安 軍，石 維

（ 銅仁學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，貴州 銅仁 554300 ）

汽車(chē)對(duì)石化能源存在嚴(yán)重依賴(lài)，其排放的 CO2是溫室效應(yīng)形成的重要因素。這導(dǎo)致全球氣候變暖，生態(tài)環(huán)境惡化。因此，迫切需要發(fā)展新能源和新能源的儲(chǔ)存系統(tǒng)。能量的儲(chǔ)存是新能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，超級(jí)電容的出現(xiàn)為儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑和方法?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)開(kāi)動(dòng)汽車(chē)。隨著對(duì)鋰離子電池研究的深入，使得電力在汽車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)中的作用提高，最高混合度可達(dá)到 50%，從而大大降低了汽車(chē)對(duì)石化資源的依賴(lài)程度。但是鋰離子電池目前很難突破大功率承載能力，不能應(yīng)對(duì)汽車(chē)啟動(dòng)、加速和爬坡運(yùn)行的大功率過(guò)程，而超級(jí)電容器的充放電時(shí)間快，功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，可靠性好，因此彌補(bǔ)了鋰離子電池的缺點(diǎn)，成為汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)中不可缺少的部件。目前，超級(jí)電容器是汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，在動(dòng)力系統(tǒng)中與蓄電池組成混合動(dòng)力源，其主要作用是在蓄電池負(fù)載耗電量降低的時(shí)候進(jìn)行能量回收，存儲(chǔ)一定的電量，在蓄電池負(fù)載耗電量多的時(shí)候補(bǔ)充電源動(dòng)力，并可有效的對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)[1]。鑒于超級(jí)電容器的重要性，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家將超級(jí)電容器提高到與電池具有同等戰(zhàn)略發(fā)展意義的高度。本文主要在超級(jí)電容器特征的基礎(chǔ)上對(duì)電源保護(hù)和能量回收等應(yīng)用進(jìn)行研究。

1.超級(jí)電容器的基本特征

在汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用的超級(jí)電容器應(yīng)具備大容量?jī)?chǔ)能性能和優(yōu)良的脈沖放電性能。與傳統(tǒng)靜電電容器相比，它的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在儲(chǔ)存能量上，其單體容量已經(jīng)達(dá)到萬(wàn)法拉級(jí)。超級(jí)電容器根據(jù)其儲(chǔ)能機(jī)理分為三種：雙層電容器、法拉第贗電容器和混合電容器。通常表達(dá)超級(jí)電容器的幾個(gè)重要的參數(shù)有比能量、比功率和充放電次數(shù)，與普通電容器和充電電池對(duì)比如表1所示[2]。

表1 能量存儲(chǔ)裝置性能比較

如表 1所示，超級(jí)電容器使用壽命長(zhǎng)，充放電過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有良好的可逆性，循環(huán)次數(shù)可達(dá)100000 次以上，比電池高10～100倍。此外，超級(jí)電容器的低溫性能優(yōu)越。超級(jí)電容器充放電過(guò)程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，使得容量隨溫度衰減非常小。電池在低溫環(huán)境下其內(nèi)部電解液導(dǎo)電性能降低導(dǎo)致容量衰減幅度可高達(dá)70%。超級(jí)電容器的功率密度可達(dá)到電池的100倍以上，目前研究的混合超級(jí)電容的比功率可達(dá)到50kW/kg左右，瞬間電流可達(dá)到幾百到幾千安培，使得超級(jí)電容器適合用于短時(shí)間高功率輸出的汽車(chē)混合動(dòng)力中電力系統(tǒng)的補(bǔ)充。此外，超級(jí)電容器具有快速充電的特征?；陔p電層充放電的物理過(guò)程和電極物質(zhì)表面的化學(xué)過(guò)程，這種方式可在承受大電流充電前提條件下，幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過(guò)程。而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)完成充電，采用快速充電也需要幾十分鐘?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，日本豐田公司最早設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV），其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.超級(jí)電容器在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1.啟動(dòng)電路

汽車(chē)啟動(dòng)大部分依賴(lài)于電機(jī)啟動(dòng)方式，電機(jī)啟動(dòng)的電流很大導(dǎo)致蓄電池端電壓很低，使得汽車(chē)不能正常工作[3]。采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)的方式，提高蓄電池在低電勢(shì)時(shí)候的啟動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是非常必要的。圖 2中通常選用的超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻RES較低（<10m?），最佳狀態(tài)低于2m?，以滿(mǎn)足電容器高功率的輸出[4]。比如，在遇到突發(fā)事件緊急剎車(chē)制動(dòng)和天氣的氣溫非常低的情況下這種裝置是必須的，其并聯(lián)設(shè)置如圖3所示。

