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    新能源車輛中的超級(jí)電容器

    2017-03-03 09:10:30陳天殷
    汽車電器 2017年2期
    關(guān)鍵詞:電層電容器蓄電池

    陳天殷

    (美國(guó)亞派克機(jī)電(杭州)有限公司,浙江 杭州 310013)

    新能源車輛中的超級(jí)電容器

    陳天殷

    (美國(guó)亞派克機(jī)電(杭州)有限公司,浙江 杭州 310013)

    介紹超級(jí)電容器的原理結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)和性能指標(biāo),概述超級(jí)電容器的發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)電極材料的研究進(jìn)展,簡(jiǎn)述超級(jí)電容器在汽車領(lǐng)域應(yīng)用、維護(hù)的要點(diǎn)。

    超級(jí)電容器;新能源;石墨烯;鋰電池

    1 超級(jí)電容器與新能源汽車

    初創(chuàng)于20世紀(jì)末的新型大容量電容類器件產(chǎn)品,英文為Supercapacitor,縮寫為SC或稱Ultracapacitor,中文譯稱超級(jí)電容器,屬于電化學(xué)類電容器,其電容量高達(dá)法拉級(jí),是強(qiáng)大的能量存儲(chǔ)和功率補(bǔ)償器件。

    純電動(dòng)汽車(BEV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車(FuelCellElectricVehicle,F(xiàn)CEV)3種類型統(tǒng)稱新能源車輛。它集光、機(jī)、電、化多學(xué)科領(lǐng)域最新技術(shù)于一體,是汽車、新能源、新材料、電力拖動(dòng)、功率電子、智能控制、化學(xué)電源和計(jì)算機(jī)軟硬件等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。電動(dòng)車輛與傳統(tǒng)汽車在外形上并無(wú)差異,區(qū)別在于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2015年2月投入營(yíng)運(yùn)的北京18m公交電動(dòng)車見(jiàn)圖1。

    圖1 北京18m公交電動(dòng)車

    超級(jí)電容器應(yīng)用于電動(dòng)公交車,是一熱門的項(xiàng)目創(chuàng)意。超級(jí)電容器雖有能量密度較小、充電續(xù)航路程較短的弱點(diǎn),但其充電速度極快,充畢即可投入正常運(yùn)行。公交線路站點(diǎn)固定不變,超級(jí)電容器的充電在1min之內(nèi)即可完成,極為短暫,正可以利用公交車進(jìn)站的時(shí)間充電,并不耽誤乘客乘車。這樣,既無(wú)需如電車那樣在車頂上拖兩條“長(zhǎng)辮”來(lái)連接高架電源線,也不必鋪設(shè)作為供電電源的電車軌道,簡(jiǎn)化設(shè)施,節(jié)省投資,亦美化了外觀。

    城市市區(qū)運(yùn)行的公交車,其運(yùn)行線路在20 km以內(nèi),以超級(jí)電容器為惟一能源的電動(dòng)汽車,一次充電續(xù)駛里程可達(dá)20km以上,在城市公交線路上自會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

    超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能的動(dòng)力源,為車用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能,驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。其容量、能量密度、放電深度、功率密度、整車動(dòng)力性能、能量消耗和續(xù)駛里程等性能參數(shù)都適合作為城市公交車輛。2014年6月,哈工大電磁與電子技術(shù)研究所承擔(dān)的省部級(jí)科技攻關(guān)重大項(xiàng)目——以電容器為能源的電動(dòng)車輛,試制了用超級(jí)電容器做儲(chǔ)能器件的電動(dòng)客車,經(jīng)15min充電即可連續(xù)行駛25km,最高時(shí)速可達(dá)52km。在續(xù)駛里程、最高車速等性能指標(biāo)方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,通過(guò)省部級(jí)鑒定。該項(xiàng)目在整車控制技術(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。電動(dòng)車輛的動(dòng)力源中,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)汽車開(kāi)發(fā)的重要方向之一。雖然電動(dòng)汽車的爬坡度、時(shí)速不及傳統(tǒng)汽車,但在行駛過(guò)程中無(wú)污染排放、熱輻射低、噪音小、不消耗汽油、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便,該新型交通工具廣受各國(guó)青睞。以電容為能源的電動(dòng)客車無(wú)污染、零排放、超低溫環(huán)境工作特性極好,對(duì)中國(guó)北方城市的公交運(yùn)行尤為適合,其社會(huì)效益與市場(chǎng)前景極佳。

