电动汽车中超级电容及变换器的研究

1、摘要随着社会的发展和人类的进步，能源和环境问题越来越受到人们的重视。电动汽车应运而生，取代了传统的汽油为燃料的汽车。电能作为清洁能源若大规模的应用在汽车上，不仅可以减轻污染，也可以在一定程度上缓解能源紧张问题。 纯电动汽车是新能源汽车的一种，具有良好的发展前景。控制器作为纯电动汽车研究的关键技术之一，受到了新能源汽车行业的广泛重视。开发出具有自主知识产权的控制器具有重要的意义。本文介绍了纯电动汽车的历史和发展状况，综述了纯电动汽车研发的关键技术，包括控制器、动力型铿电池技术、能量管理系统、电机驱动技术、整车通信网络等。 控制器是纯电动汽车研发的关键技术之一，关系到车辆性能的优劣。本文对控制器的

2、发展状况和工作原理进行了研究，并对控制器进行功能分析。关键词: 电动动汽车组组成 关关键技术术 控制制器 电电路分析析 ABSTRRACTTPure eleectrric vehhiclle iis aa neew eenerrgy vehhiclle, witth ggoodd prrosppectts ffor devveloopmeent. Veehiccle conntroolleer aas Onee off thhe kkey tecchnoologgiess off puure eleectrric vehhiclle rreseearcch hhas beeen wwideel

3、y empphassizeed bby tthe neww ennerggy aautoomobbilee inndusstryy. DevveloopThe vvehiiclee coontrrolller witth iindeepenndenntintelllecctuaal pproppertty rrighhts hass immporrtannt ssignnifiicannce. TThe eneergyy maanaggemeent strrateegy cann bee efffecctivve aand relliabbleTo efffecctivvelyy usse t

4、the eneergyy off thhe ppoweer bbattteryy paack, immproove thee puure eleectrric vehhiclle cconttinuued milleagge. In thee doomessticc annd iinteernaatioonall veehiccleBasedd onn thhe rreseearcch oof tthe conntroolleer, thee reeseaarchh onn thhe eeffeectiive conntrool oof bbrakkingg ennerggy ffeeddba

5、cck aand thee veehiccle conntroolleer iis sstuddiedd.目录TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc21019 1.绪论 PAGEREF _Toc21019 1 HYPERLINK l _Toc1412 1.1 选选题背景景 PAGEREF _Toc1412 1 HYPERLINK l _Toc19964 1.2 纯纯电动汽汽车发展展历程简简介 PAGEREF _Toc19964 2 HYPERLINK l _Toc27310 1.3 电电动汽车车电源系系统研究究现状 PAGEREF _Toc27310 3 HYPERLIN

6、K l _Toc6072 2.超级电电容器的的原理及及结构 PAGEREF _Toc6072 9 HYPERLINK l _Toc5866 2.2 超超级电容容器结构构 PAGEREF _Toc5866 9 HYPERLINK l _Toc5974 2.2 工工作原理理及超级级电容器器储能系系统 PAGEREF _Toc5974 13 HYPERLINK l _Toc10555 2.3 超超级电容容器的主主要特点点 PAGEREF _Toc10555 14 HYPERLINK l _Toc21114 2.4 超超级电容容器的参参数特性性 PAGEREF _Toc21114 16 HYPERLI

7、NK l _Toc12453 3.DC/DC 转换换器的工工作原理理及特性性 PAGEREF _Toc12453 20 HYPERLINK l _Toc25697 3.1 元元器件及及选择 PAGEREF _Toc25697 21 HYPERLINK l _Toc2724 3.2 基基本的直直流变换换器 PAGEREF _Toc2724 23 HYPERLINK l _Toc3811 4.电动汽汽车中的的超级电电容的建建模和仿仿真 PAGEREF _Toc3811 27 HYPERLINK l _Toc10943 4.1仿真真软件的的简介 PAGEREF _Toc10943 27 HYPERL

8、INK l _Toc29776 4.2 超超级电容容的等效效电路 PAGEREF _Toc29776 29 HYPERLINK l _Toc15198 4.3 超超级电容容的数学学模型 PAGEREF _Toc15198 32 HYPERLINK l _Toc18785 4.4 超超级电容容的siimullinkk 模型型与仿真真 PAGEREF _Toc18785 33 HYPERLINK l _Toc19072 4.5 BBoosst电路路的建模模与仿真真 PAGEREF _Toc19072 36 HYPERLINK l _Toc1947 5.结束语语 PAGEREF _Toc1947 4

9、0 HYPERLINK l _Toc2320 参考文献 PAGEREF _Toc2320 41 HYPERLINK l _Toc11216 致谢辞 PAGEREF _Toc11216 442 HYPERLINK l _Toc6627 附录 PAGEREF _Toc6627 4441.绪论1.1选题题背景 汽汽车自诞诞生起已已有一百百多年历历史，从从生产、技技术、经经济效益益等方面面来看，都都取得了了巨大的的成就。但但传统的的燃油汽汽车效率率低、污污染气体体排放量量大的问问题仍然然没有得得到妥善善解决。据据估算，目目前汽车车所消耗耗的石油油约占到到全球石石油年产产量的一一半以上上。与此此同时，内

