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超級電容器（法拉電容）在電動車上的應用
摘要：超級電容器電動車以其優異的性能、低成本以及零排放建立了全新的交通運輸電動車的設計思想。綜述了超級電容器的基本原理和特點，介紹了超級電容器在純電動車與混合動力車上的應用及發展。
關鍵詞：超級電容器; 純電動車; 混合動力車; 應用
現在，城市污染氣體的排放中，汽車已占了50%以上，世界各國都在尋找汽車代用燃料。由于石油短缺日益嚴重人們都漸漸認識到開發新型汽車的重要性，即在使用石油和其它能源的同時盡量降低廢氣的排放。
超級電容器功率密度大，充放電時間短，大電流充放電特性好，壽命長，低溫特性優于蓄電池，這些優異的性能使它在電動車上有很好的應用前景。在城市市區運行的公交車，其運行線路在20 公里以內，以超級電容為唯一能源的電動汽車，一次充電續駛里程可達20 公里以上，在城市公交車將會有廣闊的應用前景[1]。
電動汽車屬于新能源汽車，包括純電動汽車( Battery Electric Vehicle，BEV) 、混合動力電動汽車( Hybrid Electric Vehicle，HEV) 和燃料電池電動汽車( Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV) 三種類型。它集光、機、電、化各學科領域中的最新技術于一體，是汽車、電力拖動、功率電子、智能控制、化學電源、計算機、新能源和新材料等工程技術中最新成果的集成產物。電動汽車與傳統汽車在外形上沒有什么區別，它們之間的主要區別在于動力驅動系統。
電動汽車采用蓄電池組作儲能動力源，給電機驅動系統提供電能，驅動電動機，推動車輪前進。雖然電動汽車的爬坡度、時速不及傳統汽車，但在行駛過程中不排放污染，熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，結構簡單，使用維修方便，是一種新型交通工具，被譽為“明日之星”，受到世界各國的青睞[2]。
1 超級電容器簡介
超級電容器又稱為電化學電容器，是20 世紀70 年代末出現的一種新產品，電容量高達法拉級。以使用的電極材料來看，目前主要有3 種類型: 高比表面積碳材料超級電容器、金屬氧化物超級電容器、導電聚合物超級電容器。
1.1 基本原理[3]
根據電化學電容器儲存電能的機理的不同，可以將它分為雙電層電容器( Electric double layer capacitor，EDLC) 和贗電容器( Pesudocapacitor) 。碳基材料超級電容器能量儲存的機理主要是靠碳表面附近形成的雙電層，因此通常稱為雙電層電容; 而金屬氧化物和導電聚合物主要靠氧化還原反應產生的贗電容。
雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當電極和電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現穩定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層。雙電層電容的大小與電極電位和表面積的大小有關。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。碳材料具有優良的導熱和導電性能，其密度低，抗化學腐蝕性能好，熱膨脹系數小，可以通過不同方法制得粉末、顆粒、塊狀、纖維、布、氈等多種形態。
贗電容是在電極表面或者體相的二維或準二維空間上，電活性物資進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/ 脫附或氧化/ 還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。由于贗電容不僅發生在表面，而且可以深入內部，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電聚合物。
1.2 與傳統電容器、電池的區別[4~6]
電化學電容器和電池的運行機理從原理上就不同。對于雙電層型超級電容器，電荷存儲是非法拉第過程，即理想的沒有發生通過電極界面的電子遷移，電荷和能量的存儲是靜電性的。而對電池而言，實質上發生了法拉第過程，即發生了穿過雙層的電子遷移，結果是發生了氧化態的變化和電活性材料化學性質的變化?？偟膩碚f，電荷存儲過程有如下重要的區別:
( 1) 對于非法拉第過程，電荷的聚集靠靜電方式完成，正電荷和負電荷居于兩個分開的界面上，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) 對于法拉第過程，電荷的存儲靠電子遷移完成，電活性材料發生了化學變化或氧化態變化，這些變化遵守法拉第定律并與電極電勢有關。在某種情況下就能產生準電容。這種能量的存儲是間接的。
在比能量和比功率兩個性能參數上超級電容器位于電池和傳統電容之間，循環壽命和充放電效率都遠遠高于電池。由于使用壽命長通常都超過了使用其設備的壽命，所以，超級電容器終身無需維護，加之使用完后，對環境要求寬松，無污染，因而又稱其為綠色能源。
1.3 超級電容器車用貯電裝置的優點[7] ( 1) 超級電容器是綠色能源，不污染環境; 化學電池對環境有2 次污染。
( 2) 循環使用壽命長(約10 萬次); 化學電池的循環使用壽命短(200~1000 次)，易損壞。
( 3) 充電速度快(0.3s~15min); 化學電池的充電時間長，一般要3~10h.。
( 4) 充放電效率高(98%); 化學電池的充放電效率低(70%)。
( 5) 功率密度高(1000~10000W/Kg); 化學電池功率密度低(300W/Kg)。
( 6) 超級電容器徹底免維護，工作溫度范圍寬(- 40～+ 70℃)，容量變化小; 鉛酸電池電動車在-40℃時，續駛里程減少90% ，而超級電容器只減少10%。
( 7) 超級電容器電動大客車剎車再生能量回收效率高，常規制動時回收高達70%，化學電池系統的能量回收效率僅為5%。
( 8) 相對成本低。超級電容器的價格比鉛酸電池高一倍，但由于超級電容器的壽命比化學電池高10~100 倍，所以超級電容器電動車的綜合運營成本大大低于化學電池。
2 超級電容器在電動車上的應用
全球每年通過公交系統在固定線路上出動的運輸車輛約是5000 億次，其中人們最普遍使用的運輸工具仍是公交車輛。2000 年的銷售量為18.3 萬輛，今后5 年里，每年銷售達到22.0 萬輛。美國達4.78萬輛。估計到2010 年公交車輛的擁有量將達65 萬輛。這么多車輛若不進行改造，仍然采用柴油或汽油，那需要的油料量將成為沉重的負擔，造成的空氣污染也很明顯[8]。
據估計燃料電池在最近十年內還不可能達到規?；a[5]。撇開成本昂貴的燃料電池不說，我國已在使用或即將推廣的車用乙醇汽油、天然氣車的項目，也擺脫不了高成本的困擾: 由于燃料乙醇的生產成本高于汽油，國家有關部門正在制定補貼方案，以使車用乙醇汽油的價格與同號汽油持平; 由于天然氣發動機的價格比同排量柴油機成倍增，在全國率先批量裝備天然氣發動機的北京市公交總公司有關人士承認，目前天然氣車主要滿足長安街一線的運營需要[9]。
而超級電容器正好解決了這一難題，超級電容器的容量有足夠大，成本很低，對環境又無污染。大功率的超級電容器對于電動汽車的啟動、加速和上坡行駛具有極其重要的意義: 在汽車啟動和爬坡時快速提供大功率電流; 在汽車正常行駛時由蓄電池快速充電; 在汽車剎車時快速存儲發電機產生的大電流，這些可以減少電動汽車對蓄電池大電流充電的限制，大大延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的實用性。鑒于電化學超級電容器的重要性，各工業發達國家都給予了高度重視，并成為各國重點的戰略研究和開發項目。
2.1 在純電動車上的應用及發展
超級電容對整車動力性能的影響主要在于對續駛里程的影響。超級電容的容量、能量密度、放電深度、功率密度等性能參數都會影響車輛行駛的能量消耗和續駛里程[1]。
哈爾濱工業大學電磁與電子技術研究所研究出用超級電容器做儲能器件的電動客車，這是一種只需充電15 分鐘便能連續行駛25 公里，而最高時速可達52 公里的電動客車。據悉，由該所承擔的省“十五”科技攻關重大項目———“以電容為能源的電動車”等3 個項目，已通過省科技廳鑒定。該項研究在以電容為能源的電動車續駛里程、最高車速等方面達到了國際先進水平。這種超級電容電動客車的研制為國內首創，其性能指標達到了國際同類產品的先進水平。該項目在整車控制技術、電驅動技術、電容管理均衡技術方面實現了突破和創新。據了解，目前在國際上，污染小、節省能源的電動汽車已引起相當高的重視。在電動車的部件中，超級電容器憑借使用壽命長、安全性強等特點，已成為電動汽車開發的重要方向之一。這種以電容為能源的電動客車無污染、零排放、低溫特性好，適合于北方城市公交運行，具有良好的市場前景和社會效益[10]。