圖1 HEV的基本結(jié)構(gòu)

圖2 超級(jí)電容器的等效電路

圖3 超級(jí)電容與鉛酸電池的并聯(lián)

2.2.超級(jí)電容器的電路保護(hù)

超級(jí)電容器可以承受高倍率的充放電電流，不需像蓄電池那樣嚴(yán)格限制充電電流。雖然充電過(guò)程可以短時(shí)過(guò)壓，但在充電結(jié)束時(shí)超級(jí)電容器的電壓不能超過(guò)其額定電壓，以免導(dǎo)致超級(jí)電容器過(guò)充損害，這就對(duì)保護(hù)電路提出了要求。遼寧錦州百納電器有限公司應(yīng)用新型的DS2770和DS2720的芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)具有充電控制、電源控制、電量計(jì)數(shù)、電池保護(hù)、計(jì)時(shí)和對(duì)電池組能識(shí)別等功能的高性能超級(jí)電容充電器，整個(gè)充電器的原理圖如圖 4所示，整個(gè)組合電路由 DS2770充電控制器／電量計(jì)、DS2720電池保護(hù)器、DS2415實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）三個(gè)芯片組成。它們均共用一個(gè)地（VSS或Gnd）、電源（Vdd）和通信線(xiàn)（DQ或DATA）。而所有的電容（從C1到C10）和電阻（從R1到R12）的作用是對(duì)干擾信號(hào)濾波及對(duì)ESD（靜電放電）提供保護(hù)。

圖4 高性能超級(jí)電容充電器設(shè)計(jì)方案圖

該充電器的負(fù)載（即主設(shè)備）是通過(guò)PACK＋和PACK－引腳獲得電源的，而充電器與主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的l－Wire接口（標(biāo)為DATA）進(jìn)行。DS2720芯片2腳PS和主系統(tǒng)的開(kāi)/關(guān)控制相連接，作為充電器的使能輸入（低電平有效）。圖4中引腳Charge source可連接到充電電源，而充電電流能按照電池額定的充電條件加以限制,其充電電壓最高至15V。整個(gè)充電器在工作模式下消耗不足 100μA 的典型電流，而處于靜止?fàn)顟B(tài)（即超級(jí)電容不處于充電狀態(tài)）時(shí)典型消耗電流不到20μA。

3.超級(jí)電容器的儲(chǔ)能電路原理

超級(jí)電容器在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中將制動(dòng)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，在車(chē)輛再加速時(shí)，超級(jí)電容器釋放存儲(chǔ)的能量，從而節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行的能量[5]。如圖5所示，趙坤等人[6]認(rèn)為超級(jí)電容器并聯(lián)在 DC電源總線(xiàn)上，雙向DC/DC變換器由C、IGBT1和IGBT2構(gòu)成并對(duì)電容進(jìn)行充放電。該電路可以控制電壓上升時(shí)充電和電壓下降時(shí)放電的過(guò)程，該系統(tǒng)可以短周期完成大電流充電和放電，在起動(dòng)時(shí)能迅速大電流放電，下降時(shí)能迅速大電流充電，將能量吸收，起到節(jié)能環(huán)保的作用[7]。

圖5 超級(jí)電容其儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

4.超級(jí)電容器在汽車(chē)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)

超級(jí)電容器的正負(fù)極的關(guān)鍵材料的研究發(fā)展，特別是近期報(bào)道的石墨烯超級(jí)電容器引起了廣泛的關(guān)注。Liu等人[8]發(fā)現(xiàn)了彎曲石墨烯可以抑制石墨烯面對(duì)面堆疊，提高了表面利用，在離子液體（4V）中，當(dāng)功率密度為 136W·kg-1，能量密度高達(dá)85Wh·kg-1，能量密度與鎳氫電池相當(dāng)，但功率密度遠(yuǎn)高于鎳氫電池。這將為超級(jí)電容器在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供新的前景。

5.結(jié)論

超級(jí)電容器與新能源的節(jié)能要求還有一定的差距。滿(mǎn)足當(dāng)前的動(dòng)力系統(tǒng)保護(hù)功能的作用仍然因?yàn)槠淠蛪旱投艿较拗疲虼爽F(xiàn)階段電路的保護(hù)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。此外單位體積內(nèi)的儲(chǔ)能密度是目前超級(jí)電容器領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，石墨烯超級(jí)電容器有可能成為解決這些問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。這為我們有效提高超級(jí)電容器的耐壓值和儲(chǔ)能密度提供了新的途徑。

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