    傳統(tǒng)汽車的起動(dòng)皆以直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)與離合器組成的起動(dòng)機(jī)為核心。眾所周知,起動(dòng)的初瞬,電機(jī)轉(zhuǎn)速為零,機(jī)械傳動(dòng)部分有極大阻尼,而起動(dòng)回路中串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞的電阻、蓄電池的內(nèi)阻和起動(dòng)回路的電阻又極低,故起動(dòng)電流甚大,達(dá)數(shù)百安培。如排量1.9L的柴油汽車裝置12V、45Ah蓄電池,起動(dòng)電流高達(dá)550A,此瞬間蓄電池電壓會(huì)由12.6V降至3.6V。雖車用蓄電池可高倍率放電,但電壓突降會(huì)惡化起動(dòng)性能,亦影響蓄電池壽命;且電壓驟變有極強(qiáng)的電磁干擾;尤其,當(dāng)處于高溫炎熱環(huán)境若頻繁起動(dòng)會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷蓄電池[1]。

    據(jù)相關(guān)資料介紹,超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)工作可顯著提高車輛起動(dòng)性能。起動(dòng)過(guò)程得到極大改善,源于兩者并聯(lián)后,汽車在怠速起停系統(tǒng)中,超級(jí)電容器能在制動(dòng)時(shí)回收能量,而在起動(dòng)時(shí)釋放能量。同時(shí),超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián),蓄電池應(yīng)用狀態(tài)也得以改善。因超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)低于蓄電池的內(nèi)阻,故在起動(dòng)的瞬間,1200A起動(dòng)電流中的800A電流由超級(jí)電容器提供,蓄電池僅提供400A的電流,明顯低于僅采用蓄電池的560A,有效降低了蓄電池極板的極化,蓄電池內(nèi)阻的上升被阻止了,使起動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓得到提高。蓄電池極板極化的減輕有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命;而頻繁起動(dòng)影響蓄電池壽命,使之加快衰落。

    2 超級(jí)電容器的分類及原理

    2.1 超級(jí)電容器的分類與發(fā)展

    從電能儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化的機(jī)理來(lái)劃分,超級(jí)電容器可分雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor,EDLC)與電化學(xué)電容器(Electrochemcial Capacitor,EC)兩類。后者又稱法拉第準(zhǔn)電容器,別稱贗電容器(Pseudo-capacitors)。而贗電容器又包括金屬氧化物電容器和導(dǎo)電高分子電容器。近年,發(fā)展出正負(fù)極分別采用電池材料和活性炭材料的混合超級(jí)電容器。當(dāng)前,實(shí)用級(jí)的超級(jí)電容器其電容量能達(dá)到數(shù)百乃至上千法拉,極大地拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

    20世紀(jì)初,德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲(Helmholtz)提出界面雙電層理論,正是一種全新的電容器構(gòu)建的基礎(chǔ)原理。插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷,從而使其間產(chǎn)生電位差。若對(duì)電解液中的2個(gè)電極之間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓,這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng),并分別在兩電極的表面形成緊密的電荷層,這即是雙電層。但基于該原理的電容器實(shí)施、發(fā)展始于20世紀(jì)60年代,初始僅作為低能量、低功率、長(zhǎng)壽命的新儲(chǔ)能電子器件。90年代混合型電動(dòng)車輛興起,超級(jí)電容器被作為大功率物理二次電源方得到深入應(yīng)用,由于能瞬間實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和放電,更因能回收制動(dòng)時(shí)獲得的能量,使之再利用于車輛的加速起動(dòng)并支持加速的過(guò)程。作為無(wú)源器件的電容器,像微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器一樣,需要能耐受足夠高的工作電壓,充分寬的使用溫度范圍,極強(qiáng)的抗震性能,超低的損耗,足夠長(zhǎng)的有效工作壽命和高可靠性,以保證在其所服務(wù)的汽車中穩(wěn)定可靠地應(yīng)用。

