產(chǎn)品分類(lèi)
超級(jí)電容器（法拉電容）在電動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用
摘要：超級(jí)電容器電動(dòng)車(chē)以其優(yōu)異的性能、低成本以及零排放建立了全新的交通運(yùn)輸電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)思想。綜述了超級(jí)電容器的基本原理和特點(diǎn)，介紹了超級(jí)電容器在純電動(dòng)車(chē)與混合動(dòng)力車(chē)上的應(yīng)用及發(fā)展。
關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器; 純電動(dòng)車(chē); 混合動(dòng)力車(chē); 應(yīng)用
現(xiàn)在，城市污染氣體的排放中，汽車(chē)已占了50%以上，世界各國(guó)都在尋找汽車(chē)代用燃料。由于石油短缺日益嚴(yán)重人們都漸漸認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)新型汽車(chē)的重要性，即在使用石油和其它能源的同時(shí)盡量降低廢氣的排放。
超級(jí)電容器功率密度大，充放電時(shí)間短，大電流充放電特性好，壽命長(zhǎng)，低溫特性?xún)?yōu)于蓄電池，這些優(yōu)異的性能使它在電動(dòng)車(chē)上有很好的應(yīng)用前景。在城市市區(qū)運(yùn)行的公交車(chē)，其運(yùn)行線路在20 公里以?xún)?nèi)，以超級(jí)電容為唯一能源的電動(dòng)汽車(chē)，一次充電續(xù)駛里程可達(dá)20 公里以上，在城市公交車(chē)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景[1]。
電動(dòng)汽車(chē)屬于新能源汽車(chē)，包括純電動(dòng)汽車(chē)( Battery Electric Vehicle，BEV) 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)( Hybrid Electric Vehicle，HEV) 和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)( Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV) 三種類(lèi)型。它集光、機(jī)、電、化各學(xué)科領(lǐng)域中的最新技術(shù)于一體，是汽車(chē)、電力拖動(dòng)、功率電子、智能控制、化學(xué)電源、計(jì)算機(jī)、新能源和新材料等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)在外形上沒(méi)有什么區(qū)別，它們之間的主要區(qū)別在于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
電動(dòng)汽車(chē)采用蓄電池組作儲(chǔ)能動(dòng)力源，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)。雖然電動(dòng)汽車(chē)的爬坡度、時(shí)速不及傳統(tǒng)汽車(chē)，但在行駛過(guò)程中不排放污染，熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，是一種新型交通工具，被譽(yù)為“明日之星”，受到世界各國(guó)的青睞[2]。
1 超級(jí)電容器簡(jiǎn)介
超級(jí)電容器又稱(chēng)為電化學(xué)電容器，是20 世紀(jì)70 年代末出現(xiàn)的一種新產(chǎn)品，電容量高達(dá)法拉級(jí)。以使用的電極材料來(lái)看，目前主要有3 種類(lèi)型: 高比表面積碳材料超級(jí)電容器、金屬氧化物超級(jí)電容器、導(dǎo)電聚合物超級(jí)電容器。
1.1 基本原理[3]
根據(jù)電化學(xué)電容器儲(chǔ)存電能的機(jī)理的不同，可以將它分為雙電層電容器( Electric double layer capacitor，EDLC) 和贗電容器( Pesudocapacitor) 。碳基材料超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)存的機(jī)理主要是靠碳表面附近形成的雙電層，因此通常稱(chēng)為雙電層電容; 而金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物主要靠氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的贗電容。
雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于庫(kù)侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的兩層電荷，稱(chēng)為界面雙電層。雙電層電容的大小與電極電位和表面積的大小有關(guān)。雙電層電容器電極通常由具有高比表面積的多孔碳材料組成。碳材料具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，其密度低，抗化學(xué)腐蝕性能好，熱膨脹系數(shù)小，可以通過(guò)不同方法制得粉末、顆粒、塊狀、纖維、布、氈等多種形態(tài)。
贗電容是在電極表面或者體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物資進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/ 脫附或氧化/ 還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于贗電容不僅發(fā)生在表面，而且可以深入內(nèi)部，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。相同電極面積下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100 倍。目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。
1.2 與傳統(tǒng)電容器、電池的區(qū)別[4~6]
電化學(xué)電容器和電池的運(yùn)行機(jī)理從原理上就不同。對(duì)于雙電層型超級(jí)電容器，電荷存儲(chǔ)是非法拉第過(guò)程，即理想的沒(méi)有發(fā)生通過(guò)電極界面的電子遷移，電荷和能量的存儲(chǔ)是靜電性的。而對(duì)電池而言，實(shí)質(zhì)上發(fā)生了法拉第過(guò)程，即發(fā)生了穿過(guò)雙層的電子遷移，結(jié)果是發(fā)生了氧化態(tài)的變化和電活性材料化學(xué)性質(zhì)的變化。總的來(lái)說(shuō)，電荷存儲(chǔ)過(guò)程有如下重要的區(qū)別:
( 1) 對(duì)于非法拉第過(guò)程，電荷的聚集靠靜電方式完成，正電荷和負(fù)電荷居于兩個(gè)分開(kāi)的界面上，中間為真空或分子絕緣體，如雙層、電解電容中的云母膜、空氣層或氧化物膜。
( 2) 對(duì)于法拉第過(guò)程，電荷的存儲(chǔ)靠電子遷移完成，電活性材料發(fā)生了化學(xué)變化或氧化態(tài)變化，這些變化遵守法拉第定律并與電極電勢(shì)有關(guān)。在某種情況下就能產(chǎn)生準(zhǔn)電容。這種能量的存儲(chǔ)是間接的。
在比能量和比功率兩個(gè)性能參數(shù)上超級(jí)電容器位于電池和傳統(tǒng)電容之間，循環(huán)壽命和充放電效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電池。由于使用壽命長(zhǎng)通常都超過(guò)了使用其設(shè)備的壽命，所以，超級(jí)電容器終身無(wú)需維護(hù)，加之使用完后，對(duì)環(huán)境要求寬松，無(wú)污染，因而又稱(chēng)其為綠色能源。
1.3 超級(jí)電容器車(chē)用貯電裝置的優(yōu)點(diǎn)[7] ( 1) 超級(jí)電容器是綠色能源，不污染環(huán)境; 化學(xué)電池對(duì)環(huán)境有2 次污染。
( 2) 循環(huán)使用壽命長(zhǎng)(約10 萬(wàn)次); 化學(xué)電池的循環(huán)使用壽命短(200~1000 次)，易損壞。
( 3) 充電速度快(0.3s~15min); 化學(xué)電池的充電時(shí)間長(zhǎng)，一般要3~10h.。
( 4) 充放電效率高(98%); 化學(xué)電池的充放電效率低(70%)。
( 5) 功率密度高(1000~10000W/Kg); 化學(xué)電池功率密度低(300W/Kg)。
( 6) 超級(jí)電容器徹底免維護(hù)，工作溫度范圍寬(- 40～+ 70℃)，容量變化小; 鉛酸電池電動(dòng)車(chē)在-40℃時(shí)，續(xù)駛里程減少90% ，而超級(jí)電容器只減少10%。
( 7) 超級(jí)電容器電動(dòng)大客車(chē)剎車(chē)再生能量回收效率高，常規(guī)制動(dòng)時(shí)回收高達(dá)70%，化學(xué)電池系統(tǒng)的能量回收效率僅為5%。
( 8) 相對(duì)成本低。超級(jí)電容器的價(jià)格比鉛酸電池高一倍，但由于超級(jí)電容器的壽命比化學(xué)電池高10~100 倍，所以超級(jí)電容器電動(dòng)車(chē)的綜合運(yùn)營(yíng)成本大大低于化學(xué)電池。
2 超級(jí)電容器在電動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用
