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          超級電容器(法拉電容)在電動(dòng)車(chē)上的應用
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            超級電容器在電動(dòng)車(chē)上的應用
           
            摘要:超級電容器電動(dòng)車(chē)以其優(yōu)異的性能、低成本以及零排放建立了全新的交通運輸電動(dòng)車(chē)的設計思想。綜述了超級電容器的基本原理和特點(diǎn),介紹了超級電容器在純電動(dòng)車(chē)與混合動(dòng)力車(chē)上的應用及發(fā)展。
           
            關(guān)鍵詞:超級電容器; 純電動(dòng)車(chē); 混合動(dòng)力車(chē); 應用
           
            現在,城市污染氣體的排放中,汽車(chē)已占了50%以上,世界各國都在尋找汽車(chē)代用燃料。由于石油短缺日益嚴重人們都漸漸認識到開(kāi)發(fā)新型汽車(chē)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(cháng),低溫特性?xún)?yōu)于蓄電池,這些優(yōu)異的性能使它在電動(dòng)車(chē)上有很好的應用前景。在城市市區運行的公交車(chē),其運行線(xiàn)路在20 公里以?xún)?,以超級電容為唯一能源的電?dòng)汽車(chē),一次充電續駛里程可達20 公里以上,在城市公交車(chē)將會(huì )有廣闊的應用前景[1]。
           
            電動(dòng)汽車(chē)屬于新能源汽車(chē),包括純電動(dòng)汽車(chē)( Battery Electric Vehicle,BEV) 、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)( Hybrid Electric Vehicle,HEV) 和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)( Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV) 三種類(lèi)型。它集光、機、電、化各學(xué)科領(lǐng)域中的最新技術(shù)于一體,是汽車(chē)、電力拖動(dòng)、功率電子、智能控制、化學(xué)電源、計算機、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(chē)與傳統汽車(chē)在外形上沒(méi)有什么區別,它們之間的主要區別在于動(dòng)力驅動(dòng)系統。
           
            電動(dòng)汽車(chē)采用蓄電池組作儲能動(dòng)力源,給電機驅動(dòng)系統提供電能,驅動(dòng)電動(dòng)機,推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)。雖然電動(dòng)汽車(chē)的爬坡度、時(shí)速不及傳統汽車(chē),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,結構簡(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”,受到世界各國的青睞[2]。
           
            1 超級電容器簡(jiǎn)介
           
            超級電容器又稱(chēng)為電化學(xué)電容器,是20 世紀70 年代末出現的一種新產(chǎn)品,電容量高達法拉級。以使用的電極材料來(lái)看,目前主要有3 種類(lèi)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(xué)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?jì)Υ娴臋C理主要是靠碳表面附近形成的雙電層,因此通常稱(chēng)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(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)存儲能量的一種新型電子元件。當電極和電解液接觸時(shí),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(chēng)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孔碳材料組成。碳材料具有優(yōu)良的導熱和導電性能,其密度低,抗化學(xué)腐蝕性能好,熱膨脹系數小,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,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(xué)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(guò)程,即理想的沒(méi)有發(fā)生通過(guò)電極界面的電子遷移,電荷和能量的存儲是靜電性的。而對電池而言,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),電荷存儲過(guò)程有如下重要的區別:
           
            ( 1) 對于非法拉第過(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。
           
            ( 2) 對于法拉第過(guò)程,電荷的存儲靠電子遷移完成,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有關(guān)。在某種情況下就能產(chǎn)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(gè)性能參數上超級電容器位于電池和傳統電容之間,循環(huán)壽命和充放電效率都遠遠高于電池。由于使用壽命長(cháng)通常都超過(guò)了使用其設備的壽命,所以,超級電容器終身無(wú)需維護,加之使用完后,對環(huán)境要求寬松,無(wú)污染,因而又稱(chēng)其為綠色能源。
           
