超级电容器在电动车上的应用

中心议题：

超级电容器基本原理

与传统电容器、电池的区别

解决方案：

超级电容器在刹车时再生能量回收

在启动和爬坡时快速提供大功率电流

现在，城市污染气体的排放中，汽车已占了70％以上，世界各国都在寻找汽车代用燃料。由于石油短缺日益严重人们都渐渐认识到开发新型汽车的重要性，即在使用石油和其它能源的同时尽量降低废气的排放。
超级电容器功率密度大，充放电时间短，大电流充放电特性好，寿命长，低温特性优于蓄电池，这些优异的性能使它在电动车上有很好的应用前景。

在城市市区运行的公交车，其运行线路在20公里以内，以超级电容为唯一能源的电动汽车，一次充电续驶里程可达20公里以上，在城市公交车将会有广阔的应用前景。

电动汽车属于新能源汽车，包括纯电动汽车，BEV）、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）三种类型。它集光、机、电、化各学科领域中的最新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车与传统汽车在外形上没有什么区别，它们之间的主要区别在于动力驱动系统。

电动汽车采用蓄电池组作储能动力源，给电机驱动系统提供电能，驱动电动机，推动车轮前进。虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车，但在行驶过程中不排放污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，结构简单，使用维修方便，是一种新型交通工具，被誉为“明日之星”，受到世界各国的青睐。

超级电容器简介

超级电容器又称为电化学电容器，是20世纪年代末出现的一种新产品，电容量高达法拉级。以使用的电极材料来看，目前主要有3种类型：高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。

1基本原理

根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器，EDLC）和赝电容器（Pesudocapaeitor）。碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容；而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。

双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。双电层电容的大小与电极电位和表面积的大小有关。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孑L碳材料组成。碳材料具有优良的导热和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。

赝电容是在电极表面或者体相的二维或准二维空间上，电活性物资进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附／脱附或氧化／还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于赝电容不仅发生在表面，而且可以深入内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极面积下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。

2与传统电容器、电池的区别

电化学电容器和电池的运行机理从原理上就不同。对于双电层型超级电容器，电荷存储是非法拉第过程，即理想的没有发生通过电极界面的电子迁移，电荷和能量的存储是静电性的。而对电池而言，实质上发生了法拉第过程，即发生了穿过双层的电子迁移，结果是发生了氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化。总的来说，电荷存储过程有如下重要的区别：

对于非法拉第过程，电荷的聚集靠静电方式完成，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上。
中间为真空或分子绝缘体，如双层、电解电容中的云母膜、空气层或氧化物膜。
对于法拉第过程，电荷的存储靠电子迁移完成，电活性材料发生了化学变化或氧化态变化，这些变化遵守法拉第定律并与电极电势有关在某种情况下就能产生准电容。这种能量的存储是间接的。

在比能量和比功率两个性能参数上超级电容器位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远远高于电池。由于使用寿命长通常都超过了使用其设备的寿命，所以，超级电容器终身无需维护，加之使用完后，对环境要求宽松，无污染，因而又称其为绿色能源。；超级电容器车用贮电装置的优点超级电容器是绿色能源不污染环境化学电池对环境有2次污染。

循环使用寿命长（约l0万次）；化学电池的循环使用寿命短（20o～1000次），易损坏。

充电速度快（0.3s～15min）；化学电池的充电时间长，一般要3～l0h……‘充放电效率高（98％）；化学电池的充放电效率低（70％）。

功率密度高（1OOO～IO000W／Kg）；化学电池功率密度低（300W／Kg）。。

超级电容器彻底免维护，工作温度范围宽一40～+70～C），容量变化小；铅酸电池电动车在一℃时，续驶里程减少90％，而超级电容器只减少10％。

超级电容器电动大客车刹车再生能量回收效率高，常规制动时回收高达70％，化学电池能量回收效率仅为5％。

相对成本低。超级电容器的价格比铅酸电池高一倍，但由于超级电容器的寿命比化学电池高～100倍，所以超级电容器电动车的综合运营成本大大低于化学电池。
超级电容器在电动车上的应用
全球每年通过公交系统在固定线路上出动的运输车辆约是5000亿次，其中人们最普遍使用的运输工具仍是公交车辆。2000年的销售量为l8-3万辆，今后5年里，每年销售达到22。0万辆。美国达4.0万辆。估计到2010年公交车辆的拥有量将达65万辆。这么多车辆若不进行改造，仍然采用柴油或汽油，那需要的油料量将成为沉重的负担，造成的空气污染也很明显圈。

据估计燃料电池在最近十年内还不可能达到规模化生产嘲。撇开成本昂贵的燃料电池不说，我国已在使用或即将推广的车用乙醇汽油、天然气车的项目，也摆脱不了高成本的困扰：由于燃料乙醇的生产成本高于汽油，国家有关部门正在制定补贴方寨，以使车用乙醇汽油的价格与同号汽油持平；研究与探讨然气发动机的价格比同排量柴油机成倍增，在全国率先批量装备天然气发动机的北京市公交总公司有关人士承认，目前天然气车主要满足长安街一线的运营需要191。

而超级电容器正好解决了这一难题，超级电容器的容量有足够大，成本很低，对环境又无污染。

大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极其重要的意义：在汽车启动和爬坡时快速提供大功率电流；在汽车正常行驶时由蓄电池快速充电；在汽车刹车时快速存储发电机产生的大电流，这些可以减少电动汽车对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性。鉴于电化学超级电容器的重要性，各工业发达国家都给予了高度重视，并成为各国重点的战略研究和开发项目。

在纯电动车上的应用及发展

超级电容对整车动力性能的影响主要在于对续驶里程的影响。超级电容的容量、能量密度、放电深度、功率密度等性能参数都会影响车辆行驶的能量消耗和续驶里程川。

哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所研究出用超级电容器做储能器件的电动客车，这是一种只需充电I5分钟便能连续行驶25公里，而最高时速可达52公里的电动客车。据悉，由该所承担的省“十五”科技攻关重大项目——“以电容为能源的电动车”

等3个项目，已通过省科技厅鉴定。该项研究在以电容为能源的电动车续驶里程、最高车速等方面达到了国际先进水平。这种超级电容电动客车的研制为国内首创，其性能指标达到了国际同类产品的先进水平。

该项目在整车控制技术、电驱动技术、电容管理均衡技术方面实现了突破和创新。据了解，目前在国际上，污染小、节省能源的电动汽车已引起相当高的重视。在电动车的部件中，超级电容器凭借使用寿命长、安全性强等特点，已成为电动汽车开发的重要方向之一。这种以电容为能源的电动客车无污染、零排放、低温特性好，适合于北方城市公交运行，具有良好的市场前景和社会效益I嘲。

将超级电容器应用到电动公交车上已经是一个很热门的话题了。由于公交线路站点是固定不变的，超级电容器的充电时间很短