行积分。（6）理想存贮能量：电容器存贮能量的理想值 。对于一个简单的电化学电容器 ，其理想存贮能量值可以通过 E =0.5CU2W 来计算 ，其中 C为电容器的容量；UW 为电容器的工作电压。 （7）平均放电功率：平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功率。 （8）最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大输出功率 ，计算公式为 P = U2／(4R)， 此处 U为电容器的初始电压 ，而R为电容器的等效串联电阻。（9）放电效率：在一个特定的充放电循环中 ，电容器放出的能量占充入的能量的百分比。2.2 超级电容充放电时间常数的确定 超级电容作为一种高功率动力源 ，可大电流充放电，并且使用寿命比电池大的多 ，这使得其充放电效率对性能的发挥有着极其重要的影响。超级电容器组的时间常数是决定超级电容器组充放电效率的重要因素。超级电容器组的充放电时间的确定主要从如下方面考虑 ：超级电容器组的充放电效率。假设电容组以恒定的电流i充放电，经过时间 t 后 ，电容器组电量从 Q1，到 Q2 ，相应的电压由 U1 到U2 ，则电容器组存储释放的能量 E为：此时超级电容器组内阻 RC 消耗的能量 ER 为：定义时间常数 τ=RCC，β=U1／U2(充电)或β= U2／U1(放电)，得到充电效率ηC 和放电效率ηd 为 ：根据以上可以知道 ，对于相同的τ ，超级电容器组效率随充放电深度增大而减小 ，随充放电时间 t 增大而增大。对于相同的β，ηC 永远大于ηd ；同时τ 越小 ，相同放电时间效率也越高 ，并且基本上接近 ，但随着τ的增大 ，偏差迅速增大 。所以在选用超级电容器时 ，要综合考虑充放电深度和时间的匹配 关系 ，根据电容器的成本随时间常数的