趙旭哲

（伊利諾理工大學(xué)，芝加哥 伊利諾伊州 美國 60616）

混合動力汽車用超級電容及其關(guān)鍵技術(shù)的探討

趙旭哲

（伊利諾理工大學(xué)，芝加哥 伊利諾伊州 美國 60616）

簡介了現(xiàn)代汽車的動力驅(qū)動的情況，明確指出當(dāng)前汽車電動化是其主要的發(fā)展方向。簡要分析了混合動力汽車的優(yōu)勢與在電動化方面的特點，明確了電能儲存方式對汽車電動化的重要性，指出超級電容用于汽車上的優(yōu)勢，并簡介了超級電容的類型、工作原理、充放電方式。論述了超級電容用于混合動力汽車上的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對超級電容的其它應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了簡介。

混合動力汽車；電動化；超級電容；充放電；

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-82-06

引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車的電動化被認(rèn)為是解決現(xiàn)今環(huán)境污染和能源危機(jī)的最有效的方法[1]。目前占絕對優(yōu)勢的汽車均采用燃油發(fā)動機(jī)，因此汽車就成為消耗礦物能源和環(huán)境污染的最主要者，目前城市污染50%以上都是來源于汽車[2]，我國近年來的霧霾嚴(yán)重很多也是汽車污染造成的。據(jù)報道，北京市機(jī)動車尾氣排放對大氣污染物中CO、HC、NOX的分擔(dān)率依次為63.4%、73.5%、和46%。相比于北京市，上海市汽車所產(chǎn)生的三種主要排放物CO、HC、NOX的分擔(dān)率分別為86%、96%和56%。而且全國各大城市例如廣州、天津、重慶的許多中大型規(guī)格的城市機(jī)動車尾氣也相當(dāng)嚴(yán)重[1]。2013年3月，中國工信部等部委共同發(fā)布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗兩核算辦法》，此舉旨在促進(jìn)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和推廣，加快汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，確保中國在2015年乘用車平均燃料消耗量降至6.9升/百公里的目標(biāo)實現(xiàn)。為了能夠緩解機(jī)動車尾氣對大氣污染的進(jìn)一步惡化，新動力汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)汽車是大勢所趨?，F(xiàn)如今，許多國家都開始了新一代汽車的研制。1993年美國開始執(zhí)行“新一代汽車伙伴計劃-PNGV ( Partnership for a New Generation of Vehicles)”,隨后日本也啟動了政府“先進(jìn)清潔汽車項目- ACE ( Advanced Clean Energy Vehicle Project)”,而歐洲則提出了“明日汽車- The Car of Tomorrow”計劃。而早在1999年4月，中國政府在北京召開了“全國清潔汽車行動大會”，決定在北京、上海等12個大城市進(jìn)行“清潔汽車試驗示范”活動以實施城市“藍(lán)天”計

劃[2]。因此，目前，有很多可替代燃油發(fā)動機(jī)汽車的方案，例如燃料電池汽車、氫能源汽車以及混合動力汽車等。

據(jù)報道，2013年我國新能源汽車產(chǎn)量1.75萬輛，同比增長39.7%，其中純電動汽車1.42萬輛；新能源汽車銷售1.76萬輛，同比增長37.9%，其中純電動汽車銷售1.46萬輛。我國新能源汽車產(chǎn)銷不斷創(chuàng)新高的同時，面臨政策、商業(yè)模式、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)等瓶頸問題亟待解決[2]。2013年11月，太原市被列為新能源汽車示范城市，提出2014年50輛電動公交車和200量電動出租車推廣應(yīng)用計劃。未來5年，太原市將建設(shè)28座電動汽車充電站，充電站科技含量和服務(wù)能力將達(dá)到國際化、智能化水平。2014年5月15日，國家稅務(wù)總局貨物和勞務(wù)稅司副司長林楓在稅務(wù)總局網(wǎng)站就節(jié)能環(huán)保稅收優(yōu)惠政策進(jìn)行了在線解答，針對城市中經(jīng)常用到的電動汽車，林楓說，這有利于節(jié)能減排，現(xiàn)行消費(fèi)稅政策規(guī)定，電動汽車不納入消費(fèi)稅征收范圍，不征收消費(fèi)稅。依據(jù)目前我國現(xiàn)狀，混合動力電動汽車是最具有實用性，并且已有商業(yè)化生產(chǎn)模式的新型汽車[3]。

