超級(jí)電容器在電動(dòng)車上的應(yīng)用分析

超級(jí)電容器基本原理
　　與傳統(tǒng)電容器、電池的區(qū)別
　　解決方案：
　　超級(jí)電容器在剎車時(shí)再生能量回收
　　在啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大功率電流
　　現(xiàn)在，城市污染氣體的排放中，汽車已占了70％以上，世界各國(guó)都在尋找汽車代用燃料。由于石油短缺日益嚴(yán)重人們都漸漸認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)新型汽車的重要性，即在使用石油和其它能源的同時(shí)盡量降低廢氣的排放。
　　超級(jí)電容器功率密度大，充放電時(shí)間短，大電流充放電特性好，壽命長(zhǎng)，低溫特性優(yōu)于蓄電池，這些優(yōu)異的性能使它在電動(dòng)車上有很好的應(yīng)用前景。
　　在城市市區(qū)運(yùn)行的公交車，其運(yùn)行線路在20公里以內(nèi)，以超級(jí)電容為唯一能源的電動(dòng)汽車，一次充電續(xù)駛里程可達(dá)20公里以上，在城市公交車將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。
　　電動(dòng)汽車屬于新能源汽車，包括純電動(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）三種類型。它集光、機(jī)、電、化各學(xué)科領(lǐng)域中的最新技術(shù)于一體，是汽車、電力拖動(dòng)、功率電子、智能控制、化學(xué)電源、計(jì)算機(jī)、新能源和新材料等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車在外形上沒(méi)有什么區(qū)別，它們之間的主要區(qū)別在于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
　　電動(dòng)汽車采用蓄電池組作儲(chǔ)能動(dòng)力源，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，推動(dòng)車輪前進(jìn)。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)程中不排放污染，熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，是一種新型交通工具，被譽(yù)為“明日之星”，受到世界各國(guó)的青睞。
　　超級(jí)電容器簡(jiǎn)介
　　超級(jí)電容器又稱為電化學(xué)電容器，是20世紀(jì)年代末出現(xiàn)的一種新產(chǎn)品，電容量高達(dá)法拉級(jí)。以使用的電極材料來(lái)看，目前主要有3種類型：高比表面積碳材料超級(jí)電容器、金屬氧化物超級(jí)電容器、導(dǎo)電聚合物超級(jí)電容器。
　　1基本原理
　　根據(jù)電化學(xué)電容器儲(chǔ)存電能的機(jī)理的不同，可以將它分為雙電層電容器，EDLC）和贗電容器（Pesudocapaeitor）。碳基材料超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)存的機(jī)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(dǎo)電聚合物主要靠氧化還原反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于庫(kù)侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)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(guān)。雙電層電容器電極通常由具有高比表面積的多孑L碳材料組成。碳材料具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，其密度低，抗化學(xué)腐蝕性能好，熱膨脹系數(shù)小，可以通過(guò)不同方法制得粉末、顆粒、塊狀、纖維、布、氈等多種形態(tài)。
　　贗電容是在電極表面或者體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物資進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附／脫附或氧化／還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于贗電容不僅發(fā)生在表面，而且可以深入內(nèi)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(dǎo)電聚合物。
　　2與傳統(tǒng)電容器、電池的區(qū)別
　　電化學(xué)電容器和電池的運(yùn)行機(jī)理從原理上就不同。對(duì)于雙電層型超級(jí)電容器，電荷存儲(chǔ)是非法拉第過(guò)程，即理想的沒(méi)有發(fā)生通過(guò)電極界面的電子遷移，電荷和能量的存儲(chǔ)是靜電性的。而對(duì)電池而言，實(shí)質(zhì)上發(fā)生了法拉第過(guò)程，即發(fā)生了穿過(guò)雙層的電子遷移，結(jié)果是發(fā)生了氧化態(tài)的變化和電活性材料化學(xué)性質(zhì)的變化?？偟膩?lái)說(shuō)，電荷存儲(chǔ)過(guò)程有如下重要的區(qū)別：
　　對(duì)于非法拉第過(guò)程，電荷的聚集靠靜電方式完成，正電荷和負(fù)電荷居于兩個(gè)分開(kāi)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。
　　對(duì)于法拉第過(guò)程，電荷的存儲(chǔ)靠電子遷移完成，電活性材料發(fā)生了化學(xué)變化或氧化態(tài)變化，這些變化遵守法拉第定律并與電極電勢(shì)有關(guān)在某種情況下就能產(chǎn)生準(zhǔn)電容。這種能量的存儲(chǔ)是間接的。