10、内燃机燃燃烧所产产生的有有毒、有有害气体体也对大大气环境境造成了了破坏。我我国车辆辆众多，一一些大中中型城市市道路拥拥挤，大大气污染染严重。有有限的石石油资源源以及日日益恶化化的环境境等问题题，迫使使汽车工工业必须须寻求更更加节能能的新能能源汽车车，以减减少对石石油的过过度消耗耗和对环环境的污污染，保保证汽车车工业的的长期稳稳定发展展。 纯纯电动汽汽车是新新能源汽汽车中的的一个重重要发展展方向。电电动汽车车是无排排放交通通工具，它它将使空空气污染染大为减减少，且且使能源源的利用用多元化化和高效效化，达达到能源源可靠、和和无污染染地利用用。动力力蓄电池池是现阶阶段电动动车辆能能量源的的主要选选择

11、，但但蓄电池池存在功功率密度度偏低，大大电流放放电会损损伤电池池内部结结构，缩缩短电池池的使用用寿命等等问题。如如果让蓄蓄电池满满足大电电流和高高功率要要求，蓄蓄电池的的体积和和质量都都要增加加，这样样不但给给电动汽汽车增加加了重量量，而且且整车的的成本也也会增加加。但车车载电源源技术一一直是制制约电动动汽车发发展和普普及的瓶瓶颈，成成为电动动汽车研研究的一一个重要要课题。电电池技术术得不到到突破性性进展，电电动汽车车很难与与燃油汽汽车竞争争。 当当今，用用超级电电容和蓄蓄电池组组合成复复合电源源是一种种车载电电源的新新方案。超超级电容容是近年年来新发发展起来来的一种种储能元元件，具具有比功功

12、率高和和充放电电寿命长长等优点点，适合合于作为为短时间间的功率率输出源源，可以以在电动动车辆起起动、加加速、爬爬坡时大大功率放放电，在在车辆下下坡制动动时迅速速吸收制制动能量量。同时时也保护护了蓄电电池不受受大电流流的冲击击而损坏坏1。1.2纯电电动汽车车发展历历程简介介 世世界上第第一辆纯纯电动汽汽车（EElecctriicall Veehiccle，简简称 EEV）问问世于 18883 年年，比内内燃机汽汽车的诞诞生还要要早，距距今已有有一百多多年的历历史。但但因早期期电池的的比能量量、比功功率及可可靠性等等方面问问题较多多，纯电电动汽车车的性能能远不及及内燃机机汽车，电电动汽车车始终没没

13、有市场场化。随随着新技技术的镍镍氢动力力电池、锂锂离子动动力电池池及高效效电力驱驱动系统统等高新新技术的的发展应应用，纯纯电动汽汽车在经经历了多多次起伏伏后，又又迎来了了新的发发展机遇遇，近年年来再次次受到各各国政府府、企业业及高校校的重视视。尤其其是在美美国、欧欧洲、日日本等发发达国家家。 美美国政府府对电动动汽车研研究方面面一直是是大力支支持，投投入了大大量的人人力和财财力。特特斯拉（TTeslla）公公司和凤凤凰汽车车（Phhoennix Mottorccarss）公司司分别推推出了高高性能的的纯电动动跑车和和纯电动动运动货货车。加加利福尼尼亚正准准备建造造电动汽汽车充电电网络，一一旦建

14、成成，电动动汽车的的使用将将变得非非常方便便和实用用。解决决了续航航的问题题，电动动汽车不不失为一一种新的的可靠的的交通工工具。出出于对资资源缺乏乏和环境境问题的的担忧，日日本是目目前纯电电动汽车车发展速速度最快快的国家家之一。三三菱公司司的“i-MMiEVV”、日产产汽车公公司的“Leaaf”纯电动动汽车等等先后研研制成功功并投放放市场。220099 年到到 20012 年在东东京地区区累计建建设 110000 个充充电站。在我国，近近几年国国家也开开始大力力支持电电动汽车车的研发发，纯电电动城市市客车越越来越普普及，纯纯电动轿轿车也开开始出现现在马路路上，我我国的纯纯电动汽汽车产业业正在进