    作為一種新型儲(chǔ)能裝置,超級(jí)電容器具有充電時(shí)間短、效率高、無(wú)環(huán)境污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn),節(jié)約能源、綠色環(huán)保。還常用作牽引、起重裝置的電力平衡電源,可提供超大電流的電力。用作車輛起動(dòng)電源時(shí),其起動(dòng)效率和可靠性都高于傳統(tǒng)的蓄電池,可全部或部分替代傳統(tǒng)的蓄電池,應(yīng)用在新能源車輛;用作車輛的牽引能源可用于電動(dòng)汽車、替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、改造現(xiàn)有的無(wú)軌電車;用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等的起動(dòng)(更適應(yīng)嚴(yán)寒環(huán)境)。超級(jí)電容器還應(yīng)用于高寒地區(qū)的汽車催化起動(dòng)預(yù)熱器,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)里的回?zé)崞鳎╤eat regenerator)輔助制動(dòng),冷起動(dòng)等以及機(jī)電設(shè)備的儲(chǔ)備能源[2]。

    超級(jí)電池是將超級(jí)電容器的電極與各種蓄電池電極全部或部分組合,構(gòu)成非對(duì)稱型超級(jí)電容器或超級(jí)電池,從而無(wú)需額外的電子控制單元管理2個(gè)裝置間的電流,簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,已成為新的發(fā)展方向。圖2為混合超級(jí)電容電池的外形。

    2.2 雙電層超級(jí)電容器的基本原理

    圖3為超級(jí)電容器在車輛運(yùn)行中功能示意圖。圖4為超級(jí)電容器基本原理圖。圖4可用來(lái)解析雙電層超級(jí)電容器基本原理:當(dāng)金屬板插入電解液中,金屬表面的靜電荷從溶液中吸引部分不規(guī)則分布的、帶異性電荷的離子,使其在電極溶液界面的溶液一側(cè),離電極一定距離處排成一排,形成一個(gè)電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而極性相反的界面層。該界面層由兩個(gè)電荷層構(gòu)成,一層在電極上,一層在溶液里,故稱“雙電層”。由于界面上存有界面層,這樣,兩層電荷無(wú)法越過(guò)邊界中和,符合電容器的原理,成為平板電容器。因兩電荷層的距離極?。ㄒ话?.5 nm以下,更有巨量的微孔)、電極材料特殊(金屬氧化物或?qū)щ娦愿叻肿泳酆衔锏龋⒔Y(jié)構(gòu)復(fù)雜(如卷繞)和電解液中電荷在電極中的儲(chǔ)存,使電極表面積成萬(wàn)倍十萬(wàn)倍的增加,從而使電容量的數(shù)值變得甚為巨大。

    圖2 混合超級(jí)電容電池外形

    圖3 超級(jí)電容器在車輛運(yùn)行中的功能

    圖4 超級(jí)電容器基本原理圖

    電容器的電容量C和介質(zhì)厚度d的關(guān)系式如下

    式中:ε0——真空介電系數(shù);εr——介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù);A——電極有效表面積;d——介質(zhì)厚度。

    正因?yàn)槌?jí)電容器有海量微孔的電極,其表面積A達(dá)到數(shù)千平方米,而極間距離d僅為2~10 ?(埃,10-10m)。這樣,超級(jí)電容器有超級(jí)大數(shù)值的電容量便易于理解了[3]。

    2.3 贗電容器基本原理

    贗電容器是以準(zhǔn)電容-準(zhǔn)電容為主要工作機(jī)理,在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上,正極和負(fù)極表面分別以金屬氧化物的氧化/還原反應(yīng)為基礎(chǔ),或以有機(jī)半導(dǎo)體聚合物表面摻雜不同電荷的離子為基礎(chǔ),產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。在相同電極面積的條件下,電容量是雙電層電容器的10~100倍。圖5為贗電容器的結(jié)構(gòu)原理圖。

