超級電容器及其在新能源汽車中的應用

李玉鵬，周時國，杜穎穎

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450016）

超級電容器及其在新能源汽車中的應用

李玉鵬，周時國，杜穎穎

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450016）

作為一種介于傳統(tǒng)電容器及電池之間的新型儲能元件，超級電容器具有超大容量、高功率密度、長循環(huán)壽命、高充放電效率等特點。本文介紹超級電容器的原理與特點，概述國內(nèi)外超級電容器的發(fā)展現(xiàn)狀以及其在新能源汽車中的應用情況。

新能源汽車；超級電容器；應用

由于環(huán)境污染和能源緊缺日益嚴重，使新能源汽車技術在世界范圍內(nèi)被高度重視。超級電容器具有很高的功率密度、非常短的充放電時間、極長的循環(huán)使用壽命以及極高的可靠性和安全性等獨特的優(yōu)點[1-2]，并且能和其它動力源（發(fā)動機、電池、燃料電池等）組成聯(lián)合體共同工作，是實現(xiàn)能量回收利用、降低環(huán)境污染、提高新能源汽車續(xù)駛里程的有效途徑。所以，超級電容器在新能源汽車領域有著非常廣闊的應用前景，是未來新能源汽車開發(fā)的重要方向之一。

1 超級電容器的原理及特點

超級電容器，又叫作電化學電容器，已經(jīng)有50多年的歷史，被認為是一種介于普通電容和電池之間的另一種有潛力的電化學儲能元件，其工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)儲存電能機理的不同，可分為兩類[3-4]：一類是當電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力、原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，由電極與電解液之間形成的界面雙層來儲存能量的雙電層電容器（Electric Double Layer Capacitor）；另一類是在電極表面或體相中的二維與準二維空間上，電化學活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產(chǎn)生與電極充電電位有關電容的法拉第準電容器（Faraday Pseudocapacitor）。由于雙電層電容器的充放電純屬于物理過程，所以其充放電效率高，循環(huán)壽命長，充放電過程快，因此，比較適合在新能源汽車中應用。

超級電容器作為一種新型的儲能元件，填補了傳統(tǒng)電容器和電池之間的空白。它能夠提供比普通電容器更高的比能量和比電池更高的比功率以及更長的循環(huán)壽命，同時，還具有比電池耐溫和免維護的特點。當前研制成功的超級電容器具有如下優(yōu)點[5-7]：

1）電容量超高。由于超級電容器與傳統(tǒng)電容器相比，儲存電荷的面積大很多，電荷被隔離的距離小得多，因此，一個超級電容器單元的電容量就高達幾法至數(shù)萬法，比同體積的普通電容器電容量大2 000～6 000倍。

2）功率密度很高。由于采用了特殊的工藝，超級電容器的等效電阻很小，并且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的快速儲存和釋放，因而它的輸出功率密度很高，可達到10 kW/kg左右，是一般電池的數(shù)十倍，是任何一個化學電源都無法比擬的。

3）貯存壽命極長。超級電容充電后貯存過程中，雖然也有微小的漏電電流存在，但這種發(fā)生在電容器內(nèi)部的離子或質(zhì)子遷移運動乃是在電場的作用下發(fā)生的，并沒有出現(xiàn)化學或電化學反應，沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)。再者，所用的電極材料在相應的電解液中也是穩(wěn)定的，因而超級電容的貯存壽命幾乎可以認為是無限的。

4）充放電循環(huán)壽命長。超級電容器在充放電過程中，沒有發(fā)生電化學反應，其充放電循環(huán)次數(shù)可達10萬次以上。

5）可靠性高。超級電容工作工程中沒有運動部件，維護工作極少，也不必像電池那樣需要定期充放電維護，因而超級電容器的可靠性是非常高的。

6）工作溫度范圍寬。超級電容能在-40℃～+70℃的環(huán)境溫度中正常運行；而電池一般是-20℃～+60℃。

7）充放電效率高。超級電容器在充放電過程中，通常不會對電極材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，效率可達85%～98%。

8）充放電時間非常短?？纱箅娏鞒浞烹姡褂帽憬?；對過充電有一定的承受能力，短時過壓不會產(chǎn)生嚴重影響；對瞬間高電壓或短路大電流具有一定的緩沖能力，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