依據(jù)混合動力汽車（hybrid power vehicle）總成的驅(qū)動系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，可分為串聯(lián)式（Series Hybrid System）(兩種)、并聯(lián)式（Parallel Hybrid System）和混聯(lián)式(Series·Parallel Hybrid System)等三種，如圖1所示[3]。

串聯(lián)式動力由發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三部分動力總成組成，它們之間以串聯(lián)的方式組成動力系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車（如串聯(lián)型式Ⅰ、串聯(lián)型式Ⅱ）。小負(fù)荷時由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。當(dāng)車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機(jī)-電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能（串聯(lián)型式Ⅱ）；當(dāng)電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組虧電時則由發(fā)動機(jī)發(fā)-電機(jī)組向電池組充電，組成如圖1（a）、（b）所示[3]。

如圖1（a）、（b）所示的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速行駛工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低[3]。

如圖1（c）的并聯(lián)式的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)可以共同或分別驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。當(dāng)汽車加速爬坡時，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)能夠同時向傳動機(jī)構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機(jī)維持該速度。電動機(jī)既可以作電動機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動-發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨的發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)可以直接通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應(yīng)用。組成如圖1（c）所示[3]。

混聯(lián)式系統(tǒng)包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)為輔助動力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為輔助動力源，電機(jī)為主動力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是控制方便，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如圖1（d）所示[3]。

按照兩種不同的能量的搭配比例不同，混合動力車輛則有四種類型：

微混合（micro hybrids）,有時也叫“起-?；旌稀?，其特點是采用低電壓和低功率的電動機(jī)，電動機(jī)不驅(qū)動車輪，只是用于大功率的起動機(jī)。在內(nèi)燃機(jī)起動時，將內(nèi)燃機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速，使得內(nèi)燃機(jī)的起動更加輕松可靠；汽車在減速、制動時還可以使內(nèi)燃機(jī)熄火，電動機(jī)則通過再生制動發(fā)電給蓄電池充電回收部分能量，這樣都可以達(dá)到節(jié)省燃油的效果。輕度混合（mild hybrids）動力電動汽車的特點是采用高電壓和低功率的電動機(jī)，在汽車加速時，電動機(jī)作為輔助動力使用。這樣內(nèi)燃機(jī)的排量就可以減小[3]。

全混合（full hybrids）也稱強(qiáng)混合（strong hybrid）,特點是可以只使用內(nèi)燃機(jī)或電動機(jī)驅(qū)動車輛,也可二者同時驅(qū)動。當(dāng)然，這需要裝備較大體積、較高電壓的電池。日本的豐田PRIUS即屬此類[3]。

外電源插座充電混合動力汽車 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下簡稱為PHEV)，PHEV是指可以使用家用電源插座（例如220V電源)對混合動力車電池充電的混合動力汽車，同時這種混合動力汽車可單獨依靠電池就能行駛較長距離，但需要時仍然可以像通常的全混合動力汽車一樣工作。例如有一輛可以單獨靠電池行駛50km的PHEV，可利用電池行駛40km到旅程終點后，插入電源對電池充電；如果旅程超過50km，則開始的50km可以用電池來行駛，超過50km后則可以以通常的混合動力方式行駛，到了旅程終點則再插入電源對電池充電[3]。

從上面的混合動力汽車（hybrid power vehicle）工作原理簡介可看出，混合動力汽車的電機(jī)與電池、以及控制是其關(guān)鍵技術(shù)。目前由于電池尺寸、重量以及其他因素使得混合動力汽車（hybrid power vehicle）的成本很高，但是隨著電池和混合動力技術(shù)的進(jìn)步，混合動力汽車（hybrid power vehicle）可能會成為未來的一種汽車[3]。為此下面僅對混合動力汽車（hybrid power vehicle）上使用超級電容（super capacitor）解決電能儲存的問題進(jìn)行分析。