全球每年通過(guò)公交系統(tǒng)在固定線路上出動(dòng)的運(yùn)輸車(chē)輛約是5000 億次，其中人們最普遍使用的運(yùn)輸工具仍是公交車(chē)輛。2000 年的銷(xiāo)售量為18.3 萬(wàn)輛，今后5 年里，每年銷(xiāo)售達(dá)到22.0 萬(wàn)輛。美國(guó)達(dá)4.78萬(wàn)輛。估計(jì)到2010 年公交車(chē)輛的擁有量將達(dá)65 萬(wàn)輛。這么多車(chē)輛若不進(jìn)行改造，仍然采用柴油或汽油，那需要的油料量將成為沉重的負(fù)擔(dān)，造成的空氣污染也很明顯[8]。
據(jù)估計(jì)燃料電池在最近十年內(nèi)還不可能達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)[5]。撇開(kāi)成本昂貴的燃料電池不說(shuō)，我國(guó)已在使用或即將推廣的車(chē)用乙醇汽油、天然氣車(chē)的項(xiàng)目，也擺脫不了高成本的困擾: 由于燃料乙醇的生產(chǎn)成本高于汽油，國(guó)家有關(guān)部門(mén)正在制定補(bǔ)貼方案，以使車(chē)用乙醇汽油的價(jià)格與同號(hào)汽油持平; 由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格比同排量柴油機(jī)成倍增，在全國(guó)率先批量裝備天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的北京市公交總公司有關(guān)人士承認(rèn)，目前天然氣車(chē)主要滿(mǎn)足長(zhǎng)安街一線的運(yùn)營(yíng)需要[9]。
而超級(jí)電容器正好解決了這一難題，超級(jí)電容器的容量有足夠大，成本很低，對(duì)環(huán)境又無(wú)污染。大功率的超級(jí)電容器對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的啟動(dòng)、加速和上坡行駛具有極其重要的意義: 在汽車(chē)啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大功率電流; 在汽車(chē)正常行駛時(shí)由蓄電池快速充電; 在汽車(chē)剎車(chē)時(shí)快速存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的大電流，這些可以減少電動(dòng)汽車(chē)對(duì)蓄電池大電流充電的限制，大大延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性。鑒于電化學(xué)超級(jí)電容器的重要性，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都給予了高度重視，并成為各國(guó)重點(diǎn)的戰(zhàn)略研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。
2.1 在純電動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用及發(fā)展
超級(jí)電容對(duì)整車(chē)動(dòng)力性能的影響主要在于對(duì)續(xù)駛里程的影響。超級(jí)電容的容量、能量密度、放電深度、功率密度等性能參數(shù)都會(huì)影響車(chē)輛行駛的能量消耗和續(xù)駛里程[1]。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁與電子技術(shù)研究所研究出用超級(jí)電容器做儲(chǔ)能器件的電動(dòng)客車(chē)，這是一種只需充電15 分鐘便能連續(xù)行駛25 公里，而最高時(shí)速可達(dá)52 公里的電動(dòng)客車(chē)。據(jù)悉，由該所承擔(dān)的省“十五”科技攻關(guān)重大項(xiàng)目———“以電容為能源的電動(dòng)車(chē)”等3 個(gè)項(xiàng)目，已通過(guò)省科技廳鑒定。該項(xiàng)研究在以電容為能源的電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程、最高車(chē)速等方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這種超級(jí)電容電動(dòng)客車(chē)的研制為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，其性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。該項(xiàng)目在整車(chē)控制技術(shù)、電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電容管理均衡技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了突破和創(chuàng)新。據(jù)了解，目前在國(guó)際上，污染小、節(jié)省能源的電動(dòng)汽車(chē)已引起相當(dāng)高的重視。在電動(dòng)車(chē)的部件中，超級(jí)電容器憑借使用壽命長(zhǎng)、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的重要方向之一。這種以電容為能源的電動(dòng)客車(chē)無(wú)污染、零排放、低溫特性好，適合于北方城市公交運(yùn)行，具有良好的市場(chǎng)前景和社會(huì)效益[10]。