將超級電容器應用到電動公交車上已經是一個很熱門的話題了。由于公交線路站點是固定不變的，超級電容器的充電時間很短，在一分鐘之內即可完成，所以可以利用公交車進站的時間充電，這樣既不影響乘客的乘車時間，又不會像現在的有軌電車那樣車頂上必須有兩個“辮子”，這樣也省去了電車軌道設置的費用，看起來也更美觀一些。超級電容器有個缺點就是能量密度小，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要好很多，鉛酸電池充一次電得要5～8 小時，所以只要在線路上合適的地方建立一個超級電容器電動大客車充電站就可以了，而投資建設一個這樣的充電站的費用比建一個加油站小得多，也比建設一個同樣規模的加氣站或鉛酸電池充電站省錢。
2.2 在混合動力車上的應用
純電動汽車盡管具有上述優點，但由于電池容量的限制，致使車輛在續駛里程和爬坡、加速性能上不及通常的汽車。雖然人們在蓄電池的研究開發上做了多方努力，也難以達到通常轎車那樣，加滿油后可行駛400～500 公里的里程[9]。要充分滿足用戶的欲望，目前僅靠現有蓄電裝置的性能是難以實現的，于是就有了混合電動車的出現。[11]
混合動力車是專門為城市公共交通設計開發的，既可用電又可用油，是短期內電動汽車最現實的產業化產品。這種車與同類型的傳統汽車相比尾氣排放可減少50%～70%，降低燃油消耗30%以上，能夠滿足日益嚴格的環保要求，既有電動車的節能和低排放的特點，又具有燃油汽車的方便性能[12]?；旌蟿恿υ措妱榆嚢凑漳芰亢铣傻男问街饕譃榇撌?Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)和并聯式(Pararrel Hybrid Electric Vehicle，PHEV) 兩種。在串聯式混合動力系統中，由發動機驅動發電機，利用發出的電能由電動機驅動車輪。即發動機所發出的動能全部要先轉換成電能，利用這一電能使車輛行駛。并聯式混合動力系統采用的是發動機與電動機驅動車輪，根據情況來運用這兩個動力源，由于動力源是并行的，故稱為并聯式混合動力系統。此外，還存在混聯式，也稱串并聯式，它可以最大限度地發揮串聯式與并聯式的各自優點[13]。
就目前所制造的混合電動車來看，它的動力系統是以燃油發動機作為主要動力，其電力能量貯藏系統通常是二次電源，而目前所應用的二次電源存在很多的缺點有待大幅度改進，而這些問題都可以用超級電容器代替解決，在內燃機車的電起動系統中采用超大容量電容器輔助起動裝置，顯示了較突出的優勢，其表現在[14]:
1. 由于起動功率的增加，縮短了柴油- 發電機組的起動時間。柴油機旋轉加速度增加，提高了燃油點燃質量。
2. 降低了起動時蓄電池組的最大電流負荷，有助于延長蓄電池的使用壽命。
3. 確保了起動的可靠性，特別是在低溫以及蓄電池組虧電或參數變壞時尤為明顯。
4. 在現有蓄電池技術狀況下，可以有效減小蓄電池容量。
但超級電容器并不能完全取代電池，因為它的能量密度比較低。超級電容器單體的工作電壓較低，因此要通過多個電容器單體的串聯才能得到較高的工作電壓，而多個單體串聯對單體的統一性要求比較高，且串聯起來后體系的容量又會成倍減少?，F在這方面的很多工藝都還在研發當中。
超級電容的特性正好滿足混合動力電動汽車的特殊要求。利用超級電容瞬時高功率特性，避免了要求發動機頻繁起動和蓄電池提供瞬間大功率的特殊要求，同時還可以對制動能量進行回收利用，從而可以節約能源、減少排放污染，尤其適合經常在城市行駛的混合動力電動汽車。在回收制動能量方面，汽車在行駛過程中至少有30%的能量因熱量散發和制動而消耗掉，特別是在城市行駛，經常遇到紅燈，這樣不僅造成能源浪費，而且增加環境污染。
如能把制動所消耗的能量回收起來用于汽車起動、加速，可謂一舉兩得。由于蓄電池充電是通過化學反應來完成的，所需時間較長，但制動時間較短，因而回收能量效果不佳?，F正處于研究中的飛輪電池，由于精度要求高、制作難度大，短時間還難以進入實用階段。超級電容獨有的特性非常適合用于制動過程中能量回收，而且成本較低，應用前景廣闊。
在為發動機冷起動時提供瞬時大功率方面，發動機的冷起動對蓄電池提出了特殊的要求，蓄電池必須提供瞬間大功率，發動機才可能起動。然而，一般蓄電池不具備這種特性，除非用起動點火型電池，但是起動點火型電池并不適合長時期小電流工作環境，而且在低溫下經常失效，因此也不適合。研究發現，如果把超級電容和蓄電池聯合用在發動機起動系統，發揮超級電容的獨有特性，構成新型的起動系統，這個問題就可迎刃而解[15]。 3 結語
超級電容器作為一種新型儲能元件，其出現填補了傳統靜電電容器和化學電源之間的空白，憑借著低成本高性能的優勢，加上對環境的無污染使得人們對它越來越重視。隨之對電動汽車研究的深入，超級電容器在這方面應用的優勢也越來越明顯。超級電容器的高性能決定了其市場前景非常廣闊，而低成本又決定了其顯著的經濟效益。雖然超級電容器存在著比容量偏低的缺陷，但相信通過改進，一定會推動汽車行業發生質的飛躍。