            1.3 超級電容器車(chē)用貯電裝置的優(yōu)點(diǎn)[7] ( 1) 超級電容器是綠色能源,不污染環(huán)境; 化學(xué)電池對環(huán)境有2 次污染。
           
            ( 2) 循環(huán)使用壽命長(cháng)(約10 萬(wàn)次); 化學(xué)電池的循環(huán)使用壽命短(200~1000 次),易損壞。
           
            ( 3) 充電速度快(0.3s~15min); 化學(xué)電池的充電時(shí)間長(cháng),一般要3~10h.。
           
            ( 4) 充放電效率高(98%); 化學(xué)電池的充放電效率低(70%)。
           
            ( 5) 功率密度高(1000~10000W/Kg); 化學(xué)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(dòng)車(chē)在-40℃時(shí),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(dòng)大客車(chē)剎車(chē)再生能量回收效率高,常規制動(dòng)時(shí)回收高達70%,化學(xué)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(jià)格比鉛酸電池高一倍,但由于超級電容器的壽命比化學(xué)電池高10~100 倍,所以超級電容器電動(dòng)車(chē)的綜合運營(yíng)成本大大低于化學(xué)電池。
           
            2 超級電容器在電動(dòng)車(chē)上的應用
           
            全球每年通過(guò)公交系統在固定線(xiàn)路上出動(dòng)的運輸車(chē)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(chē)輛。2000 年的銷(xiāo)售量為18.3 萬(wàn)輛,今后5 年里,每年銷(xiāo)售達到22.0 萬(wàn)輛。美國達4.78萬(wàn)輛。估計到2010 年公交車(chē)輛的擁有量將達65 萬(wàn)輛。這么多車(chē)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(chǎn)[5]。撇開(kāi)成本昂貴的燃料電池不說(shuō),我國已在使用或即將推廣的車(chē)用乙醇汽油、天然氣車(chē)的項目,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,國家有關(guān)部門(mén)正在制定補貼方案,以使車(chē)用乙醇汽油的價(jià)格與同號汽油持平; 由于天然氣發(fā)動(dòng)機的價(jià)格比同排量柴油機成倍增,在全國率先批量裝備天然氣發(fā)動(dòng)機的北京市公交總公司有關(guān)人士承認,目前天然氣車(chē)主要滿(mǎn)足長(cháng)安街一線(xiàn)的運營(yíng)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(huán)境又無(wú)污染。大功率的超級電容器對于電動(dòng)汽車(chē)的啟動(dòng)、加速和上坡行駛具有極其重要的意義: 在汽車(chē)啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大功率電流; 在汽車(chē)正常行駛時(shí)由蓄電池快速充電; 在汽車(chē)剎車(chē)時(shí)快速存儲發(fā)電機產(chǎn)生的大電流,這些可以減少電動(dòng)汽車(chē)對蓄電池大電流充電的限制,大大延長(cháng)蓄電池的使用壽命,提高電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性。鑒于電化學(xué)超級電容器的重要性,各工業(yè)發(fā)達國家都給予了高度重視,并成為各國重點(diǎn)的戰略研究和開(kāi)發(fā)項目。
           
            2.1 在純電動(dòng)車(chē)上的應用及發(fā)展
           
            超級電容對整車(chē)動(dòng)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(huì )影響車(chē)輛行駛的能量消耗和續駛里程[1]。
           
            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電容器做儲能器件的電動(dòng)客車(chē),這是一種只需充電15 分鐘便能連續行駛25 公里,而最高時(shí)速可達52 公里的電動(dòng)客車(chē)。據悉,由該所承擔的省“十五”科技攻關(guān)重大項目———“以電容為能源的電動(dòng)車(chē)”等3 個(gè)項目,已通過(guò)省科技廳鑒定。該項研究在以電容為能源的電動(dòng)車(chē)續駛里程、最高車(chē)速等方面達到了國際先進(jìn)水平。這種超級電容電動(dòng)客車(chē)的研制為國內首創(chuàng ),其性能指標達到了國際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。該項目在整車(chē)控制技術(shù)、電驅動(dòng)技術(shù)、電容管理均衡技術(shù)方面實(shí)現了突破和創(chuàng )新。據了解,目前在國際上,污染小、節省能源的電動(dòng)汽車(chē)已引起相當高的重視。在電動(dòng)車(chē)的部件中,超級電容器憑借使用壽命長(cháng)、安全性強等特點(diǎn),已成為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的重要方向之一。這種以電容為能源的電動(dòng)客車(chē)無(wú)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(chǎng)前景和社會(huì )效益[10]。
           