將超級(jí)電容器應(yīng)用到電動(dòng)公交車(chē)上已經(jīng)是一個(gè)很熱門(mén)的話題了。由于公交線路站點(diǎn)是固定不變的，超級(jí)電容器的充電時(shí)間很短，在一分鐘之內(nèi)即可完成，所以可以利用公交車(chē)進(jìn)站的時(shí)間充電，這樣既不影響乘客的乘車(chē)時(shí)間，又不會(huì)像現(xiàn)在的有軌電車(chē)那樣車(chē)頂上必須有兩個(gè)“辮子”，這樣也省去了電車(chē)軌道設(shè)置的費(fèi)用，看起來(lái)也更美觀一些。超級(jí)電容器有個(gè)缺點(diǎn)就是能量密度小，充電一次只能跑20～25km，但它的充電速度快，充完就可以接著跑。跟鉛酸電池比較這一點(diǎn)要好很多，鉛酸電池充一次電得要5～8 小時(shí)，所以只要在線路上合適的地方建立一個(gè)超級(jí)電容器電動(dòng)大客車(chē)充電站就可以了，而投資建設(shè)一個(gè)這樣的充電站的費(fèi)用比建一個(gè)加油站小得多，也比建設(shè)一個(gè)同樣規(guī)模的加氣站或鉛酸電池充電站省錢(qián)。
2.2 在混合動(dòng)力車(chē)上的應(yīng)用
純電動(dòng)汽車(chē)盡管具有上述優(yōu)點(diǎn)，但由于電池容量的限制，致使車(chē)輛在續(xù)駛里程和爬坡、加速性能上不及通常的汽車(chē)。雖然人們?cè)谛铍姵氐难芯块_(kāi)發(fā)上做了多方努力，也難以達(dá)到通常轎車(chē)那樣，加滿(mǎn)油后可行駛400～500 公里的里程[9]。要充分滿(mǎn)足用戶(hù)的欲望，目前僅靠現(xiàn)有蓄電裝置的性能是難以實(shí)現(xiàn)的，于是就有了混合電動(dòng)車(chē)的出現(xiàn)。[11]
混合動(dòng)力車(chē)是專(zhuān)門(mén)為城市公共交通設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，既可用電又可用油，是短期內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)最現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。這種車(chē)與同類(lèi)型的傳統(tǒng)汽車(chē)相比尾氣排放可減少50%～70%，降低燃油消耗30%以上，能夠滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，既有電動(dòng)車(chē)的節(jié)能和低排放的特點(diǎn)，又具有燃油汽車(chē)的方便性能[12]?；旌蟿?dòng)力源電動(dòng)車(chē)按照能量合成的形式主要分為串聯(lián)式(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)和并聯(lián)式(Pararrel Hybrid Electric Vehicle，PHEV) 兩種。在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，利用發(fā)出的電能由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。即發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的動(dòng)能全部要先轉(zhuǎn)換成電能，利用這一電能使車(chē)輛行駛。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，根據(jù)情況來(lái)運(yùn)用這兩個(gè)動(dòng)力源，由于動(dòng)力源是并行的，故稱(chēng)為并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。此外，還存在混聯(lián)式，也稱(chēng)串并聯(lián)式，它可以最大限度地發(fā)揮串聯(lián)式與并聯(lián)式的各自?xún)?yōu)點(diǎn)[13]。
就目前所制造的混合電動(dòng)車(chē)來(lái)看，它的動(dòng)力系統(tǒng)是以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿?，其電力能量貯藏系統(tǒng)通常是二次電源，而目前所應(yīng)用的二次電源存在很多的缺點(diǎn)有待大幅度改進(jìn)，而這些問(wèn)題都可以用超級(jí)電容器代替解決，在內(nèi)燃機(jī)車(chē)的電起動(dòng)系統(tǒng)中采用超大容量電容器輔助起動(dòng)裝置，顯示了較突出的優(yōu)勢(shì)，其表現(xiàn)在[14]:
1. 由于起動(dòng)功率的增加，縮短了柴油- 發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間。柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)加速度增加，提高了燃油點(diǎn)燃質(zhì)量。
2. 降低了起動(dòng)時(shí)蓄電池組的最大電流負(fù)荷，有助于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
3. 確保了起動(dòng)的可靠性，特別是在低溫以及蓄電池組虧電或參數(shù)變壞時(shí)尤為明顯。
4. 在現(xiàn)有蓄電池技術(shù)狀況下，可以有效減小蓄電池容量。
但超級(jí)電容器并不能完全取代電池，因?yàn)樗哪芰棵芏缺容^低。超級(jí)電容器單體的工作電壓較低，因此要通過(guò)多個(gè)電容器單體的串聯(lián)才能得到較高的工作電壓，而多個(gè)單體串聯(lián)對(duì)單體的統(tǒng)一性要求比較高，且串聯(lián)起來(lái)后體系的容量又會(huì)成倍減少?，F(xiàn)在這方面的很多工藝都還在研發(fā)當(dāng)中。
超級(jí)電容的特性正好滿(mǎn)足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的特殊要求。利用超級(jí)電容瞬時(shí)高功率特性，避免了要求發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)和蓄電池提供瞬間大功率的特殊要求，同時(shí)還可以對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，從而可以節(jié)約能源、減少排放污染，尤其適合經(jīng)常在城市行駛的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。在回收制動(dòng)能量方面，汽車(chē)在行駛過(guò)程中至少有30%的能量因熱量散發(fā)和制動(dòng)而消耗掉，特別是在城市行駛，經(jīng)常遇到紅燈，這樣不僅造成能源浪費(fèi)，而且增加環(huán)境污染。
如能把制動(dòng)所消耗的能量回收起來(lái)用于汽車(chē)起動(dòng)、加速，可謂一舉兩得。由于蓄電池充電是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成的，所需時(shí)間較長(zhǎng)，但制動(dòng)時(shí)間較短，因而回收能量效果不佳?，F(xiàn)正處于研究中的飛輪電池，由于精度要求高、制作難度大，短時(shí)間還難以進(jìn)入實(shí)用階段。超級(jí)電容獨(dú)有的特性非常適合用于制動(dòng)過(guò)程中能量回收，而且成本較低，應(yīng)用前景廣闊。
在為發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)提供瞬時(shí)大功率方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)對(duì)蓄電池提出了特殊的要求，蓄電池必須提供瞬間大功率，發(fā)動(dòng)機(jī)才可能起動(dòng)。然而，一般蓄電池不具備這種特性，除非用起動(dòng)點(diǎn)火型電池，但是起動(dòng)點(diǎn)火型電池并不適合長(zhǎng)時(shí)期小電流工作環(huán)境，而且在低溫下經(jīng)常失效，因此也不適合。研究發(fā)現(xiàn)，如果把超級(jí)電容和蓄電池聯(lián)合用在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)揮超級(jí)電容的獨(dú)有特性，構(gòu)成新型的起動(dòng)系統(tǒng)，這個(gè)問(wèn)題就可迎刃而解[15]。 3 結(jié)語(yǔ)
超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能元件，其出現(xiàn)填補(bǔ)了傳統(tǒng)靜電電容器和化學(xué)電源之間的空白，憑借著低成本高性能的優(yōu)勢(shì)，加上對(duì)環(huán)境的無(wú)污染使得人們對(duì)它越來(lái)越重視。隨之對(duì)電動(dòng)汽車(chē)研究的深入，超級(jí)電容器在這方面應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。超級(jí)電容器的高性能決定了其市場(chǎng)前景非常廣闊，而低成本又決定了其顯著的經(jīng)濟(jì)效益。雖然超級(jí)電容器存在著比容量偏低的缺陷，但相信通過(guò)改進(jìn)，一定會(huì)推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)生質(zhì)的飛躍。