    圖5 贗電容器的結(jié)構(gòu)原理圖

    2.4 超級(jí)電容器家族序列的譜系

    與所有其他科技成果一樣,超級(jí)電容器也有經(jīng)發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、穩(wěn)定、求新、反復(fù)、再發(fā)展、再尋求的歷程。應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的超級(jí)電容器是特制的可適應(yīng)于85℃使用環(huán)境溫度的高溫系列。開(kāi)發(fā)新型的電極和電解質(zhì)的材料,不斷提高性能,簡(jiǎn)化工藝,改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備是當(dāng)前超級(jí)電容器發(fā)展的主旋律。圖6展示了超級(jí)電容器家族序列的譜系。

    圖6 超級(jí)電容器家族的譜系序列

    當(dāng)前得到認(rèn)可并進(jìn)入實(shí)用階段的是混合型超級(jí)電容器。如碳/碳雙電層電容器和RuO2/RuO2(二氧化釕)。非對(duì)稱型的混合超級(jí)電容器可進(jìn)一步提高能量密度,一極采用傳統(tǒng)電池電極,并通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化能量;而另一極則是通過(guò)雙電層來(lái)儲(chǔ)存能量。因而,不僅電池電極具有高的能量密度,且因兩者結(jié)合產(chǎn)生更高的工作電壓。非對(duì)稱混合型超級(jí)電容器充放電過(guò)程中,正負(fù)極的儲(chǔ)能機(jī)理不同,具有雙電層電容器和電池的雙重特征。其功率密度、充放電速度和循環(huán)壽命等性能主要由電池電極決定,而且,充放電過(guò)程中其電解液體積和電解質(zhì)濃度也會(huì)發(fā)生改變。

    當(dāng)前,研究方向是改善提高超級(jí)電容器體系的能量密度,一是提高電容器電極材料的比電容,二是將一個(gè)電極制成活性炭電極,另一電極采用贗電容電極材料或電池電極材料,構(gòu)建非對(duì)稱型的混合型超級(jí)電容器體系,從提高電容器的工作電壓的途徑提高能量密度。非對(duì)稱混合型超級(jí)電容器的具有良好氧化還原活性的材料有石墨FeOOH、NiOOH、金屬氧化物和聚合物等。

    混合型超級(jí)電容器已成為各先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相深入研究發(fā)展的焦點(diǎn)。近幾年更發(fā)現(xiàn)有以活性炭為負(fù)極,由水系鋰離子電池電極材料作為正極,來(lái)組成的混合型超級(jí)電容器,有更好的發(fā)展前景。這一類型正極材料有LiCoO2,LiMn2O2與LiTi(PO4)3等,性能上皆優(yōu)于活性炭/活性炭的雙電層超級(jí)電容器。

    3 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)特征、性能指標(biāo)與特點(diǎn)

    3.1 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)特征

    超級(jí)電容器的陽(yáng)極一般采用活性炭(ActiveCarbon)、二氧化釕(RuO2)、導(dǎo)體聚合物(polymerConductor)等;陰極為液態(tài)電解質(zhì)。

    圖7為碳基超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)示意圖。它是一個(gè)雙電層的超級(jí)電容器。

    圖7 碳基超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)圖

    超級(jí)電容器的內(nèi)部電位差與等值電路如圖8所示。

    圖8 超級(jí)電容器的內(nèi)部電位差與等值電路圖

    3.2 超級(jí)電容器的參數(shù)及性能指標(biāo)

    超級(jí)電容器介質(zhì)厚度d的計(jì)算公式為

    式中:U——介質(zhì)氧化膜形成電壓;α——介質(zhì)形成系數(shù)。

    超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容器、蓄電池參數(shù)比較如表1所示。

    3.3 超級(jí)電容器的特點(diǎn)

    超級(jí)電容器大多是雙電層結(jié)構(gòu),與電解電容器相比,超級(jí)電容器能量密度和功率密度都非常高。與傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比,超級(jí)電容器儲(chǔ)存電荷的能力比普通電容器高,并具有充放電速度快、效率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn)。超級(jí)電容器的技術(shù)特性敘述如下。

