由于環(huán)境污染和石油危機的雙重壓力，電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)的能量源泉，但目前電池技術(shù)還不能完全滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)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(shí)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(diǎn)，在電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)有效地改善運動(dòng)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(cháng)(幾萬(wàn)至十萬(wàn)次)、無(wú)污染等獨特的優(yōu)點(diǎn)，和其他能量元件(發(fā)動(dòng)機、蓄電池、燃料電池等)組成聯(lián)合體共同工作，是實(shí)現能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動(dòng)車(chē)一次充電的續駛里程。因此，超級電容在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景，將是未來(lái)電動(dòng)車(chē)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(kāi)發(fā)，并研究超級電容在電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)和制動(dòng)系統中的應用，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(diǎn)

超級電容(Ultracapacitor)是近期發(fā)展起來(lái)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(dòng)功率的物理二次電源，它與常規電容器不同，其容量可達數萬(wàn)法。超級電容按儲能機理主要分為三類(lèi)：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(xué)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(guò)程，其循環(huán)次數高，充電過(guò)程快，因此比較適合在電動(dòng)車(chē)中應用。雙電層超級電容是靠極化電解液來(lái)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(shí)，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周?chē)娊赓|(zhì)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(gè)超級電容單元的電容量就高達幾法至數萬(wàn)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(gè)特點(diǎn)使超級電容非常適合于短時(shí)大功率的應用場(chǎng)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(shí)則可以放出所存儲的全部電能，而且沒(méi)有蓄電池快速充電和放電的損壞問(wèn)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(guò)程中免維護、使用壽命長(cháng)(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～ 45℃)等優(yōu)點(diǎn)，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統較為穩定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見(jiàn)表1。

2、應用研究現狀



2.1國內外的應用研究進(jìn)展

由于超級電容的優(yōu)越性能和近年來(lái)對超級電容開(kāi)發(fā)能力的提高，因此超級電容在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應用。目前，世界各國爭相研究、并越來(lái)越多地將其應用到電動(dòng)車(chē)上。超級電容已經(jīng)成為電動(dòng)車(chē)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被認為是解決未來(lái)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力問(wèn)題的最佳途徑之一。

2.1.1日本的情況

日本本是將超級電容應用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的先驅?zhuān)夒娙菔墙陙?lái)日本電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統開(kāi)發(fā)中的重要領(lǐng)域之一。本田的FCX燃料電池一超級電容混合動(dòng)力車(chē)是世界上最早實(shí)現商品化的燃料電池轎車(chē)，該車(chē)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(dòng)機和超級電容的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車(chē)，此外還推出了天然氣一超級電容混合動(dòng)力客車(chē)，該車(chē)的經(jīng)濟性是原來(lái)傳統天然氣汽車(chē)的2.4倍。目前，裝備超級電容的混合動(dòng)力電動(dòng)公交車(chē)已經(jīng)成為日本的國家攻關(guān)項目。

2.1.2歐美的狀況

瑞士的PSI研究所給一輛48kW的燃料電池車(chē)安裝了儲能360Wh的超級電容組，超級電容承擔了驅動(dòng)系統在減速和起動(dòng)時(shí)的全部瞬態(tài)功率，以50kW的15s額定脈沖功率來(lái)協(xié)助燃料電池工作，牽引電機額定連續功率為45kW，峰值功率為75kW，采用360V的直流電源。大眾Bora實(shí)驗車(chē)進(jìn)行的燃油消耗測試結果表明其油耗少于7L/100km，而相同質(zhì)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(dòng)汽車(chē)，采用300個(gè)電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時(shí)速為25km/h。美國在超級電容混合動(dòng)力汽車(chē)方面的研究也取得了一定進(jìn)展，Maxwell公司所開(kāi)發(fā)的超級電容器在各種類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)上都得到了良好的應用。美國NASALewis研究中心研制的混合動(dòng)力客車(chē)采用超級電容作為主要的能量存儲系統。

2.1.3中國的現狀

目前，國內對以超級電容作為惟一能源的電動(dòng)汽車(chē)的研究取得了一定的進(jìn)展，2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅動(dòng)式無(wú)軌電車(chē)”在上海張江投入試運行，該公交車(chē)利用超級電容比功率大和公共交通定點(diǎn)停車(chē)的特點(diǎn)，當電車(chē)?？空緯r(shí)在30s內快速充電，充電后就可持續提供電能，時(shí)速可達44km/h。2005年1月上海交通大學(xué)與山東煙臺市簽署協(xié)議，共同投資開(kāi)發(fā)超級電容公交電車(chē)，計劃在煙臺福山區建一條12km的示范線(xiàn)，在福山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區建立年產(chǎn)1萬(wàn)輛新型環(huán)保超級電容公交車(chē)的生產(chǎn)基地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團研制的超級電容電動(dòng)公交車(chē)，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(dòng)車(chē)的設計及控制，基本上還處于起步階段。