1、超級電容器類型及其特點

超級電容器（super capacitor）作為一種新型的儲能元件是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種最佳儲能方案。與電池相比，超級電容器的優(yōu)勢體現(xiàn)在各個方面。從表1可以看出，超級電容器在最大工作電流、功率密度、循環(huán)壽命及環(huán)保方面相比電池而言，均具有很大的優(yōu)勢。尤其是在快速充電性能方面優(yōu)勢極為突出。但由于其能量密度較小，所以不適合進(jìn)行長途行駛。但在重型純電動牽引車，以及運(yùn)輸線路固定、路況良好、啟動頻繁的港口碼頭應(yīng)用較為廣泛。超級電容器具有以下優(yōu)點[4]；

（1）超級電容器與普通的電容器相比具有超高的容量。超級電容器的容量范圍是0.1～6000F，它比同體積的電解電容器容量大2000～6000倍[5]。

（2）超級電容器的功率密度是電池的10～100倍，它可在瞬時提供大電流，短時間內(nèi)可以達(dá)到幾百到幾千毫安。

（3）由于超級電容器的充放電過程不會對電極材料造成影響，循環(huán)次數(shù)不會影響電極材料的使用壽命。因此超級電容器的充放電效率很高，達(dá)到了105以上。同樣，它的壽命也非常高。超級電容器的工作溫度為- 40～70℃，在25℃環(huán)境溫度下的壽命為90000小時，在60℃的環(huán)境溫度下為4000小時[6]。而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次[9]。

（4）與電池相比，超級電容器的材料是無毒、安全的。因此，超級電容器對環(huán)境不會造成任何污染。而像鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池等用材均為有毒材料。

（5）超級電容器在放置長時間后，電壓會下降。但再次充電后會回到原來的電位，并且對超級電容器的容量性能沒有影響。

（6） 超級電容器使用的材料安全、無毒、環(huán)保。

根據(jù)電極材料的不同，超級電容器可分為：碳電極電容器、貴金屬氧化物電極電容器和導(dǎo)電聚合物電容器。而雙層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器是典型的兩種超級電容器。

超級電容器根據(jù)儲能的機(jī)理不同，可分為雙層電容器（Electric double layer capacitor, EDLC）和法拉第準(zhǔn)電容器或贗電容器（Pesudocapacitor）。

根據(jù)超級電容器的結(jié)構(gòu)及電極上發(fā)生反應(yīng)的不同，也可分為對稱型和非對稱型。當(dāng)兩個電極的組成相同且電極反應(yīng)相同，反應(yīng)方向相反，這種類型可稱為對稱型。碳電極雙層電容器和貴金屬氧化物電容器均為對稱型電容器。相反，當(dāng)兩電極組成不同或反應(yīng)不同，則被稱為非對稱型電容器。

表1 幾種常用動力電池的性能對比[4]

1.1 雙層電容器

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存儲能量的一種新型電子元件。當(dāng)外加電壓加到超級電容的兩個極板上時，與普通的電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷、負(fù)極板存儲負(fù)電荷，進(jìn)一步在超級電容的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液的內(nèi)電場中，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），而當(dāng)兩極板間電勢超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解為非正常狀態(tài)。

由于隨著超級電容的放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。因此，超級電容的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此，其性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同。超級電容器為正常工作狀態(tài)的當(dāng)電極和電解液接觸時，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(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層[7]。超級電容器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，超級電容器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其電極多為活性炭多孔化電極，有活性炭（粉末和纖維）、炭氣凝膠和碳納米管。雙層電容器的容量大小與電極材料的空隙有很大關(guān)系。當(dāng)電極材料的孔徑大小在2～50nm之間，孔隙率越高，其電極材料表面積就越大，電極上積累電荷就越多，雙層電容器的容量就越大。在超級電容器結(jié)構(gòu)圖中，使用電解電容器紙的隔膜起到了引出電極、多孔化活性炭和隔膜外的所有空間均填充電解液的作用。這樣可以大大提高實際面積與空間面積的比例，并且具有流動性的電解液可以與多孔化的活性炭電極緊密接觸使得實際電機(jī)具有更大的有效極板面積。平板電容器的容量為

式中C為平板電容器的電容量，其中S、d、ε0、ε分別為電容器的極板面積、極板間距離、極板間介質(zhì)的相對真空的介電系數(shù)和電介質(zhì)的介電常數(shù)。由公式(1)可以得出，當(dāng)電極表面積越大，極板之間距離越小，電容器的容量就會迅速擴(kuò)大。

