超級(jí)電容在電動(dòng)車(chē)中應(yīng)用研究及發(fā)展趨勢(shì)分析

超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)綜合了超級(jí)電容和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改善電動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，增加電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程，因此將是超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場(chǎng)前景。

由于環(huán)境污染和石油危機(jī)的雙重壓力，電動(dòng)車(chē)已經(jīng)逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動(dòng)車(chē)的能量源泉，但目前電池技術(shù)還不能完全滿足電動(dòng)車(chē)的要求。

超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時(shí)間的功率輸出源，而且還可利用它比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)有效地改善運(yùn)動(dòng)特性。此外，超級(jí)電容還具有內(nèi)阻小，充放電效率高（90％以上）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（幾萬(wàn)至十萬(wàn)次）、無(wú)污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，和其他能量元件（發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、燃料電池等）組成聯(lián)合體共同工作，是實(shí)現(xiàn)能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動(dòng)車(chē)一次充電的續(xù)駛里程。因此，超級(jí)電容在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，將是未來(lái)電動(dòng)車(chē)發(fā)展的重要方向之一。

目前，日本、美國(guó)、瑞士、俄羅斯等國(guó)家都在加緊超級(jí)電容的開(kāi)發(fā)，并研究超級(jí)電容在電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，而我國(guó)超級(jí)電容的生產(chǎn)和應(yīng)用還處于起步階段。

1、超級(jí)電容的機(jī)理與特點(diǎn)

超級(jí)電容（Ultracapacitor）是近期發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能元件，是一種具有超級(jí)儲(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈動(dòng)功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)數(shù)萬(wàn)法。超級(jí)電容按儲(chǔ)能機(jī)理主要分為三類(lèi)：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容；③由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電容。

由于雙電層電容的充放電純屬于物理過(guò)程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過(guò)程快，因此比較適合在電動(dòng)車(chē)中應(yīng)用。雙電層超級(jí)電容是靠極化電解液來(lái)儲(chǔ)存電能的一種新型儲(chǔ)能裝置，其原理結(jié)構(gòu)如圖l所示。當(dāng)向電極充電時(shí)，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周?chē)娊赓|(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于超級(jí)電容與傳統(tǒng)電容相比，儲(chǔ)存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個(gè)超級(jí)電容單元的電容量就高達(dá)幾法至數(shù)萬(wàn)法。由于采用了特殊的工藝，超級(jí)電容的等效電阻很低，電容量大且內(nèi)阻小。使得超級(jí)電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達(dá)蓄電池的50～100倍，可達(dá)到10kW／kg左右，這個(gè)特點(diǎn)使超級(jí)電容非常適合于短時(shí)大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。

超級(jí)電容具有極其優(yōu)良的充、放電性能，在額定電壓范圍內(nèi)，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時(shí)則可以放出所存儲(chǔ)的全部電能，而且沒(méi)有蓄電池快速充電和放電的損壞問(wèn)題。此外，超級(jí)電容還具有不污染環(huán)境及機(jī)械強(qiáng)度高、安全性好（防火、防爆）、使用過(guò)程中免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)（大于10年）和工作溫度范圍寬（一30℃～ 45℃）等優(yōu)點(diǎn)，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定。超級(jí)電容與鉛酸電池和普通電容的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

2、應(yīng)用研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究進(jìn)展

由于超級(jí)電容的優(yōu)越性能和近年來(lái)對(duì)超級(jí)電容開(kāi)發(fā)能力的提高，因此超級(jí)電容在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前，世界各國(guó)爭(zhēng)相研究、并越來(lái)越多地將其應(yīng)用到電動(dòng)車(chē)上。超級(jí)電容已經(jīng)成為電動(dòng)車(chē)電源發(fā)展的新趨勢(shì)，而超級(jí)電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來(lái)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力問(wèn)題的最佳途徑之一。

日本的情況

日本本是將超級(jí)電容應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的先驅(qū)，超級(jí)電容是近年來(lái)日本電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的重要領(lǐng)域之一。本田的FCX燃料電池一超級(jí)電容混合動(dòng)力車(chē)是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的燃料電池轎車(chē)，該車(chē)已于2002年在日本和美國(guó)的加州上市。日產(chǎn)公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級(jí)電容的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車(chē)，此外還推出了天然氣一超級(jí)電容混合動(dòng)力客車(chē)，該車(chē)的經(jīng)濟(jì)性是原來(lái)傳統(tǒng)天然氣汽車(chē)的2.4倍。目前，裝備超級(jí)電容的混合動(dòng)力電動(dòng)公交車(chē)已經(jīng)成為日本的國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目。

歐美的狀況

瑞士的PSI研究所給一輛48kW的燃料電池車(chē)安裝了儲(chǔ)能360Wh的超級(jí)電容組，超級(jí)電容承擔(dān)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在減速和起動(dòng)時(shí)的全部瞬態(tài)功率，以50kW的15s額定脈沖功率來(lái)協(xié)助燃料電池工作，牽引電機(jī)額定連續(xù)功率為45kW，峰值功率為75kW，采用360V的直流電源。大眾Bora實(shí)驗(yàn)車(chē)進(jìn)行的燃油消耗測(cè)試結(jié)果表明其油耗少于7L／100km，而相同質(zhì)量的BMW7系列油耗則為10.7L／100km。1996年俄羅斯的Eltran公司研制出以超級(jí)電容作電源的電動(dòng)汽車(chē)，采用300個(gè)電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時(shí)速為25km／h。美國(guó)在超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車(chē)方面的研究也取得了一定進(jìn)展，Maxwell公司所開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容器在各種類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)上都得到了良好的應(yīng)用。美國(guó)NASALewis研究中心研制的混合動(dòng)力客車(chē)采用超級(jí)電容作為主要的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

中國(guó)的現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)以超級(jí)電容作為惟一能源的電動(dòng)汽車(chē)的研究取得了一定的進(jìn)展，2004年7月我國(guó)首部“電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無(wú)軌電車(chē)”在上海張江投入試運(yùn)行，該公交車(chē)?yán)贸?jí)電容比功率大和公共交通定點(diǎn)停車(chē)的特點(diǎn)，當(dāng)電車(chē)停靠站時(shí)在30s內(nèi)快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時(shí)速可達(dá)44km／h。2005年1月上海交通大學(xué)與山東煙臺(tái)市簽署協(xié)議，共同投資開(kāi)發(fā)超級(jí)電容公交電車(chē)，計(jì)劃在煙臺(tái)福山區(qū)建一條12km的示范線，在福山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)建立年產(chǎn)1萬(wàn)輛新型環(huán)保超級(jí)電容公交車(chē)的生產(chǎn)基地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團(tuán)研制的超級(jí)電容電動(dòng)公交車(chē)，可容納50名乘客，最高速度20km／h。但是，國(guó)內(nèi)目前對(duì)超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)及控制，基本上還處于起步階段。