    表1 超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容器、蓄電池比較

    1)充電速度快,充電10s~10min可達(dá)到其額定容量的95%以上。

    2)能量轉(zhuǎn)換效率高,過(guò)程損失小,大電流能量循環(huán)效率≥90%。

    3)循環(huán)使用壽命長(zhǎng),深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)~50萬(wàn)次。

    4)產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染,是理想的綠色環(huán)保電源。

    5)安全系數(shù)高。一般采用腐蝕性較低或無(wú)腐蝕性的中性電解質(zhì),提高了使用和儲(chǔ)存的安全性。長(zhǎng)期使用幾乎可免維護(hù)。

    6)超低溫特性好,可工作于-35~75℃的環(huán)境中。環(huán)境溫度對(duì)正常使用影響不大。

    7)檢測(cè)方便,剩余電量可直接讀出。

    8)相對(duì)成本大幅降低。超級(jí)電容器的價(jià)格相對(duì)鉛酸電池高1倍,而其壽命相對(duì)化學(xué)電池高10~100倍,故超級(jí)電容器電動(dòng)車綜合運(yùn)營(yíng)成本遠(yuǎn)低于其他各類化學(xué)電池[4]。

    9)二次電池又稱為充電電池,是指在電池放電后可通過(guò)充電的方式,使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。即基于化學(xué)反應(yīng)的可逆性,當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后,還可以用電能使化學(xué)體系修復(fù),然后再利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能,能組建成一個(gè)新電池。相比傳統(tǒng)的二次電池,超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn):①周期成本低,充放電效率高,內(nèi)部電阻低和周期效率高(95%以上);②輸出功率高且比功率高。根據(jù)ITS(戴維斯,加利福尼亞交通研究學(xué)院)測(cè)試結(jié)果,雙電層電容器的功率可超過(guò)6kW/kg,效率達(dá)95%。缺點(diǎn):①能量密度低于電化學(xué)電池;②有介質(zhì)吸收效應(yīng);③高自放電,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電化學(xué)電池;④工作電壓低;⑤因內(nèi)阻較低,允許極快速放電,但有發(fā)生電火花的危險(xiǎn)[5]。

    10)超級(jí)電容器相比鋰離子電池具有優(yōu)勢(shì)。中國(guó)混合動(dòng)力客車應(yīng)用超級(jí)電容器取得成功之后,德國(guó)的MAN客車、豐田的一級(jí)方程式賽車、雅力士概念車和其他混合動(dòng)力電動(dòng)汽車都在考慮采用超級(jí)電容器代替鋰離子電池。目前還有一種趨勢(shì),就是在傳統(tǒng)汽車的起停系統(tǒng)和能量收集發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中采用超級(jí)電容器,使之可以運(yùn)行在低溫和苛刻的工作周期中,也大幅度降低成本。鋰離子電池有過(guò)熱甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn),也是業(yè)內(nèi)人士所忌憚的[6]。

    11)雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大。因此,在無(wú)負(fù)載電阻情況下直接充電,如果出現(xiàn)過(guò)電壓充電的情況,雙電層電容器將會(huì)開(kāi)路而不致?lián)p壞器件,這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過(guò)電壓擊穿截然不同。

    12)雙電層電容器與可充電電池相比,可進(jìn)行不限流充電,且充電次數(shù)可達(dá)106以上,故雙電層電容器既具電容的特性,亦具有電池的特性,是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量,用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集,其電容量越大。

    超級(jí)電容器與可充電電池的充、放電比較示意如圖9所示。超級(jí)電容器放電后與充電時(shí)的原理示意圖如圖10所示。

    圖9 超級(jí)電容器與可充電電池的充、放電比較

    13)表2有利于我們系統(tǒng)認(rèn)識(shí)超級(jí)電容器在性能上的一系列優(yōu)勢(shì)。

    4 超級(jí)電容器理想的極板材料——石墨烯

    超級(jí)電容器的極板是其核心技術(shù)之一。石墨烯(Graphene)是一種由單層片狀結(jié)構(gòu)的碳原子構(gòu)成的新材料。它是碳原子以sp2雜化軌道組成呈蜂巢晶格六邊形的平面薄膜,是僅有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯是已知的世上最薄而又最堅(jiān)硬的納米材料,見(jiàn)圖11。它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300 W/m·K,高于碳納米管和金剛石;在常溫下其電子遷移率超過(guò)15 000 cm2/V·s,比納米碳管或硅晶體高;其電阻率8~10 Ω·m,比銅和銀更低,是當(dāng)今世上在常溫下電阻率最小的材料。由于它電阻率極低,電子遷移的速度極快,因此被工程界期待用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