但是，超級電容器也有自身一些不足之處，具體表現(xiàn)如下：能量密度偏低，作為純電動應用續(xù)駛里程太短；線性放電，使其無法完全放電；自放電較大，長時間放置電壓會很快下降；單體工作電壓低，需要較多的數(shù)量串聯(lián)才能得到較高的工作電壓，對單體的一致性要求很高；價格高。

這些特點決定了超級電容器主要用于混合動力車作為功率輔助應用，或者與其他動力源組成聯(lián)合體共同工作。超級電容器與電池和普通電容器的主要性能比較如表1所示。

表1 電池、超級電容器和普通電容器的主要性能參數(shù)

2 在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應用情況

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

超級電容器自面市以來，全球需求量快速擴大，已成為化學電源領域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點。

1）國外研究超級電容器起步較早，技術相對比較成熟。它們均把超級電容器項目作為國家級的重點研究和開發(fā)項目，提出了近期和中長期發(fā)展計劃。美國、日本、俄羅斯、韓國的一些公司憑借多年的研究開發(fā)和技術積累，目前處于領先地位，幾乎占據(jù)了整個超級電容市場。這些國家的超級電容器產(chǎn)品在功率、容量、價格等方面各有各的特點與優(yōu)勢。美國的Maxwell公司的UC系列產(chǎn)品體積小、內(nèi)阻小、產(chǎn)品一致性好，串并聯(lián)容易，但價格較高。日本的NEC公司、松下公司、Tokin公司、NCC公司均有系列超級電容產(chǎn)品，大多為圓柱形，規(guī)格較為齊全，適用范圍廣，占據(jù)較大的市場。俄羅斯的ECOND公司對超級電容器已有30多年的研究歷史，該公司代表俄羅斯的先進水平，其產(chǎn)品以大功率超級電容器產(chǎn)品為主，適用于用作新能源汽車動力源，且有價格優(yōu)勢。俄羅斯的Esma公司是生產(chǎn)水基混合型超級電容器的代表，然而，Esma公司目前還沒有形成規(guī)模化生產(chǎn)能力。韓國的Ness公司、LS公司一直致力于開發(fā)高比功率和高比能量的超級電容器。在超級電容器的研究中，許多工作都是開發(fā)在各種電解液中有較高比能量的電極材料。

2）與國外相比，我國超級電容器的研究起步晚，始于20世紀90年代末。但近年來，由于看好這一領域廣闊的應用前景，國內(nèi)一些公司也開始積極涉足這一產(chǎn)業(yè)，并且已經(jīng)具備了一定的技術實力和產(chǎn)業(yè)化能力。目前，國內(nèi)從事大容量超級電容器研發(fā)的廠家共有50多家，能夠批量生產(chǎn)并達到實用化水平的廠家主要有：天津力神、錦州錦容、北京集星、上海奧威、哈爾濱巨容等。目前這些廠家生產(chǎn)的超級電容器在新能源汽車上均有應用，其產(chǎn)品的技術指標已經(jīng)達到了國際同類產(chǎn)品水平。其中天津力神公司與美國Maxwell公司合作，產(chǎn)品性能達到國內(nèi)領先；上海奧威以開發(fā)超級電容器新能源汽車為研發(fā)目標，并將上海11路公共汽車作為超級電容器新能源汽車的示范運營線；北京集星主要以卷繞型活性炭纖維布作電極，生產(chǎn)高電壓和高容量的有機超級電容器。國內(nèi)外主要超級電容器的主要性能比較如表2所示。

表2 國內(nèi)外主要超級電容器的主要性能參數(shù)

2.2 在新能源汽車中的應用情況

由于超級電容器的優(yōu)越性能和近年來對超級電容器開發(fā)能力的提高，世界各國爭相研究，并越來越多地將其應用到新能源汽車上，超級電容器已經(jīng)成為新能源汽車電源發(fā)展的新趨勢。目前，美國、日本、俄羅斯、瑞士、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發(fā)和技術積累處于領先地位，而我國超級電容器的應用還處于起步階段[8-9]。

超級電容器按電解液進行分類，可以分為水系超級電容和有機系超級電容，超級電容器在新能源汽車中的應用目前主要有兩種模式：以水系超級電容器為主作電源的純電動模式和以有機系超級電容器為主作電源的混合動力模式。

1）純電動模式。采用以超級電容器電源電機為主的電機直驅(qū)控制策略：當汽車行駛時，電機直接驅(qū)動整車；當汽車制動時，電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機，盡可能地回收能量。