2.2電動(dòng)車(chē)中應用超級電容的拓撲結構

2.2.1純超級電容電動(dòng)車(chē)

直接以超級電容作為電動(dòng)車(chē)的惟一能源，此方法結構簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低，而且實(shí)現了零排放，因此比較適合用于短距離、線(xiàn)路固定的區域，例如火車(chē)站或者飛機場(chǎng)的牽引車(chē)、學(xué)校和幼兒園的送餐車(chē)、公園的瀏覽車(chē)和電動(dòng)公交車(chē)等。

2.2.2復合電源電動(dòng)車(chē)

超級電容與蓄電池、燃料電池等配合可以組成復合電源系統，但燃料電池因為成本較高，現在還不能得到實(shí)際應用。因此，國內外對超級電容一蓄電池復合電源系統的研究更多，其拓撲結構概括如圖2所示。圖2a結構最簡(jiǎn)單，但由于沒(méi)有DC/DC變換器，蓄電池和超級電容將具有相同的電壓，以致超級電容僅在蓄電池電壓發(fā)生快速變化時(shí)輸出和接收功率，從而減弱了超級電容的負載均衡作用。圖2b與圖2c都采用了雙向OC/OC變換器，圖2b中雙向DC/DC跟蹤檢測蓄電池的端電壓，以調控超級電容的端電壓使兩者匹配工作。由于蓄電池端電壓的變化比超級電容的端電壓平緩，因此對于DC/DC，圖2b比圖2c易于控制。圖2d理論上雖然具有更高的靈活性，但對DC/DC的控制策略要求非常精確復雜且不易維護。

2.3復合電源系統的控制策略



2.3.1速度約束控制策略

當車(chē)輛起步時(shí)，超級電容中應當儲存較多的能量，需要超級電容放電，保證電動(dòng)車(chē)的加速性能，而當車(chē)輛在高速行駛的情況下，超級電容應當儲存比較少的能量，以便在制動(dòng)過(guò)程中接收較多的能量。超級電容儲存的能量與其端電壓的平方成正比，由于超級電容的端電壓變化范圍比較大，因此放電時(shí)如何控制其放電深度，以備在行駛過(guò)程中二次放電或進(jìn)行再生制動(dòng)回收充電，但需要在實(shí)驗中反復進(jìn)行測試才能獲得。

2.3.2電流約束控制策略

電動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負載電流變化比較大，當負載電流太大以至于超過(guò)蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時(shí)，為了避免電池組過(guò)放電或過(guò)充電，需要由超級電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態(tài)，延長(cháng)其使用壽命。電池組的工作電流為：


為了避免過(guò)大的回饋電流對蓄電池造成損害，可采用恒定充電電流的制動(dòng)方式，即以蓄電池充電電流為被控對象。這是一種比較實(shí)用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統的電動(dòng)車(chē)。由于蓄電池電壓在再生制動(dòng)過(guò)程中不會(huì )發(fā)生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會(huì )太大。在超級電容一蓄電池復合電源系統中，由于超級電容端電壓在單次再生制動(dòng)過(guò)程中就會(huì )發(fā)生很大的改變，隨著(zhù)制動(dòng)過(guò)程中超級電容端電壓的上升和電機反電動(dòng)勢的下降，電樞電流將急劇上升，有可能對功率器件甚至電機造成損害，因此對超級電容充電時(shí)可采用恒功率的策略，即對再生制動(dòng)過(guò)程中超級電容的充電功率進(jìn)行控制。

在超級電容電壓低的時(shí)候，采用大電流充電，當電容電壓上升時(shí)，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統器件保護。

2.3.3綜合控制策略

采用速度約束控制策略可使車(chē)輛的動(dòng)力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時(shí)蓄電池的電流可以工作在規定的范同內，對蓄電池有保護作用。這2種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用綜合控制策略。即將速度約束控制策略和電流約束控制策略進(jìn)行綜合應用，可以兼顧它們的優(yōu)點(diǎn)，既能對蓄電池起到保護作用，延長(cháng)電池的使用壽命，又能提高整車(chē)的動(dòng)力性能。

3、西安交通大學(xué)的超級電容應用研究

西安交通大學(xué)電動(dòng)車(chē)研發(fā)中心一直致力于電動(dòng)車(chē)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)，提交了15項國家發(fā)明專(zhuān)利，正式授權5項，有2項國際發(fā)明專(zhuān)利已經(jīng)被正式受理。研發(fā)中心對電動(dòng)汽車(chē)超級電容一蓄電池復合電源系統進(jìn)行了研究，其核心是應用了雙向全橋DC/DC變換器，該變換器具有能量雙向流動(dòng)以及升、降壓功能。研發(fā)中心率先將Hα魯棒控制算法應用到電動(dòng)汽車(chē)復合電源能量回收技術(shù)上，和傳統控制方法相比，Hα魯棒控制可以方便地同時(shí)考慮輸入電壓的變化、負載擾動(dòng)和其他非線(xiàn)性的補償。由圖3所示的實(shí)驗表明，在市內道路行駛時(shí)，采用Hα，魯棒控制的復合電源電動(dòng)汽車(chē)(ⅪTUEV—I)比蓄電池單電源電動(dòng)汽車(chē)提高續駛里程30%～50%。