15、进入高速速发展的的新阶段段2。1.3电动动汽车电电源系统统研究现现状 国国内的研研究大多多集中在在燃料电电池加超超级电容容上，不不过蓄电电池加超超级电容容方向也也取得了了不错的的成果。在在 20003 年，北北京理工工大学和和北方尼尼奥普兰兰客车合合作研制制的“BFCC61110-EEV”型纯电电动旅游游客车，率率先通过过整车型型式认证证试验；该车采采用锂电电池和超超级电容容的复合合电源的的组合方方式，主主要技术术指标达达到预定定要求。 吉吉林大学学将镍氢氢电池和和超级电电容组合合，搭建建了复合合电源试试验台架架，并对对复合电电源的参参数匹配配理论以以及控制制策略进进行了仿仿真研究究。掌握握了

16、大量量实验数数据，为为复合电电源的开开发奠定定了基础础。目前前，吉林林大学已已完成复复合电源源仿真软软件的编编写和开开发阶段段的工作作。 220100世博会会上出现现了一批批新颖的的电动汽汽车，锂锂电池加加超级电电容的复复合电源源系统为为动力，超超级电容容和锂电电池相结结合，可可以行驶驶2000公里以以上。国国外对于于电动汽汽车的研研究比较较早，取取得了一一些很好好的成果果，研究究成果比比较突出出的有： 在在美国，TTobiias Anddersson 等人对对装有镍镍氢电池池和超级级电容复复合电源源的电动动车辆进进行了部部件参数数匹配和和仿真研研究，并并应用低低通滤波波的思想想（Loow P

17、Passs Fiilleer CConttroll）实现现了复合合电源中中蓄电池池和超级级电容充充放电电电流的控控制。在加拿大，GGreggoryy Wiightt 等人人对装载载超级电电容的电电动车辆辆进行了了低温环环境和不不同行驶驶工况下下的实车车道路试试验。测测试结果果表明，超超级电容容的加入入帮助蓄蓄电池减减轻工作作负荷，同同时超级级电容快快速回收收制动能能量的特特性，使使整车燃燃油经济济性得到到提高。 在在意大利利，菲亚亚特汽车车公司应应用铅酸酸蓄电池池和超级级电容组组合驱动动旗下CCinqqueccentto EElcttra 车型，性性能测试试结果显显示，在在完整 ECEE 行驶

18、驶循环下下该车型型节能 14%，在市市区和郊郊区行驶驶工况下下分别节节能 440%和和 200%。 在在日本，CChuggokuu 电力力公司和和丰田公公司研发发中心合合作在马马自达BBonggo FFrieend车车型上安安装由阀阀控铅酸酸蓄电池池和超级级电容组组成的复复合电源源，该复复合电源源使用4402 的的松下超超级电容容（16600FF2.3V）。测测试结果果显示，用用超级电电容作为为负载均均衡装置置使阀控控铅酸电电池可更更好地运运用于电电动车辆辆电动车车辆33。1.3.11复合电电源电动动汽车 由由于超级级电容的的特性，在在电动汽汽车的应应用中通通常都是是以超级级电容组组的形式式出

19、现。图图(b)所示为为韩国的的一款以以超级电电容器为为辅助能能源的并并联型混混合电动动汽车,它所采采用的电电机是无无刷直流流电机,车空载载质量为为12000kgg,其中中,超级级电容器器组质量量为600kg,如图(a)所所示。（a）超级级电容器器组 （b）并并联型混混合电动动汽车 超超级电容容器组由由35个个超级电电容器单单元组成成,超级级电容器器单元的的个数主主要由电电气系统统逆变器器的功率率所决定定。其中中,每个个单元最最高电压压2.33v,最最低电压压1.225V,静态容容量27700FF,内阻阻lm几几,则超超级电容容器组的的电压范范围为445一775v,总静态态容量227000/35

20、5=777F,内内阻为335mnn,超级级电容器器组的总总能量为为2500kJ,工作温温度为一一3085。超级级电容器器组可在在电动汽汽车起动动、加速速时提供供强大的的动力,并能及及时回收收制动时时反馈的的能量。 图图（a）所所示的超超级电容容器组是是由800个超级级电容器器单元和和1个冷冷却系统统组成的的,其中中超级电电容器的的功率密密度和能能量密度度分别达达到了114000w/kkg和33.gwwh/kkg,工工作温度度为一330665,超级级电容器器组的规规格见表表1。表1 超级级电容器器组规格格体积/L36.8质量/kgg34.3最高电压/V216最大功率/kw28能量/whh80单元

21、数/个个80 美美国Maaxenn公司所所开发的的超级电电容器已已在各种种类型电电动车上上都得到到良好应应用。本本田公司司在其开开发出的的第三代代和第四四代燃料料电池电电动车FFCXvv3和FFCXVV4中分分别使用用了自行行开发研研制的超超级电容容器来取取代二次次电池,减少了了汽车的的质量和和体积,使系统统效率增增加,同同时可在在制动时时回收能能量,测测试结果果表明,使用超超级电容容器时燃燃料效率率和加速速性能均均得到明明显提高高,起动动时间由由原来的的10mmin缩缩短到1105。此此外,法法国sAAFT公公司、澳澳大利亚亚caPPxx公公司、韩韩国NEES白公公司等也也都在加加紧电动动车

