电动汽车驱动系统中的超级电容原理与应用

1、电动汽车驱动系统中的超级电容原理及应用相关专题：汽车电子时间：2010-04-29 18:38 来源： 电子工程世界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。具充放电过程高度可逆，可进行高效率(0.850.98 )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

2、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

3、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、卜O2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

4、法拉第鹰电容 (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 10100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表1不同科类的超级电容特性电极材料电解质曩大电压（V）比功率（kW/kg）比能量（VWkg）金属氧化物碳族水成水成有机1130.50.8163510.2-1 .E|1 f !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USA

5、BC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。泰2 PNGV超级电容技术现状和目标项目计划2004加比年功率能量匕（W阳h）100100100比1遑(WMzg)4-591S储:年寿命（次）100,000400,000成本1

6、0,0005咽蛆泗蛆*1 , f 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

7、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810km，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。next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2

8、500W/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

9、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

10、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。邪劝募统fIT I叁出林匚 1fBcoms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

11、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围变化。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

12、 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 在各自的安全电压围工作；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、示样车next 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

13、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1015 %,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(HTALuzerne )自1992年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统一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

14、Diesel公司开发了一辆15t的“ CNJ 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“BG-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一一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