            將超級電容器應用到電動(dòng)公交車(chē)上已經(jīng)是一個(gè)很熱門(mén)的話(huà)題了。由于公交線(xiàn)路站點(diǎn)是固定不變的,超級電容器的充電時(shí)間很短,在一分鐘之內即可完成,所以可以利用公交車(chē)進(jìn)站的時(shí)間充電,這樣既不影響乘客的乘車(chē)時(shí)間,又不會(huì )像現在的有軌電車(chē)那樣車(chē)頂上必須有兩個(gè)“辮子”,這樣也省去了電車(chē)軌道設置的費用,看起來(lái)也更美觀(guān)一些。超級電容器有個(gè)缺點(diǎn)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(zhù)跑。跟鉛酸電池比較這一點(diǎn)要好很多,鉛酸電池充一次電得要5~8 小時(shí),所以只要在線(xiàn)路上合適的地方建立一個(gè)超級電容器電動(dòng)大客車(chē)充電站就可以了,而投資建設一個(gè)這樣的充電站的費用比建一個(gè)加油站小得多,也比建設一個(gè)同樣規模的加氣站或鉛酸電池充電站省錢(qián)。
           
            2.2 在混合動(dòng)力車(chē)上的應用
           
            純電動(dòng)汽車(chē)盡管具有上述優(yōu)點(diǎn),但由于電池容量的限制,致使車(chē)輛在續駛里程和爬坡、加速性能上不及通常的汽車(chē)。雖然人們在蓄電池的研究開(kāi)發(fā)上做了多方努力,也難以達到通常轎車(chē)那樣,加滿(mǎn)油后可行駛400~500 公里的里程[9]。要充分滿(mǎn)足用戶(hù)的欲望,目前僅靠現有蓄電裝置的性能是難以實(shí)現的,于是就有了混合電動(dòng)車(chē)的出現。[11]
           
            混合動(dòng)力車(chē)是專(zhuān)門(mén)為城市公共交通設計開(kāi)發(fā)的,既可用電又可用油,是短期內電動(dòng)汽車(chē)最現實(shí)的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。這種車(chē)與同類(lèi)型的傳統汽車(chē)相比尾氣排放可減少50%~70%,降低燃油消耗30%以上,能夠滿(mǎn)足日益嚴格的環(huán)保要求,既有電動(dòng)車(chē)的節能和低排放的特點(diǎn),又具有燃油汽車(chē)的方便性能[12]?;旌蟿?dòng)力源電動(dòng)車(chē)按照能量合成的形式主要分為串聯(lián)式(Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV)和并聯(lián)式(Pararrel Hybrid Electric Vehicle,PHEV) 兩種。在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統中,由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)發(fā)電機,利用發(fā)出的電能由電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輪。即發(fā)動(dòng)機所發(fā)出的動(dòng)能全部要先轉換成電能,利用這一電能使車(chē)輛行駛。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統采用的是發(fā)動(dòng)機與電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輪,根據情況來(lái)運用這兩個(gè)動(dòng)力源,由于動(dòng)力源是并行的,故稱(chēng)為并聯(lián)式混合動(dòng)力系統。此外,還存在混聯(lián)式,也稱(chēng)串并聯(lián)式,它可以最大限度地發(fā)揮串聯(lián)式與并聯(lián)式的各自?xún)?yōu)點(diǎn)[13]。
           