22、用超超级电容容器的开开发应用用。 由由Maxxwelll TTechhnollogiies公公司生产产的Poowe:Cacche超超级电容容器,已已由通用用汽车公公司Alllisson Traansmmisssionn Diivissionn组成并并联混合合电源系系统和串串联电源源系统用用在卡车车和轿车车上。AAlhss。n期期望Maaxweell超超级电容容有6年年以上的的使用寿寿命。跟跟相应的的蓄电池池组比起起来,超超级电容容器贮能能装置质质量只有有前者的的1/33,体积积只有前前者的一一半。IISE Ressearrch一一Thuundeer VVoltt公司也也将Poowerr Caa

23、chee超级电电容器用用于其新新开发的的重型混混合电力力推进系系统Thhunddor P、kko该系系统是由由协叶MMaxwwen的的Pc225000超级电电容器装装到一个个用风扇扇冷却的的铝套内内。单个个贮能堆堆可以贮贮存或释释放1550kww的电力力,双联联体达到到3oookw,完全满满足了大大塾汽车车或卡车车加速时时的需求求。第一一个Thhundder堆堆交给了了拉斯维维加斯的的内华达达大学做做混合型型动力车车试验。将将蓄电池池与超级级电容器器组合起起来,它它们的优优点可以以互补,成为一一个极佳佳的贮能能系统。MMaxwwelll公司和和Exiide公公司正联联合开发发这一组组合系统统,

24、用于于卡车低低温起动动、中型型和重型型卡车、陆陆上和地地下的军军用车,它在大大电流以以及高低低温条件件下工作作,都会会有很长长的寿命命4。 在在我国,北京有有色金属属研究总总院、锦锦州电力力电容器器有限责责任公司司、北京京科技大大学、北北京化工工大学、北北京理工工大学、北北京金正正平公司司、解放放军防化化院、哈哈尔滨巨巨容公司司、上海海奥威公公司等也也在开展展电动车车用超级级电容器器的开发发研究士士作,国国家“十五”计划,“8633”电动汽汽车重大大专项攻攻关中已已将电动动车用超超级电容容器的开开发列人人发展计计划。 超超级电容容器的市市场正在在形成中中,而且且潜力较较大,表表2为220044

25、年不同同种类的的汽车对对超级电电容器的的需求情情况。表2 220044年超级级电容器器机动车车市场需需求车类型车产量/辆辆超级电容器器需求量量/个价值/美元元（）占有率/%重型卡车和和大客车车277000052500000157.4405叉车1100000044000000132.0001平板车36000002875000087.5000轿车200000360000012.0001.5中型客车100000300000010.0001其他3000120000024.0002总数177000001330550000422.9903.2 从从表2中中看出,超级电电容器在在机动车车市场的的占有率率还非

26、常常低,有有的市场场还未启启动,例例如火车车站、一一飞机场场、高尔尔夫球场场等载人人拉货的的平板车车,所以以整个超超级电容容器市场场处于成成长阶段段,潜力力很大,据有关关权威部部门报道道,在未未来5年年里,超超级电容容器的市市场销售售额将会会达到220亿美美元。 超超级电容容器是一一种快速速储能元元件,随随着对混混合动力力电动汽汽车和超超级电容容器的进进一步研研究和开开发,在在下一个个研发循循环中,超级电电容器和和其他储储能源联联合使用用,是满满足电动动汽车性性能和成成本要求求的一种种出路。1.3.22以超级级电容器器为唯一一能源的的电动汽汽车研发发情况 单单纯用超超级电容容器来驱驱动电动动汽

27、车,这个方方法结构构简单、实实用、成成本低,而且实实现了车车辆尾气气的零排排放。根根据超级级电容器器的特点点,以超超级电容容器为唯唯一能源源的电动动汽车适适合用在在短距离离、线路路固定的的区域。例例如火车车站和飞飞机场的的牵引车车上;煤煤矿的采采煤车、运运输车上上；学校校和幼儿儿园的送送餐车上上；公园园的游览览车上；城市的的电动自自行车、电电动公交交车上。 尤尤其在城城市市区区运行的的电动公公交车,其运行行线路在在20kkm以内内,运行行中频繁繁起动、制制动、加加速、减减速。运运用超级级电容器器为能源源的电动动汽车,一次充充电续驶驶里程可可达200km,充电时时间122minn,在此此领域将将

28、会有广广阔的应应用前景景;而且且超级电电容器的的低温特特性优于于蓄电池池,尤其其在气候候寒冷地地区是一一个好的的选择。电动公交车车在终点点停留时时间长,通常停停留时间间约在115330miin。可可以建立立超级电电容器电电动公交交车专线线,在线线路两端端设立充充电站,每台充充电站可可以同时时给3一一5辆超超级电容容器电动动公家车车充电,充电时时间约在在15一一30mmin。 由由黑龙江江省科委委组织,哈尔滨滨工业大大学和巨巨龙集团团研制的的超级电电容电动动公交客客车,可可容纳550名乘乘客,最最高速度度20kkm/hh;采用用直流变变励磁控控制的电电机系统统,额定定功率660kww,峰值值功率