    石墨烯其生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料——石墨,在中國(guó)儲(chǔ)量豐富,價(jià)格相對(duì)低廉。但大尺寸規(guī)格和批量化生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用化的最主要瓶頸。近年,清華大學(xué)和浙江大學(xué)等最新的研究成果已成功突破這兩大難題,制造成本已從5 000元/克降至3元/克!中國(guó)初步解決了基于表面外延的石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)和該材料的量產(chǎn)難題。

    圖10 超級(jí)電容器放電后與充電時(shí)的原理圖

    表2 超級(jí)電容器與各類電池性能比較

    圖11 由碳原子構(gòu)成單層片狀結(jié)構(gòu)的石墨烯

    5 超級(jí)電容器應(yīng)用和維護(hù)

    1)超級(jí)電容器的電化學(xué)屬性決定其是有固定極性的電容器,故應(yīng)用時(shí)需精準(zhǔn)確認(rèn)正負(fù)極性正確。

    2)防止連續(xù)施加過(guò)電壓。超級(jí)電容器會(huì)因操作或大氣過(guò)電壓而漏電流急劇增加,甚至發(fā)生電解液分解。必須嚴(yán)格保證超級(jí)電容器的工作電壓不超過(guò)額定值。

    3)超級(jí)電容器的壽命與使用溫度密切相關(guān),電解質(zhì)蒸發(fā)的速度與電容器溫度密切相關(guān)。超級(jí)電容器使用溫度每降低10℃,其壽命增加1倍。過(guò)熱會(huì)使容量下降,內(nèi)阻增加。高溫下漏電流的高幅值會(huì)明顯縮短其使用壽命。

    4)由于等效串聯(lián)電阻的存在,超級(jí)電容器不宜應(yīng)用于高頻率充放電的電路中。

    5)超級(jí)電容器在簡(jiǎn)單串聯(lián)使用時(shí),會(huì)存在單體間電壓不均衡問(wèn)題,需采用電壓均衡措施,預(yù)防單體逐一毀損。

    [1]Tom Denton.Automobile Electronic&Electronic Systems[M].Elsevies Butterworth Heinemann Co.Ltd.,2009.

    [2]RonaldK.Jargem.AutomotiveElectronic Handbook(Third Edition)[M].McGrow-Hill Corpanics Inc.,2008.

    [3]Frabcois Beguin.超級(jí)電容器[M].張治安,等,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

    [4]陳天殷.電動(dòng)汽車電源管理的基礎(chǔ)框架與實(shí)施[J].汽車電器,2013(12):1-4.

    [5]陳天殷.汽車電子技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車電器,2012(12):1-3.

    [6]陳天殷.汽車領(lǐng)域中電解電容器的應(yīng)用與維護(hù)[J].汽車電器,2015(12):42-44.

    [7]陳天殷.小功率電機(jī)可靠性研究[J].機(jī)電工程,2008(8):16-21.

    (編輯 心翔)

    Application and Maintenance of Super Capacitor in New Energy Vehicle

    CHEN Tian-yin

    (Apeks Motors(Hangzhou)Co.,Ltd.,Hangzhou 310013,China)

    The paper introduces design patterns,parameters and performance index of the super capacitor,and specifies its development tendency,relevant electric material research,application and maintenance in automobile.

    super capacitor;new energy;Graphene;lithium battery

    U469.72

    A

    1003-8639(2017)02-0005-06

    2016-06-24;

    2016-07-01

    陳天殷,男,教授級(jí)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槠囯姍C(jī)電器及電子,曾在學(xué)術(shù)會(huì)議及多家技術(shù)刊物發(fā)表過(guò)多篇專業(yè)論文。

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