1.2 法拉第準(zhǔn)電容器

法拉第準(zhǔn)電容器是在電極表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，活性物質(zhì)發(fā)生了欠電位沉積，進(jìn)而發(fā)生高度的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應(yīng)，并產(chǎn)生了與電極充電電位有關(guān)的電容。由于在體相中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，其最大電容值相當(dāng)大。通常，碳材料的比容為20 x 10-6F/cm2,而吸附型準(zhǔn)電容為2000 x 10-6F/cm2。因此，法拉第準(zhǔn)電容器的容量為通常雙層電容器10～100倍。法拉第準(zhǔn)電容器的電極材料為金屬氧化物，因此法拉第準(zhǔn)電容器又可以被稱為貴金屬氧化物超級電容器。它所采用的電極材料通常是過渡金屬氧化物，如MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、H3PMo12O40、WO3、PbO2和Co3O4等。[5]其中，RuO2作為法拉第準(zhǔn)電容器的電極材料，它具有更高的導(dǎo)電性。RuO2在H2SO4電解液中的比容可以達(dá)到700～760F/g。但RuO2材料的稀有性和高價格限制了它的廣泛應(yīng)用。

1.3 導(dǎo)電聚合物電極電容器

導(dǎo)電聚合物電容器是一種新型的電化學(xué)電容器，它具有高性能和比貴金屬超級電容器更優(yōu)越的電性能。因為聚合物產(chǎn)品具有良好的電子電導(dǎo)率，可通過選擇相應(yīng)聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化集合物的性能，從而提高電容器的容量。導(dǎo)電聚合物是通過法拉第過程大量儲存能量，它是借助于電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負(fù)電荷中心，正、負(fù)電荷中心的充電程度取決于電極電勢。導(dǎo)電聚合物電極電容器可分為三種類型，第一種為對稱結(jié)構(gòu)電容器。這種類型電容器中的兩電極為相同可p型摻雜的導(dǎo)電聚合物。第二種為不對稱結(jié)構(gòu)電容器。此類型電容器是兩電極為不同的可進(jìn)行p型摻雜的聚合物材料。第三種電容器是導(dǎo)電聚合物可以進(jìn)行p型和n型摻雜，充電時電容器的一個電極是n型摻雜狀態(tài)，而另一個電極是p型摻雜狀態(tài)，放電后為去摻雜狀態(tài)。而當(dāng)兩電極的分別為n型摻雜和p型摻雜時，電容器具有類似蓄電池放電時的特性，即充分利用溶液中的陰陽離子來進(jìn)行放電的過程。[8]聚乙炔、聚毗咯、聚苯胺、聚噻吩等聚合物為現(xiàn)今有限可以在較高的還原電位下穩(wěn)定地進(jìn)行電化學(xué)n型摻雜的導(dǎo)電聚合物。

2、超級電容器的充放電方式

當(dāng)外加電壓加到雙層電容器的兩個極板上時，極板的正極上為正電荷，極板的負(fù)極上為負(fù)電荷。電解液在兩極板產(chǎn)生的電場作用下，在與電解液和電極間的界面上形成了相反的電荷。以此來平衡電解液的內(nèi)電場。當(dāng)電容器兩極板間的電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，這是電容器的放電過程。而當(dāng)電容器兩端的電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將進(jìn)行分解，此過程就為電容器的充電過程。圖3所示雙層電容器的充放電過程示意圖。

對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)而將電荷儲存于電極中。當(dāng)在和多孔過渡金屬氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)時，有如下現(xiàn)象出現(xiàn)在充放電過程中：

（1）兩極電位與電極上施加或釋放的電荷幾乎呈線性關(guān)

系；

（2）系統(tǒng)的電壓隨時間呈線性變化，則可以表示為：

其產(chǎn)生的電流為恒定或者幾乎恒定的電容性充電電流為：

此充放電過程是動力學(xué)高度可逆，反應(yīng)隨著電荷的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實現(xiàn)能量的儲存。以RuO2反應(yīng)為例，從圖4可以看出法拉第準(zhǔn)電容器充放電的大致過程。以RuO2作為電極，H2SO4作為溶液的電容主要取決于法拉第準(zhǔn)電容器。當(dāng)在電極上發(fā)生法拉第反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：