29、990kww;电容容组中电电容数6600个个,最大大工作电电压3220v,最小工工作电压压1600V,;电容总总质量11.8TT,总充充电时间间12minn。1.3.33以超级级电容器器为唯一一能源的的电动汽汽车的特特点及存存在的问问题 以以超级电电容器为为唯一能能源的电电动公交交客车有有其独特特的性能能: (1)充充电时间间短,超超级电容容车一次次充电时时一间只只需要112一115miin; (2)循循环使用用寿命长长,其充充电循环环次数可可达500万次: (3)适适用温度度范围宽宽,可以以在低温温条件下下使用,温度范范围为一一4050,超级级电容车车尤其适适合在我我国北方方寒冷地地区使用用

30、; (4)能能量回收收效率高高,在需需要频繁繁制动的的城市交交通条件件下,其其能量回回收率可可达700%; (5)续续驶里程程短,超超级电容容器比能能量低,导致超超级电容容电动公公交车续续驶里程程较短,一般为为20-30kkm。 超超级电容容器电动动公交车车续驶里里程短,跑不远远,但充充电速度度快,可可以弥补补续驶里里程短的的缺陷。补补救的方方法是在在城市交交通线路路的两端端建立充充电站5。2.超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的原理及及结构2.2超级级 HYPERLINK /ProductShop/ShowC

31、lass.asp?ClassID=10904 电容器器结构根据电化学学电容器器储存电电能的机机理的不不同，可可以将它它分为双双电层电电容器，(EDLLC）和和赝电容容器（PPesuudo cappaeiitorr）。碳碳基材料料超级电电容器能能量储存存的机理理主要是是靠碳表表面附近近形成的的双电层层，因此此通常称称为双电电层电容容；而金金属氧化化物和导导电聚合合物主要要靠氧化化还原反反应产生生的赝电电容。双电层层电容器器的基本本原理是是利用电电极和电电解质之之间形成成的界面面双电层层来存储储能量的的一种新新型电子子元件。当当电极和和电解液液接触时时，由于于库仑力力、分子子间力或或者原子子间力的

32、的作用，使使固液界界面出现现稳定的的、符号号相反的的两层电电荷，称称为界面面双电层层。双电电层电容容的大小小与电极极电位和和表面积积的大小小有关。双双电层电电容器电电极通常常由具有有高比表表面积的的多孔碳碳材料组组成。碳碳材料具具有优良良的导热热和导电电性能，其其密度低低，抗化化学腐蚀蚀性能好好，热膨膨胀系数数小，可可以通过过不同方方法制得得粉末、颗颗粒、块块状、纤纤维、布布、毡等等多种形形态。赝电容是在在电极表表面或者者体相的的二维或或准二维维空间上上，电活活性物资资进行欠欠电位沉沉积，发发生高度度可逆的的化学吸吸附脱脱附或氧氧化还还原反应应，产生生与电极极充电电电位有关关的电容容。由于于赝

33、电容容不仅发发生在表表面，而而且可以以深入内内部，因因而可获获得比双双电层电电容更高高的电容容量和能能量密度度。相同同电极面面积下，赝赝电容可可以是双双电层电电容量的的 1001000倍。目目前赝电电容电极极材料主主要为一一些金属属氧化物物和导电电聚合物物。 图图一为超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器的模模型，超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器中，多多孔化电电极采用用活性炭炭粉和活活性炭纤纤维，电电解液采采用有机机电解质质，如丙

34、丙烯碳酸酸脂（pproppyleene carrbonnatee）或高高氯酸四四乙氨（ttetrraettry lannmmooniuum ppercchlooratte）。工工作时，在在可极化化电极和和电解质质溶液之之间界面面上形成成的双电电层中聚聚集的电电容量cc由下式式确定： 其其中是电解解质的介介电常数数，是由电电极界面面到离子子中心的的距离，ss是电极极界面的的表面面面积。图1超级级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器结构框框图 由由图（11）中可可见，其其多孔化化电极是是使用多多孔性的的活性碳碳，活性性炭有

35、极极大的表表面积在在电解液液中吸附附着电荷荷，因而而将具有有极大的的电容量量并可以以存储很很大的静静电能量量，超级级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的这一一特性是是介于传传统的 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器与与电池之之间。尽尽管这能能量密度度是5%或是更更少，但但是这能能量的储储存方式式，也可可以应用用在传统统电池不不足之处处与短时时高峰值值电流之之中。与传统电容容器、电电池的区区别：电化学电容容器和电电池的运运行机理理从原理理上就不