　　在比能量和比功率兩個(gè)性能參數(shù)上超級(jí)電容器位于電池和傳統(tǒng)電容之間，循環(huán)壽命和充放電效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電池。由于使用壽命長(zhǎng)通常都超過(guò)了使用其設(shè)備的壽命，所以，超級(jí)電容器終身無(wú)需維護(hù)，加之使用完后，對(duì)環(huán)境要求寬松，無(wú)污染，因而又稱其為綠色能源。；超級(jí)電容器車用貯電裝置的優(yōu)點(diǎn)超級(jí)電容器是綠色能源不污染環(huán)境化學(xué)電池對(duì)環(huán)境有2次污染。
　　循環(huán)使用壽命長(zhǎng)（約l0萬(wàn)次）；化學(xué)電池的循環(huán)使用壽命短（20o～1000次），易損壞。
　　充電速度快（0.3s～15min）；化學(xué)電池的充電時(shí)間長(zhǎng)，一般要3～l0h……‘充放電效率高（98％）；化學(xué)電池的充放電效率低（70％）。
　　功率密度高（1OOO～I(xiàn)O000W／Kg）；化學(xué)電池功率密度低（300W／Kg）。。
　　超級(jí)電容器徹底免維護(hù)，工作溫度范圍寬一40～+70～C），容量變化??；鉛酸電池電動(dòng)車在一℃時(shí)，續(xù)駛里程減少90％，而超級(jí)電容器只減少10％。
　　超級(jí)電容器電動(dòng)大客車剎車再生能量回收效率高，常規(guī)制動(dòng)時(shí)回收高達(dá)70％，化學(xué)電池能量回收效率僅為5％。
　　相對(duì)成本低。超級(jí)電容器的價(jià)格比鉛酸電池高一倍，但由于超級(jí)電容器的壽命比化學(xué)電池高～100倍，所以超級(jí)電容器電動(dòng)車的綜合運(yùn)營(yíng)成本大大低于化學(xué)電池。
　　超級(jí)電容器在電動(dòng)車上的應(yīng)用
　　全球每年通過(guò)公交系統(tǒng)在固定線路上出動(dòng)的運(yùn)輸車輛約是5000億次，其中人們最普遍使用的運(yùn)輸工具仍是公交車輛。2000年的銷售量為l8-3萬(wàn)輛，今后5年里，每年銷售達(dá)到22。0萬(wàn)輛。美國(guó)達(dá)4.0萬(wàn)輛。估計(jì)到2010年公交車輛的擁有量將達(dá)65萬(wàn)輛。這么多車輛若不進(jìn)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(fù)擔(dān)，造成的空氣污染也很明顯圈。
　　據(jù)估計(jì)燃料電池在最近十年內(nèi)還不可能達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)嘲。撇開(kāi)成本昂貴的燃料電池不說(shuō)，我國(guó)已在使用或即將推廣的車用乙醇汽油、天然氣車的項(xiàng)目，也擺脫不了高成本的困擾：由于燃料乙醇的生產(chǎn)成本高于汽油，國(guó)家有關(guān)部門(mén)正在制定補(bǔ)貼方寨，以使車用乙醇汽油的價(jià)格與同號(hào)汽油持平；研究與探討然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格比同排量柴油機(jī)成倍增，在全國(guó)率先批量裝備天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的北京市公交總公司有關(guān)人士承認(rèn)，目前天然氣車主要滿足長(zhǎng)安街一線的運(yùn)營(yíng)需要191。
　　而超級(jí)電容器正好解決了這一難題，超級(jí)電容器的容量有足夠大，成本很低，對(duì)環(huán)境又無(wú)污染。
　　大功率的超級(jí)電容器對(duì)于電動(dòng)汽車的啟動(dòng)、加速和上坡行駛具有極其重要的意義：在汽車啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大功率電流；在汽車正常行駛時(shí)由蓄電池快速充電；在汽車剎車時(shí)快速存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的大電流，這些可以減少電動(dòng)汽車對(duì)蓄電池大電流充電的限制，大大延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性。鑒于電化學(xué)超級(jí)電容器的重要性，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都給予了高度重視，并成為各國(guó)重點(diǎn)的戰(zhàn)略研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。
　　在純電動(dòng)車上的應(yīng)用及發(fā)展
　　超級(jí)電容對(duì)整車動(dòng)力性能的影響主要在于對(duì)續(xù)駛里程的影響。超級(jí)電容的容量、能量密度、放電深度、功率密度等性能參數(shù)都會(huì)影響車輛行駛的能量消耗和續(xù)駛里程川。
　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁與電子技術(shù)研究所研究出用超級(jí)電容器做儲(chǔ)能器件的電動(dòng)客車，這是一種只需充電I5分鐘便能連續(xù)行駛25公里，而最高時(shí)速可達(dá)52公里的電動(dòng)客車。據(jù)悉，由該所承擔(dān)的省“十五”科技攻關(guān)重大項(xiàng)目——“以電容為能源的電動(dòng)車”
　　等3個(gè)項(xiàng)目，已通過(guò)省科技廳鑒定。該項(xiàng)研究在以電容為能源的電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程、最高車速等方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這種超級(jí)電容電動(dòng)客車的研制為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，其性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。