此反應(yīng)是通過在RuO2的微孔中發(fā)生可逆的電化學(xué)離子注入，它不僅發(fā)生在電極表面，而且可深入電極內(nèi)部，從而獲得比雙層電容器更高的電容量和能量密度。

3、混合動力汽車中的超級電容器及其選用

超級電容器的高功率輸出、快速充電、寬溫度范圍以及使用壽命長等方面明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)動力電池。對于汽車在啟動、加速、爬坡時的大功率輸出要求均能較好的滿足。在汽車中當(dāng)超級電容與動力電池配合使用時，可以減少大電流充放電時對電池的傷害，延長使用壽命。擁有超級電容器的混合動力汽車可以明顯減少汽車的總排放量，節(jié)約能量，其燃料可以減少25%的用量[12]。圖5為帶有超級電容的混合動力汽車的基本結(jié)構(gòu)組成示意圖[11,12]。

以城市混合動力公共汽車為例，可以看出超級電容器在汽車使用實際情況[10]。該城市混合動力公共汽車是由一個85KW的異步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，通過一個125KW柴油機(jī)恒速驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)饋電和帶有超級電容的能量存儲單元與經(jīng)過相控穩(wěn)壓器電路鏈相耦合的供電系統(tǒng)向自換向雙向變化器供電。當(dāng)車速低于20km/h，超級電容器開始放電；當(dāng)柴油機(jī)的輸出功率小于50KW時，超級電容器也開始放電。超級電容器可以進(jìn)行在汽車制動時進(jìn)行能量的回收，其儲能單元與柴油機(jī)都在高效運(yùn)行狀態(tài)。超級電容器通過自身的這些優(yōu)點使燃料消耗降低了26%，城市的總的能量需求減少了18%，并且減少了城市范圍內(nèi)的大氣污染。超級電容器不但可以應(yīng)用在公共汽車上，在需要進(jìn)行各種加速和制動循環(huán)地鐵與轎車上也可以廣泛的使用[6]。

對于超級電容器的具體工作流程，可以通過一實例來進(jìn)行說明。當(dāng)一臺質(zhì)量為2噸的汽車在看見紅綠燈時開始制動，其初始制動速度為50Km/h，經(jīng)過制動后直到速度為0。它所產(chǎn)生的動能可以被存儲在超級電容器中。超級電容器的初始充電電壓為UE=46V，充電完成時電壓為UA=25V。通過下面的公式（2）和公式（3）可以得出在此充電過程中所需要的電容量。

汽車制動產(chǎn)生的能量

其中，質(zhì)量m=2t=2000kg, 速度v=50km/h=13.89m/s。經(jīng)過上式計算得到能量為193kJ。

再由下式能量與電容的關(guān)系可以得出儲存制動能量所需的電容：

最終可以得出存儲制動能量所需要的電容為260F。

在此制動過程中，假設(shè)制動時間為10s。利用公式（5）可以得出完成此制動過程的制動電流。

根據(jù)上式可得到對應(yīng)的制動電流為546A。

在選用電容器時可以通過以上計算結(jié)果來選取合適的容量與數(shù)量的電容器進(jìn)行組合。經(jīng)過以上公式計算，此輛汽車需要260F的電容量和46V的涌浪電壓。其電容可以用18個5000F/2.7V的超級電容器進(jìn)行串聯(lián)可以滿足。

4、超級電容器的其它應(yīng)用領(lǐng)域

目前的內(nèi)燃機(jī)型的汽車基本上是用蓄電池組來啟動柴油發(fā)電機(jī)組的，蓄電池的充放電時間較長，在冬天啟動汽車比

較困難。冬天，很多司機(jī)都會將卡車處于怠速狀態(tài)，以保證卡車在停了幾個小時后能重新啟動。德國的研究人員對超級電容器應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)的快速啟動上做了研究[10]，以解決怠速停車產(chǎn)生的能源浪費(fèi)問題。他們使用一個小的蓄電池并聯(lián)一個超級電容器代替原蓄電池為車輛啟動提供動力。超級電容器+蓄電池組構(gòu)成的啟動能源系統(tǒng)的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)車用蓄電池的1／3，但卻使啟動機(jī)的啟動扭矩提高50%，而且啟動轉(zhuǎn)速也有所增加[10]。