西安交通大學(xué)電動(dòng)車(chē)研發(fā)中心還依托西安交大科技園和博源電動(dòng)車(chē)技術(shù)有限責任公司合作進(jìn)行了超級電容一蓄電池復合電源微型電動(dòng)車(chē)的研究。該微型電動(dòng)車(chē)采用輪轂式無(wú)刷直流電機(BLDCM)，運用再生制動(dòng)能量回收技術(shù)，并應用了μ綜合魯棒控制算法。實(shí)驗證明，采用上述技術(shù)的微型電動(dòng)車(chē)比普通電動(dòng)車(chē)在動(dòng)力性能和續駛里程上都有顯著(zhù)提高，尤其是在頻繁剎車(chē)和突然加速的工況下，效果提高更明顯。設計的復合電源微型電動(dòng)車(chē)控制系統的主電路如圖4所示，工作原理如圖5所示，系統工作狀態(tài)如表2所示。該復合電源微型電動(dòng)車(chē)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在車(chē)輛制動(dòng)和減速時(shí)可大電流充電，從而提高能量回收效率，延長(cháng)電動(dòng)車(chē)的續駛里程;②超級電容的功率密度較大，因此可大電流放電，改善電動(dòng)車(chē)的啟動(dòng)、加速、爬坡性能;③可避免蓄電池大電流充放電，提高蓄電池的使用壽命;④可提高制動(dòng)力矩，改善制動(dòng)系統的可靠性;⑤回收時(shí)可先對超級電容充電，再對電池充電，所以可控性較好;⑥結構緊湊，成本較萬(wàn)方數據。

4、超級電容的應用發(fā)展趨勢

超級電容由于具有比功率高、循環(huán)壽命長(cháng)、充放電時(shí)間短等優(yōu)勢，因此作為電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力源(13.48，0.090，0.67%)而得到重視。隨著(zhù)環(huán)保型電動(dòng)車(chē)研究的深入。超級電容已經(jīng)成為近年來(lái)新型能源器件的一個(gè)研究熱點(diǎn)，超級電容的市場(chǎng)份額也將會(huì )越來(lái)越大。

用超級電容作為惟一能源的電動(dòng)車(chē)，由于超級電容比能量低的致命影響，注定其續駛里程短，難以推廣應用。如果超級電容的比能量不能在近階段內有突破性進(jìn)展，那么以超級電容作為惟一能源的電動(dòng)車(chē)在近幾年里就很難進(jìn)入實(shí)用階段。

超級電容和其他儲能元件組成的復合電源系統兼顧了其他儲能元件的高比能量和超級電容的高比功率的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)和加速性能的要求，并能提高電動(dòng)車(chē)制動(dòng)能量的回收效率。增加續駛里程。目前，超級電容可以和蓄電池、燃料電池、飛輪電池等組成復合電源系統。由于燃料電池存在成本很高、冷啟動(dòng)響應慢等缺陷，因此近幾年還處于實(shí)驗階段。飛輪電池的使用條件要求比較苛刻，再加上安全考慮，因此目前還很難有所突破。對蓄電池的研究目前已相當成熟，并且它成本相對較低，在電動(dòng)車(chē)能源領(lǐng)域占有重要的地位，因此超級電容一蓄電池復合電源系統最具有競爭力。隨著(zhù)對電動(dòng)車(chē)用超級電容的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)，超級電容一蓄電池復合電源系統在滿(mǎn)足性能和成本要求上更具有實(shí)用性，其市場(chǎng)前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

5、結論

本文在介紹超級電容的機理特性和概述國內外超級電容在電動(dòng)車(chē)中應用現狀的基礎上，總結了超級電容應用在電動(dòng)車(chē)中的拓撲結構及其控制策略。西安交通大學(xué)電動(dòng)車(chē)研發(fā)中心通過(guò)對電動(dòng)車(chē)和超級電容的研究，認為：超級電容比能量低的特性決定了以超級電容為惟一能源的電動(dòng)車(chē)只適合用于短距離和線(xiàn)路同定的區域，因此近期內難以推廣應用。超級電容一蓄電池復合電源系統綜合了超級電容和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改善電動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長(cháng)蓄電池的使用壽命，增加電動(dòng)車(chē)的續駛里程，因此將是超級電容應用于電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場(chǎng)前景。



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