            就目前所制造的混合電動(dòng)車(chē)來(lái)看,它的動(dòng)力系統是以燃油發(fā)動(dòng)機作為主要動(dòng)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(diǎn)有待大幅度改進(jìn),而這些問(wèn)題都可以用超級電容器代替解決,在內燃機車(chē)的電起動(dòng)系統中采用超大容量電容器輔助起動(dòng)裝置,顯示了較突出的優(yōu)勢,其表現在[14]:
           
            1. 由于起動(dòng)功率的增加,縮短了柴油- 發(fā)電機組的起動(dòng)時(shí)間。柴油機旋轉加速度增加,提高了燃油點(diǎn)燃質(zhì)量。
           
            2. 降低了起動(dòng)時(shí)蓄電池組的最大電流負荷,有助于延長(cháng)蓄電池的使用壽命。
           
            3. 確保了起動(dòng)的可靠性,特別是在低溫以及蓄電池組虧電或參數變壞時(shí)尤為明顯。
           
            4. 在現有蓄電池技術(shù)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(guò)多個(gè)電容器單體的串聯(lián)才能得到較高的工作電壓,而多個(gè)單體串聯(lián)對單體的統一性要求比較高,且串聯(lián)起來(lái)后體系的容量又會(huì )成倍減少?,F在這方面的很多工藝都還在研發(fā)當中。
           
            超級電容的特性正好滿(mǎn)足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的特殊要求。利用超級電容瞬時(shí)高功率特性,避免了要求發(fā)動(dòng)機頻繁起動(dòng)和蓄電池提供瞬間大功率的特殊要求,同時(shí)還可以對制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用,從而可以節約能源、減少排放污染,尤其適合經(jīng)常在城市行駛的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。在回收制動(dòng)能量方面,汽車(chē)在行駛過(guò)程中至少有30%的能量因熱量散發(fā)和制動(dòng)而消耗掉,特別是在城市行駛,經(jīng)常遇到紅燈,這樣不僅造成能源浪費,而且增加環(huán)境污染。
           
            如能把制動(dòng)所消耗的能量回收起來(lái)用于汽車(chē)起動(dòng)、加速,可謂一舉兩得。由于蓄電池充電是通過(guò)化學(xué)反應來(lái)完成的,所需時(shí)間較長(cháng),但制動(dòng)時(shí)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(shí)間還難以進(jìn)入實(shí)用階段。超級電容獨有的特性非常適合用于制動(dòng)過(guò)程中能量回收,而且成本較低,應用前景廣闊。
           
            在為發(fā)動(dòng)機冷起動(dòng)時(shí)提供瞬時(shí)大功率方面,發(fā)動(dòng)機的冷起動(dòng)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(fā)動(dòng)機才可能起動(dòng)。然而,一般蓄電池不具備這種特性,除非用起動(dòng)點(diǎn)火型電池,但是起動(dòng)點(diǎn)火型電池并不適合長(cháng)時(shí)期小電流工作環(huán)境,而且在低溫下經(jīng)常失效,因此也不適合。研究發(fā)現,如果把超級電容和蓄電池聯(lián)合用在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)系統,發(fā)揮超級電容的獨有特性,構成新型的起動(dòng)系統,這個(gè)問(wèn)題就可迎刃而解[15]。 3 結語(yǔ)
           
            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(xué)電源之間的空白,憑借著(zhù)低成本高性能的優(yōu)勢,加上對環(huán)境的無(wú)污染使得人們對它越來(lái)越重視。隨之對電動(dòng)汽車(chē)研究的深入,超級電容器在這方面應用的優(yōu)勢也越來(lái)越明顯。超級電容器的高性能決定了其市場(chǎng)前景非常廣闊,而低成本又決定了其顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。雖然超級電容器存在著(zhù)比容量偏低的缺陷,但相信通過(guò)改進(jìn),一定會(huì )推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)生質(zhì)的飛躍。
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