另外，在其他領(lǐng)域超級電容器也獲得成功的應(yīng)用，超級電容器替代電解電容器，應(yīng)用在高壓變電站及開關(guān)站的電容儲能式硅整流分合閘裝置中，作為儲能裝置，可以解決電解電容器由于儲能低及漏電流大造成的分合閘裝置町靠性差等缺點，防止產(chǎn)生嚴(yán)重事故[11]。超級電容器代替電解電容器能保持原裝置簡單的結(jié)構(gòu)，還能降低成本，減少維護(hù)量[11]。

超級電容器也可以用于分布式電網(wǎng)的儲能。該系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時，再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的能量，從而實現(xiàn)電能的平衡、穩(wěn)定控制[11。

新一代的激光武器、粒子束武器、潛艇、導(dǎo)彈以及航天飛行器等高功率軍事裝備在發(fā)射階段除了具有常規(guī)高比能量電池外，還必須與超大容量電容器組合才能構(gòu)成“致密型超高功率脈沖電源”，通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調(diào)整，使脈沖電起飛加速器、電弧噴氣式推進(jìn)器等裝置能實現(xiàn)在脈沖狀態(tài)下達(dá)到任何平均功率水平的狀態(tài)。Evans公司開發(fā)了一種大型的超級電容器，計劃應(yīng)用于海軍。Evans公司的這種電容器的工作電壓為120V，存儲的能量超過35 kJ，功率高于20kW[5]。

超級電容器由于具備高比功率、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，使其作為許多電力行業(yè)的首要選擇。目前已應(yīng)用于計算機(jī)備用電源、信號燈電源及與燃料電池、鎳氫電池等動力電池復(fù)合作為電動汽車的動力電源。尤其是混合動力汽車和純電力驅(qū)動汽車，超級電容器重要的研究方向之一是將其與高比能量的蓄電池連用，在車輛加速、剎車或爬坡的時候提供車輛所需的高功率，在車輛正常行駛時則由蓄電池充電或由車輛剎車時所產(chǎn)生的電能充電，減少汽車對蓄電池大電流放電的要求，達(dá)到減少蓄電池的體積和延長蓄電池壽命的目的。

目前，超級電容器的研究主要圍繞碳材料展開，但是制備的電容器比能量很低，而且性能有待進(jìn)一步提高。納米碳材料的出現(xiàn)和發(fā)展為超級電容器電極材料研究提供了新的發(fā)展方向，將給超級電容器性能提高提供廣闊的發(fā)展思路和空間[8]。

5、結(jié)論

在與蓄電池和傳統(tǒng)電容器相比，超級電容器在功率密度、壽命、快速充電性能以及工作溫度方面具有明顯的優(yōu)勢，但在成本和能量密度方面仍需要大幅度的提高。超級電容器在電動汽車和混合動力汽車中的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢。尤其當(dāng)車輛啟動和爬坡需要大功率能量輸出時，超級電容器的快速響應(yīng)相對比傳統(tǒng)蓄電池電動汽車的優(yōu)勢不言而喻。超級電容器的優(yōu)勢同樣可以應(yīng)用在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車蓄電池問題、電力系統(tǒng)的儲能以及軍事新興武器研究等各個領(lǐng)域。隨著對超級電容器研究的深入，其實用性和性能將不斷提高，超級電容的前景將無限寬廣。

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Discussion of Super capacitor and Its Key Technology in Hybrid Power Vehicle

Zhao Xuzhe
(Illinois Institute of Technology, Chicago, IL, USA 60616)

In this thesis, methods in power drive of modern vehicle are simply introduced. It is explicitly point out that modern vehicle electromotion is development direction. Advantage of hybrid electric vehicle and its properties are briefly related. It is explicitly point out that electric energy storage method in hybrid power vehicle is important. Advantage of super capacitor in hybrid electric vehicle is related. super capacitor kinds, operating principle, charge-discharge way are simply introduced. Key technology of super capacitor in hybrid power vehicle is discussed. Other application fields of super capacitor are simply introduced.

hybrid power vehicle; electromotion；super capacitor；charge-discharge way

U469.7

A

1671-7988(2014)10-82-06

趙旭哲，就讀于美國伊利諾理工大學(xué)。