超級電容在電動車中應用研究及發(fā)展趨勢分析
超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)綜合了超級電容和蓄電池的優(yōu)點，不僅可以改善電動車的瞬時功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長蓄電池的使用壽命，增加電動車的續(xù)駛里程，因此將是超級電容應用于電動車領域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場前景。
由于環(huán)境污染和石油危機的雙重壓力，電動車已經(jīng)逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動車的能量源泉，但目前電池技術還不能完全滿足電動車的要求。
超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時間的功率輸出源，而且還可利用它比功率高、比能量大、一次儲能多等優(yōu)點，在電動車啟動、加速和爬坡時有效地改善運動特性。此外，超級電容還具有內阻小，充放電效率高（90％以上）、循環(huán)壽命長（幾萬至十萬次）、無污染等獨特的優(yōu)點，和其他能量元件（發(fā)動機、蓄電池、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、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動車一次充電的續(xù)駛里程。因此，超級電容在電動車領域有著廣闊的應用前景，將是未來電動車發(fā)展的重要方向之一。
目前，日本、美國、瑞士、俄羅斯等國家都在加緊超級電容的開發(fā)，并研究超級電容在電動車驅動和制動系統(tǒng)中的應用，而我國超級電容的生產(chǎn)和應用還處于起步階段。
1、超級電容的機理與特點
超級電容（Ultracapacitor）是近期發(fā)展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈動功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達數(shù)萬法。超級電容按儲能機理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生可逆化學吸附的法拉第電容；③由導電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應的電容。
由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，因此比較適合在電動車中應用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置，其原理結構如圖l所示。當向電極充電時，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于超級電容與傳統(tǒng)電容相比，儲存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個超級電容單元的電容量就高達幾法至數(shù)萬法。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達蓄電池的50～100倍，可達到10kW／kg左右，這個特點使超級電容非常適合于短時大功率的應用場合。
超級電容具有極其優(yōu)良的充、放電性能，在額定電壓范圍內，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時則可以放出所存儲的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級電容還具有不污染環(huán)境及機械強度高、安全性好（防火、防爆）、使用過程中免維護、使用壽命長（大于10年）和工作溫度范圍寬（一30℃～ 45℃）等優(yōu)點，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。
2、應用研究現(xiàn)狀
國內外的應用研究進展
由于超級電容的優(yōu)越性能和近年來對超級電容開發(fā)能力的提高，因此超級電容在工業(yè)領域中得到了廣泛應用。目前，世界各國爭相研究、并越來越多地將其應用到電動車上。超級電容已經(jīng)成為電動車電源發(fā)展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復合電源系統(tǒng)被認為是解決未來電動車動力問題的最佳途徑之一。
日本的情況
日本本是將超級電容應用于混合動力電動汽車的先驅，超級電容是近年來日本電動車動力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領域之一。本田的FCX燃料電池一超級電容混合動力車是世界上最早實現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，該車已于2002年在日本和美國的加州上市。日產(chǎn)公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機、電動機和超級電容的并聯(lián)混合動力卡車，此外還推出了天然氣一超級電容混合動力客車，該車的經(jīng)濟性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的2.4倍。目前，裝備超級電容的混合動力電動公交車已經(jīng)成為日本的國家攻關項目。
歐美的狀況
瑞士的PSI研究所給一輛48kW的燃料電池車安裝了儲能360Wh的超級電容組，超級電容承擔了驅動系統(tǒng)在減速和起動時的全部瞬態(tài)功率，以50kW的15s額定脈沖功率來協(xié)助燃料電池工作，牽引電機額定連續(xù)功率為45kW，峰值功率為75kW，采用360V的直流電源。大眾Bora實驗車進行的燃油消耗測試結果表明其油耗少于7L／100km，而相同質量的BMW7系列油耗則為10.7L／100km。1996年俄羅斯的Eltran公司研制出以超級電容作電源的電動汽車，采用300個電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時速為25km／h。美國在超級電容混合動力汽車方面的研究也取得了一定進展，Maxwell公司所開發(fā)的超級電容器在各種類型電動汽車上都得到了良好的應用。美國NASALewis研究中心研制的混合動力客車采用超級電容作為主要的能量存儲系統(tǒng)。
中國的現(xiàn)狀
目前，國內對以超級電容作為惟一能源的電動汽車的研究取得了一定的進展，2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江投入試運行，該公交車利用超級電容比功率大和公共交通定點停車的特點，當電車停靠站時在30s內快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時速可達44km／h。2005年1月上海交通大學與山東煙臺市簽署協(xié)議，共同投資開發(fā)超級電容公交電車，計劃在煙臺福山區(qū)建一條12km的示范線，在福山高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)建立年產(chǎn)1萬輛新型環(huán)保超級電容公交車的生產(chǎn)基地。哈爾濱工業(yè)大學和巨容集團研制的超級電容電動公交車，可容納50名乘客，最高速度20km／h。但是，國內目前對超級電容一蓄電池復合電源電動車的設計及控制，基本上還處于起步階段。