趙旭哲

（伊利諾理工大學(xué)，芝加哥 伊利諾伊州 美國(guó) 60616）

混合動(dòng)力汽車用超級(jí)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(guó) 60616）

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

混合動(dòng)力汽車；電動(dòng)化；超級(jí)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(dòng)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(duì)優(yōu)勢(shì)的汽車均采用燃油發(fā)動(dòng)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(lái)源于汽車[2]，我國(guó)近年來(lái)的霧霾嚴(yán)重很多也是汽車污染造成的。據(jù)報(bào)道，北京市機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)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(guó)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(dòng)車尾氣也相當(dāng)嚴(yán)重[1]。2013年3月，中國(guó)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(jí)，確保中國(guó)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(shí)現(xiàn)。為了能夠緩解機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)大氣污染的進(jìn)一步惡化，新動(dòng)力汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車是大勢(shì)所趨。現(xiàn)如今，許多國(guó)家都開(kāi)始了新一代汽車的研制。1993年美國(guó)開(kāi)始執(zhí)行“新一代汽車伙伴計(jì)劃-PNGV ( Partnership for a New Generation of Vehicles)”,隨后日本也啟動(dòng)了政府“先進(jìn)清潔汽車項(xiàng)目- ACE ( Advanced Clean Energy Vehicle Project)”,而歐洲則提出了“明日汽車- The Car of Tomorrow”計(jì)劃。而早在1999年4月，中國(guó)政府在北京召開(kāi)了“全國(guó)清潔汽車行動(dòng)大會(huì)”，決定在北京、上海等12個(gè)大城市進(jìn)行“清潔汽車試驗(yàn)示范”活動(dòng)以實(shí)施城市“藍(lán)天”計(jì)

劃[2]。因此，目前，有很多可替代燃油發(fā)動(dòng)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(dòng)力汽車等。

據(jù)報(bào)道，2013年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量1.75萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)39.7%，其中純電動(dòng)汽車1.42萬(wàn)輛；新能源汽車銷售1.76萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)37.9%，其中純電動(dòng)汽車銷售1.46萬(wàn)輛。我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷不斷創(chuàng)新高的同時(shí)，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(wèn)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(dòng)公交車和200量電動(dòng)出租車推廣應(yīng)用計(jì)劃。未來(lái)5年，太原市將建設(shè)28座電動(dòng)汽車充電站，充電站科技含量和服務(wù)能力將達(dá)到國(guó)際化、智能化水平。2014年5月15日，國(guó)家稅務(wù)總局貨物和勞務(wù)稅司副司長(zhǎng)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(duì)城市中經(jīng)常用到的電動(dòng)汽車，林楓說(shuō)，這有利于節(jié)能減排，現(xiàn)行消費(fèi)稅政策規(guī)定，電動(dòng)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(guó)現(xiàn)狀，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是最具有實(shí)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(dòng)力汽車（hybrid power vehicle）總成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三部分動(dòng)力總成組成，它們之間以串聯(lián)的方式組成動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過(guò)控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車（如串聯(lián)型式Ⅰ、串聯(lián)型式Ⅱ）。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，大負(fù)荷時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)車輛處啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供電能（串聯(lián)型式Ⅱ）；當(dāng)電動(dòng)車處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電池組虧電時(shí)則由發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來(lái)達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以共同或分別驅(qū)動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動(dòng)系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車加速爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)維持該速度。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組。由于沒(méi)有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動(dòng)機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動(dòng)機(jī)為主的形式中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，電機(jī)為輔助動(dòng)力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力源，電機(jī)為主動(dòng)力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)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(dòng)力車輛則有四種類型：