2）混合動力模式。采用以發(fā)動機為主，超級電容器電源電機為輔的電機輔助控制策略[10-12]：當汽車起步時，速度低于所設定值，電機單獨驅(qū)動整車；當車速達到所設定值時，電機關閉，發(fā)動機單獨驅(qū)動整車，富裕功率向超級電容器充電；當汽車在加速、爬坡及大負荷情況下，發(fā)動機和電機共同驅(qū)動整車；當汽車在制動時，電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機，盡可能地回收能量。

2.2.1 國外的情況

日本是將超級電容器應用于混合動力新能源汽車的先驅(qū)。近年來，超級電容器是日本新能源汽車動力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領域之一。本田燃料電池-超級電容器混合動力車是世界上最早實現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，其第5代FCX使用了自行開發(fā)研制的超級電容器來取代電池，減少了汽車的質(zhì)量和體積，使系統(tǒng)效率增加。FCX能快速達到較大的輸出功率，改善燃料電池車啟動和加速性能，并縮短啟動時間。

美國能源部在20世紀90年代就在《商業(yè)日報》上發(fā)表聲明，強烈建議發(fā)展超級電容器技術，并使這項技術應用于新能源汽車上。目前，Maxwell公司所開發(fā)的超級電容器在各種類型新能源汽車上都得到了良好的應用，而且美國NASALewis研究中心研制的混合動力客車采用超級電容器作為主要的能量存儲系統(tǒng)。

俄羅斯的Eltran公司早在1996年就已研制出了采用純超級電容為電源的新能源汽車樣車，采用300個超級電容串聯(lián)，可載20人，充電一次可行駛12 km。

在德國，西門子公司和大眾公司都在將超級電容應用于整車的制動能量回饋系統(tǒng)。

此外，瑞士的PSI研究所、法國SAFT公司、韓國Ness公司等也都在加緊新能源汽車用超級電容器的開發(fā)應用。

2.2.2 國內(nèi)的現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)也開展了對以超級電容器作為能源的新能源汽車的研究，并取得了一定的進展，并且我國在超級電容器城市客車的應用方面還處于領先地步。2004年7月，我國首部“電容器蓄能變頻驅(qū)動式無軌電車”在上海張江投入試運行。2006年，上海超級電容器城市客車投入運行，使我國超級電容在車輛的實際應用領域走到了世界的前列。此外，在2011中國（天津）國際客車及零部件展覽會上、2012年中國（南京）國際客車及零部件展覽會上和2012年北京客車展上，來自國內(nèi)的鄭州宇通、廈門金龍、蘇州金龍、廈門金旅等客車廠家都相繼展出了以超級電容器為電源的混合動力城市客車。隨著國家“863”和“十城千輛”計劃的推進，現(xiàn)在我國昆明、杭州、蘇州、鄭州和煙臺等城市，超級電容器混合動力城市客車也在進行著商業(yè)化運營。

3 結(jié)束語

本文介紹了超級電容器的機理與特點，概述了國內(nèi)外超級電容器的發(fā)展現(xiàn)狀以及其在新能源汽車中的應用研究情況。超級電容器由于具有比功率高、循環(huán)壽命長、充放電時間短等優(yōu)勢，因此，其作為新能源汽車的動力源而日益受到重視。然而與電池相比，超級電容器的能量密度偏低，尋找新的電極活性材料、提高超級電容器的能量密度成為超級電容器的根本任務，也是難點所在。隨著對超級電容器研究的不斷深入，其性能將不斷提高，超級電容器也必將在新能源汽車的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

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修改稿日期：2014-01-05

Supercapacitorsand their Applications in New Energy Vehicle

LiYupeng,Zhou Shiguo,Du Yingying
（Zhengzhou Yutong BusCo.,Ltd,Zhengzhou 450016,China）

As a novelenergy storing componentbetween traditional condensers and storage batteries,supercapacitors have characteristics of high power density,extremely large capacitance,long cycle life and high charge-discharge efficiency.The authors introduce the principle and the characteristic of supercapacitors,and outline the developmentstatusand theapplication statusin new energy vehiclesathomeand abroad ofsupercapacitors.

new energy vehicle;supercapacitors;app lication

U469.7；TM 53

B

1006-3331（2014）02-0041-04

李玉鵬（1983-），男，工程師；從事動力電源測試分析工作。