電動汽車也可以使用超級電容

電動汽車也可以使用超級電容

超級電容器充放電效率高( 大于90 %) ，壽命超長( 可以達到百萬次) ，適用溫度范圍寬，可在－40 ～ 70℃范圍內(nèi)正常工作。功率密度大，可以達到每千克十幾千瓦；能量密度非常低，均在每千克10瓦時以內(nèi)。對比現(xiàn)在鋰電池的參數(shù)看一下，國家補貼的入門標準是電池系統(tǒng)級能量密度大于90wh/kg?？梢姵夒娙?，主要在于功率特性上的優(yōu)勢。下表是幾個主流超級電容廠家的大容量超級電容主要參數(shù)。1 超級電容的幾個特點

超級電容對過充過放的反應(yīng)不像鋰電池那樣敏感；

電壓電量曲線近似一次函數(shù)曲線，但也跟具體設(shè)計有關(guān)，并受溫度影響明顯；

由于工作原理的不同，雙電層超級電容能獲得更長的循環(huán)壽命，而贗電容則容易得到更高的能量密度。

2 超級電容的類型和原理

超級電容主要包含兩大類，雙電層電容和贗電容。雖然都叫做超級電容，但他們的工作原理存在著本質(zhì)上的不同。雙電層超級電容器電荷移動過程，吸附作用是主要作用方式，存在少量化學(xué)變化，是非法拉第過程；而贗電容充放電，以氧化還原反應(yīng)為主，是法拉第過程，遵循法拉第原理。

法拉第 過程是指在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程，并且在電極與溶液界面上有電子轉(zhuǎn)移（躍遷）的過程。這一過程遵守法拉第定律，即：因電流通過而引起的化學(xué)反應(yīng)的量與所通過的電量成正比。

非法拉第 過程是指，在電極-溶液界面間沒有電荷轉(zhuǎn)移，但是隨著電勢變化，由于吸附和脫附過程發(fā)生，以及雙電層的充放電，導(dǎo)致電極-溶液界面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并引起電流流動，這種電流流動過程稱為非法拉第過程。不遵循法拉第定律。

雙電層電容器工作原理

雙電層電容器，如上圖所示，結(jié)構(gòu)上包含正負極集電器，多孔碳電極，隔膜和電解液幾個組成部分。隔膜在正負極之間，將兩者分開，但允許電解液中陰、陽離子自由通過。電荷可以穿越隔膜移動。電解液用于傳導(dǎo)電荷；電荷分別在正、負電極接觸面形成雙電層結(jié)構(gòu)。充電時，給電容兩端加載電壓，由于靜電力作用，電荷向正負兩極匯集，在電極與電解液接觸面上形成雙電層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電荷與能量存儲；當(dāng)超級電容作為電源放電，電荷則離開電極回到電解液中。電荷的匯集、擴散，在外電路形成電流，實現(xiàn)充電和放電過程。

雙電層電容器能量密度和功率密度的高低，一個主要的影響因素是集電極的性能。目前超級電容器研究和應(yīng)用較多的是碳材料，包括活性炭、石墨烯、碳納米管、模板碳等。不同碳材料的微觀形貌和理化性質(zhì)不同，電化學(xué)儲能性能有所差別，不同碳材料的比電容不同。下面圖中，展示了不同種類的碳應(yīng)用到超級電容電極中，實現(xiàn)的能量密度的對比關(guān)系。

3 超級電容應(yīng)用領(lǐng)域

超級電容應(yīng)用領(lǐng)域挺多，主要發(fā)揮其瞬時大功率的優(yōu)點。大的領(lǐng)域包括供配電行業(yè)，交通領(lǐng)域，重型機械領(lǐng)域等等。

電力行業(yè)的應(yīng)用，主要包括平抑發(fā)電功率波動，風(fēng)機變槳后備電源。

新能源發(fā)電，比如風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電等，受自然條件影響較大，發(fā)電功率極其不穩(wěn)定，被大電網(wǎng)認為是垃圾電，限制其上網(wǎng)規(guī)模。超級電容組被設(shè)置在新能源發(fā)電站入口處，發(fā)電功率大時，將一部分高于平均的電量存儲下來；發(fā)電功率低時，則將存儲電能補充到上網(wǎng)功率中去，如同一個緩沖器，起到平抑上網(wǎng)功率波動的作用，改善新能源上網(wǎng)電力的質(zhì)量。在微電網(wǎng)中的作用形式，也跟新能源發(fā)電站類似，起到蓄水池的作用。

風(fēng)機變槳，風(fēng)力發(fā)電機在發(fā)電過程中，需要隨時根據(jù)風(fēng)力和風(fēng)向調(diào)節(jié)風(fēng)車葉片的角度，進而實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電功率的目的，葉片的調(diào)整，需要外部電源作為動力。如果出現(xiàn)風(fēng)力驟增而風(fēng)機葉片不能及時調(diào)整角度的情形，則風(fēng)機或者風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)可能會遭受大的扭力和沖擊發(fā)電功率的考驗，因此變槳電源需要穩(wěn)定可靠。超級電容作為后備電源，一方面沖擊電容壽命長，更換周期長；另一方面，超級電容對工作環(huán)境要求不高，環(huán)境溫度變動范圍寬。

交通領(lǐng)域的應(yīng)用，也有較多應(yīng)用，是我們最關(guān)心的領(lǐng)域，后面單列一個章節(jié)。

重型機械領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是起重機和電梯這類，工作過程中勢能變化比較大的場景。上升過程中放電，給系統(tǒng)啟動提供大功率動力；系統(tǒng)下降過程，則能量回收。有數(shù)據(jù)顯示，這個應(yīng)用可以節(jié)約40%的能源。

4 超級電容在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

回到我們關(guān)心的電動汽車領(lǐng)域，乘用車上一般配合其他動力共同使用，主要發(fā)揮起動輸出大功率和制動能量回收的作用。城市軌道交通領(lǐng)域，大家可能看到過，前兩年有幾個關(guān)于超級電容在地鐵進站過程中，作制動能量回收的新聞。大慣性的車輛，制動功率很大，一般的蓄電池，回收的能量比例有限，只有超級電容最適合這類應(yīng)用。公交車完全依靠超級電容做動力，間隔3-5公里充電一次，主要秀充電快的能力。

由于功率密度大而能量密度小，超級電容在電動乘用車上作為主要電源的應(yīng)用案例并不多。一些文獻提出過超級電容結(jié)合鋰電池的應(yīng)用方式，其中一種，原理框圖如下圖所示。