36、不同。对对于双电电层型超超级电容容器，电电荷存储储是非法法拉第过过程，即即理想的的没有发发生通过过电极界界面的电电子迁移移，电荷荷和能量量的存储储是静电电性的。而而对电池池而言，实实质上发发生了法法拉第过过程，即即发生了了穿过双双层的电电子迁移移，结果果是发生生了氧化化态的变变化和电电活性材材料化学学性质的的变化。总的来说，电电荷存储储过程有有如下重重要的区区别： 对对于非法法拉第过过程，电电荷的聚聚集靠静静电方式式完成，正正电荷和和负电荷荷居于两两个分开开的界面面上。中中间为真真空或分分子绝缘缘体，如如双层、电电解电容容中的云云母膜、空空气层或或氧化物物膜。对对于法拉拉第过程程，电荷荷的存储

37、储靠电子子迁移完完成，电电活性材材料发生生了化学学变化或或氧化态态变化，这这些变化化遵守法法拉第定定律并与与电极电电势有关关在某种种情况下下就能产产生准电电容。这这种能量量的存储储是间接接的。图2超级电电容器与与传统电电容器区区别 在在对比能能量和功功率两个个性能参参数上超超级电容容器位于于电池和和传统电电容之间间，循环环寿命和和充放电电效率都都远远高高于电池池。由于于使用寿寿命长通通常都超超过了使使用其设设备的寿寿命，所所以，超超级电容容器终身身无需维维护，加加之使用用完后，对对环境要要求宽松松，无污污染，因因而又称称其为绿绿色能源源。超级级电容器器车用贮贮电装置置的优点点是超级级电容器器是

38、绿色色能源不不会污染染环境，普普通化学学电池对对环境有有2次污污染。 充充电迅速速，使用用便捷。超超级电容容可以在在数十秒秒到数分分钟内快快速充电电，而蓄蓄电池在在如此短短的时间间内充满满电将是是极危险险的或是是几乎不不可能的的。电池池、超级级电容和和传统电电容都能能储存电电能，但但是它们们储存电电能的原原理不同同。电池池是电能能和化学学能的能能量转换换装置，通通常称为为化学电电源；而而超级电电容(eedlcc)和传传统电容容是物理理电源，它它们储存存电能是是靠静电电引力作作用来实实现的。超超级电容容(eddlc)是在高高度多孔孔状电极极与束缚缚态电解解质的接接触表面面所特定定的双电电层来实实

39、现储能能的，传传统电容容通常是是通过平平板电极极所带相相异电荷荷来实现现储能。因因此，超超级电容容储存的的能量是是同规格格普通铝铝电容的的20000倍，是是铅酸电电池比功功率的110倍。功功率密度度高（11OOOOIOO0000WKKg）；化学电电池功率率密度低低（3000WKg）。超超级电容容器彻底底免维护护，工作作温度范范围宽(一400+770)，容容量变化化小；铅铅酸电池池电动车车在一00时，续续驶里程程减少990，而而超级电电容器只只减少110。相相对成本本低，超超级电容容器的价价格比铅铅酸电池池高一倍倍，但由由于超级级电容器器的寿命命比化学学电池高高101000倍，所所以超级级电容器

40、器电动车车的综合合运营成成本大大大低于化化学电池池。2.2工作作原理及及超级电电容器储储能系统统 超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器是利利用双电电层原理理的 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器，原原理示意意图如图图3。当当外加电电压加到到超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的两个极极板上时时，与普普通 HYPERLINK /ProductShop/Show

41、Class.asp?ClassID=10904 电容容器一样样，极板板的正电电极存储储正电荷荷，负极极板存储储负电荷荷，在超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器的两两极板上上电荷产产生的电电场作用用下，在在电解液液与电极极间的界界面上形形成相反反的电荷荷，以平平衡电解解液的内内电场，这这种正电电荷与负负电荷在在两个不不同相之之间的接接触面上上，以正正负电荷荷之间极极短间隙隙排列在在相反的的位置上上，这个个电荷分分布层叫叫做双电电层，因因此电容容量非常常大。当当两极板板间电势势低于电电解液的的氧化还还原电极极电位时时

42、，电解解液界面面上电荷荷不会脱脱离电解解液，超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器为正正常工作作状态（通通常为33V以下下），如如 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器两端电电压超过过电解液液的氧化化还原电电极电位位时，电电解液将将分解，为为非正常常状态。由由于随着着超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器放放电 ，正正、负极极板上的的电荷被被外电路路泄放，电电解液的

43、的界面上上的电荷荷响应减减少。由由此可以以看出：超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的充放电电过程始始终是物物理过程程，没有有化学反反应。因因此性能能是稳定定的，与与利用化化学反应应的蓄电电池是不不同的。超超级电容容器储能能系统的的原理框框图如图图4所示示。 图33双电层层电容原原理 图4超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器储储能系统统原理图图2.3超级级电容器器的主要要特点 由由于超级级 HYPERLINK /ProductShop

