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超级电容在电动车中的应用研究

摘要：介绍了超级电容的机理与特点，概述了国内外超级电容在电动车中的应用研究现状，通过分析比较超级电容在电动车中应用的拓扑结构及控制策略，设计了一种新型的超级电容一蓄电池复合电源电动车控制系统(包括一个双向DC／DC变换器和一个三相全桥逆变器)。实验结果表明，该复合电源电动车能兼顾蓄电池和超级电容的优点，可以更好地满足电动车启动和加速性能的要求，并能提高电动车制动能量回收的效率，增加续驶里程。以超级电容为惟一能源的电动车可以作为固定线路车使用，但配套设施还需要完善，所以发展趋势并不乐观。

由于环境污染和石油危机的双重压力，电动车已经逐渐成为人们生活中一种重要的绿色交通工具。电源是电动车的能量源泉，但目前电池技术还不能完全满足电动车的要求。

超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多的能量密度和比电池高得多的功率密度，不仅适合于作短时间的功率输出源，而且还可利用它比功率高、比能量大、一次储能多等优点，在电动车启动、加速和爬坡时有效地改善运动特性。此外，超级电容还具有内阻小，充放电效率高(90％以上)、循环寿命长(几万至十万次)、无污染等独特的优点，和其他能量元件(发动机、蓄电池、燃料电池等)组成联合体共同工作，是实现能量回收利用、降低污染的有效途径，可以大大提高电动车一次充电的续驶里程。因此，超级电容在电动车领域有着广阔的应用前景，将是未来电动车发展的重要方向之一。

目前，日本、美国、瑞士、俄罗斯等国家都在加紧超级电容的开发，并研究超级电容在电动车驱动和制动系统中的应用，而我国超级电容的生产和应用还处于起步阶段。

1超级电容的机理与特点

超级电容(Ultracapacitor)是近期发展起来的一种新型储能元件，是一种具有超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源，它与常规电容器不同，其容量可达数万法。超级电容按储能机理主要分为三类：①由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容；②采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容；③由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。

由于双电层电容的充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，因此比较适合在电动车中应用。双电层超级电容是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置，其原理结构如图l所示。当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于超级电容与传统电容相比，储存电荷的面积大得多，电荷被隔离的距离小得多，因此一个超级电容单元的电容量就高达几法至数万法。由于采用了特殊的工艺，超级电容的等效电阻很低，电容量大且内阻小。使得超级电容可以有很高的尖峰电流，因此具有很高的比功率，高达蓄电池的50～100倍，可达到10kW／kg左右，这个特点使超级电容非常适合于短时大功率的应用场合。

超级电容具有极其优良的充、放电性能，在额定电压范围内，可以以极快的速度充电至任一电压值，放电时则可以放出所存储的全部电能，而且没有蓄电池快速充电和放电的损坏问题。此外，超级电容还具有不污染环境及机械强度高、安全性好(防火、防爆)、使用过程中免维护、使用寿命长(大于10年)和工作温度范围宽(一30℃～+45℃)等优点，并且在瞬间高电压和短路大电流情况下有缓冲功能，能量系统较为稳定。超级电容与铅酸电池和普通电容的性能对比见表1。

2应用研究现状

2.1国内外的应用研究进展

由于超级电容的优越性能和近年来对超级电容开发能力的提高，因此超级电容在工业领域中得到了广泛应用。目前，世界各国争相研究、并越来越多地将其应用到电动车上。超级电容已经成为电动车电源发展的新趋势，而超级电容与蓄电池组成的复合电源系统被认为是解决未来电动车动力问题的最佳途径之一。

2.1.1日本的情况

日本本是将超级电容应用于混合动力电动汽车的先驱，超级电容是近年来日本电动车动力系统开发中的重要领域之一。本田的FCX燃料电池一超级电容混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车，该车已于2002年在日本和美国的加州上市。日产公司于2002年6月24日生产了安装有柴油机、电动机和超级电容的并联混合动力卡车，此外还推出了天然气一超级电容混合动力客车，该车的经济性是原来传统天然气汽车的2.4倍。目前，装备超级电容的混合动力电动公交车已经成为日本的国家攻关项目。

2.1.2欧美的状况

瑞士的PSI研究所给一辆48kW的燃料电池车安装了储能360Wh的超级电容组，超级电容承担了驱动系统在减速和起动时的全部瞬态功率，以50kW的15s额定脉冲功率来协助燃料电池工作，牵引电机额定连续功率为