44、/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的结构构及工作作原理使使其具有有如下特特点： 图图5超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器结构构框图 .电容容量大，超超级电容容器采用用活性炭炭粉与活活性炭纤纤维作为为可极化化电极，与与电解液液接触的的面积大大大增加加，根据据电容量量的计算算公式，那那么两极极板的表表面积越越大，则则电容量量越大。因因此，一一般双电电层电容容器容量量很容易易超过11F，它它的出现现使普通通电容器器的容量量范围骤骤然跃升升了3至至4个数数量级，目目前单体体超级电电容器的

45、的最大电电容量可可达50000FF。 .充放放电寿命命很长，可可达5000 0000次次，或990 0000小小时，而而蓄电池池的充放放电寿命命很难超超过1 0000次。 .可以以提供很很高的放放电电流流（如227000F的超超级电容容器额定定放电电电流不低低于9550A，放放电峰值值电流可可达16680AA，一般般蓄电池池通常不不能有如如此高的的放电电电流一些些高放电电电流的的蓄电池池在如此此高的放放电电流流下的使使用寿命命将大大大缩短。 .可以以数十秒秒到书分分钟内快快速充电电，而蓄蓄电池再再如此短短的时间间内充满满电将是是极危险险的或几几乎不可可能。.可以在在很宽的的度范围围内正常常工作

46、（-40至至700）而蓄蓄电池很很难在高高特别是是低环境境下工作作。.超级电电容器用用的材料料是安全全的和无无毒的，而而铅酸蓄蓄电池、镍镍镉蓄电电池均具具有毒性性。 .等效效串联电电阻ESSR相对对常规电电容器大大（100F/22.5VV的ESSR为1110mm）。 .可以以任意并并联使用用来增加加电容量量，如采采取均压压后，还还可以串串联使用用6。2.4超级级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的参数数特性(1)额定定容量 单位位：法拉拉（F），测测试条件件：规定定的恒定定电流（如如10000F以以上的超超级 HYP

47、ERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器规定定的充电电电流为为1000A，2200FF以下的的为3AA）充电电到额定定电压后后保持223分分钟，在在规定的的恒定电电流放电电条件下下放电到到端电压压为零所所需的时时间与电电流的乘乘积再除除以额定定电压值值，即： 由于等等效串联联电阻（EESR）比比普通 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器大大，因而而充放电电时ESSR产生生的电压压降不可可忽略，如如: 22.7VV/5 0000F超级级 HYPERLINK /

48、ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的ESSR为：0.44m，在1100AA电流放放电时的的ESRR电压降降为400mV占占额定电电压的11.5%，在9950AA电流放放电时的的ESRR电压降降为3880mVV占额定定电压的的14%，表明明在额定定电流下下放电量量将为额额定容量量减小888.55%，这这一特性性将在图图7中看看到。(2)额定定电压可以使使用的最最高安全全端电压压（如22.3VV、2.5V、22.7VV以及不不久将来来的3VV），除除此之外外还有承承受浪涌涌电压电电压（可可以短时时承受的的端电压压，通常常为额定定电压的的1055

49、%），实实际上超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器的击击穿电压压远高于于额定电电压（约约为额定定电压的的1.553倍倍左右，与与普通 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的额定电电压/击击穿电压压比值差差不多）。图7 2.7v/27000F超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器入电电特性曲曲线图8超级级 HYPERLINK /ProductShop/ShowC

50、lass.asp?ClassID=10904 电容器器阻抗频频率特性性(3)额定定电流5秒内内放电到到额定电电压一半半的电流流，除此此之外还还有最大大电流（脉脉冲峰值值电流）(4)最大大存储能能量在额定定电压是是放电到到零所释释放的能能量，以以焦耳（JJ）或瓦瓦时（WWh）为为单位(5)能量量密度最大存存储能量量除以超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器的重重量或体体积（WWh/kkg或WWh/ll）(6)功率率密度在匹配配的负载载下，超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp

51、?ClassID=10904 电容容器产生生电/热热效应各各半时的的放电功功率，用用kW/kg或或kW/l表示示。(7)等效效串联电电阻测试条条件：规规定的恒恒定电流流（如11 0000F以以上的超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器规定定的充电电电流为为1000A，2200FF以下的的为3AA）和规规定的频频率（DDC和大大容量的的1000Hz或或小容量量的KHHz）下下的等效效串联电电阻。通通常交流流ESRR比直流流ESRR小，随随温度上上升而减减小。超级 HYPERLINK /ProductShop/Show

52、Class.asp?ClassID=10904 电电容器等等效串联联电阻较较大的原原因是：为充分分增加电电极面积积，电极极为多孔孔化活性性炭，由由于多孔孔化活性性炭电阻阻率明显显大于金金属，从从而使超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器的EESR较较其它 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的大。(8) 阻阻抗频率率特性 超级级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的

53、阻抗抗频率特特性如图图7，相相对较大大的是EESR造造成平坦坦底部的的原因，超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器的频频率特性性是 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器中频频率特性性最差的的。其原原因是：一般 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的电荷是是导体中中的以电电子导电电方式建建立或泄泄放，而而超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowCla

54、ss.asp?ClassID=10904 电电容器的的电荷的的建立或或泄放是是以介质质中的离离子或介介质电离离极化实实现，响响应速度度相对慢慢；大容容量 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器在制制造时均均采用卷卷绕工艺艺，寄生生电感相相对无感感 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器大。(9)工作作与存储储温度通常为为-400到+660或700，存储储温度还还可以高高一些。(10)漏漏电流一般为为10A/FF(11)寿寿命在255环境温温度下的的寿命

55、通通常在990 0000小小时，在在60的环境境温度下下为4 0000小时，与与铝电解解 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的温度度寿命关关系相似似。寿命命随环境境温度缩缩短的原原因是电电解液的的蒸发损损失随温温度上升升。寿命命终了的的标准为为：电容容量低于于额定容容量200%，EESR增增大到额额定值的的1.55倍。(12)循循环寿命命20秒秒充电到到额定电电压，恒恒压充电电10秒秒，100秒放电电到额定定电压的的一半，间间歇时间间：100秒为一一个循环环。一般般可达55000000次次。寿命命终了的的标准为为：电容

56、容量低于于额定容容量200%，EESR增增大到额额定值的的1.55倍。图9额定温温度下纹纹波电流流与寿命命的关系系图100不同同环境温温度下纹纹波电流流与寿命命的关系系(13)发发热 超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器通过过纹波电电流（充充、放电电）时，回回发热，其其发热量量将随着着纹波电电流的增增加而增增加。超超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电容容器发热热的原因因是纹波波电流流流过超级级 HYPERLINK /ProductShop/

57、ShowClass.asp?ClassID=10904 电容器器的等效效串联电电阻（EESR）产产生的功功率（能能量）损损耗转变变为热能能。由于于超级 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器的的（ESSR）较较大，因因此在同同样纹波波电流条条件下发发热量比比一般 HYPERLINK /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10904 电电容器大大。使用用时应注注意77。3.DC/DC 转换器器的工作作原理及及特性 复复合电源源系统中中，DCC/DCC 变换换器是复复合电源源系统能能量管理理的关

58、键键部件。由由于超级级电容和和蓄电池池充放电电特性不不同，超超级电容容的工作作电压变变化较大大，需要要DC/DC 变换器器与蓄电电池连接接，保证证蓄电池池和超级级电容能能够在电电压不同同的情况况下，可可以有效效的进行行能量流流动，从从而最大大限度的的发挥复复合电源源的优势势。3.1元器器件及选选择3.1.11半导体体及电力力器件的的选择 晶晶闸管又又叫可控控硅，由由四层半半导体材材料组成成的，有有三个PPN结，对对外有三三个电极极：第一一层P型型半导体体引出的的电极叫叫阳极AA，第三三层P型型半导体体引出的的电极叫叫控制极极G，第第四层NN型半导导体引出出的电极极叫阴极极K。它它和二极极管一样

59、样是一种种单方向向导电的的器件，关关键是多多了一个个控制极极G，这这就使它它具有与与二极管管完全不不同的工工作特性性。功率场场效应管管(MOOSFEET)由由于单极极性多子子导电，有有高的开开关速度度，但同同时也有有较大的的寄生电电容。它它关断时时，在外外电压作作用下其其寄生电电容充满满电，如如果在它它开通之之前不将将这部分分电荷放放掉，则则将消耗耗于器件件内部，这这就是容容性开通通损耗。为为了减小小以致消消除这种种损耗，功功率场效效应管宜宜采用零零电压开开通方式式(ZVVS)。在在低输入入电压时时，MOOS管中中的导通通损耗快快速增加加的一个个很重要要的原因因就是导导通设备备的电阻阻特性，使

60、使得导通通损耗正正比于输输入电流流的平方方。而IGGBT呈呈现的近近乎是一一个恒压压降，而而且它的的导通损损耗是线线性地正正比于输输入电流流的。这这使得在在大电流流场合时时常用IIGBTT来代替替MOSS管。IIGBTT最大的的不足在在于集电电极存在在电流拖拖尾现象象，使得得它的关关断时间间很长。这这增加了了开关的的关断损损耗，也也限制了了最大开开关频率率。为了了使得整整体的效效率比较较高，因因此IGGBT最最好在ZZCS状状态下关关断。 变变压器是是电力电电子产品品或开关关电源中中重要的的、必不不可少的的部件，平平面变压压器是近近几年才才面世的的一种全全新产品品，其突突出优点点是能量量密度高