微混合（micro hybrids）,有時(shí)也叫“起-?；旌稀?，其特點(diǎn)是采用低電壓和低功率的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)不驅(qū)動(dòng)車輪，只是用于大功率的起動(dòng)機(jī)。在內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)，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(dòng)更加輕松可靠；汽車在減速、制動(dòng)時(shí)還可以使內(nèi)燃機(jī)熄火，電動(dòng)機(jī)則通過(guò)再生制動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是采用高電壓和低功率的電動(dòng)機(jī)，在汽車加速時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)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(diǎn)是可以只使用內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛,也可二者同時(shí)驅(qū)動(dòng)。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(dòng)力汽車 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下簡(jiǎn)稱為PHEV)，PHEV是指可以使用家用電源插座（例如220V電源)對(duì)混合動(dòng)力車電池充電的混合動(dòng)力汽車，同時(shí)這種混合動(dòng)力汽車可單獨(dú)依靠電池就能行駛較長(zhǎng)距離，但需要時(shí)仍然可以像通常的全混合動(dòng)力汽車一樣工作。例如有一輛可以單獨(dú)靠電池行駛50km的PHEV，可利用電池行駛40km到旅程終點(diǎn)后，插入電源對(duì)電池充電；如果旅程超過(guò)50km，則開(kāi)始的50km可以用電池來(lái)行駛，超過(guò)50km后則可以以通常的混合動(dòng)力方式行駛，到了旅程終點(diǎn)則再插入電源對(duì)電池充電[3]。

從上面的混合動(dòng)力汽車（hybrid power vehicle）工作原理簡(jiǎn)介可看出，混合動(dòng)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(dòng)力汽車（hybrid power vehicle）的成本很高，但是隨著電池和混合動(dòng)力技術(shù)的進(jìn)步，混合動(dòng)力汽車（hybrid power vehicle）可能會(huì)成為未來(lái)的一種汽車[3]。為此下面僅對(duì)混合動(dòng)力汽車（hybrid power vehicle）上使用超級(jí)電容（super capacitor）解決電能儲(chǔ)存的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1、超級(jí)電容器類型及其特點(diǎn)

超級(jí)電容器（super capacitor）作為一種新型的儲(chǔ)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(chǔ)能方案。與電池相比，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在各個(gè)方面。從表1可以看出，超級(jí)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(shì)。尤其是在快速充電性能方面優(yōu)勢(shì)極為突出。但由于其能量密度較小，所以不適合進(jìn)行長(zhǎng)途行駛。但在重型純電動(dòng)牽引車，以及運(yùn)輸線路固定、路況良好、啟動(dòng)頻繁的港口碼頭應(yīng)用較為廣泛。超級(jí)電容器具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]；

（1）超級(jí)電容器與普通的電容器相比具有超高的容量。超級(jí)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(jí)電容器的功率密度是電池的10～100倍，它可在瞬時(shí)提供大電流，短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到幾百到幾千毫安。

（3）由于超級(jí)電容器的充放電過(guò)程不會(huì)對(duì)電極材料造成影響，循環(huán)次數(shù)不會(huì)影響電極材料的使用壽命。因此超級(jí)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(jí)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(shí)，在60℃的環(huán)境溫度下為4000小時(shí)[6]。而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)1000次[9]。

（4）與電池相比，超級(jí)電容器的材料是無(wú)毒、安全的。因此，超級(jí)電容器對(duì)環(huán)境不會(huì)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(jí)電容器在放置長(zhǎng)時(shí)間后，電壓會(huì)下降。但再次充電后會(huì)回到原來(lái)的電位，并且對(duì)超級(jí)電容器的容量性能沒(méi)有影響。

（6） 超級(jí)電容器使用的材料安全、無(wú)毒、環(huán)保。

根據(jù)電極材料的不同，超級(jí)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(jí)電容器。

超級(jí)電容器根據(jù)儲(chǔ)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(jí)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(duì)稱型和非對(duì)稱型。當(dāng)兩個(gè)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(duì)稱型。碳電極雙層電容器和貴金屬氧化物電容器均為對(duì)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(duì)稱型電容器。

表1 幾種常用動(dòng)力電池的性能對(duì)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(lái)存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通的電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷、負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，進(jìn)一步在超級(jí)電容的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液的內(nèi)電場(chǎng)中，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)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(gè)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(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)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(shì)超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解為非正常狀態(tài)。

由于隨著超級(jí)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(jí)電容的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)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(jí)電容器為正常工作狀態(tài)的當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于庫(kù)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(hào)相反的兩層電荷，稱為界面雙電層[7]。超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，超級(jí)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(jí)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(shí)際面積與空間面積的比例，并且具有流動(dòng)性的電解液可以與多孔化的活性炭電極緊密接觸使得實(shí)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(duì)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(huì)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(jí)電容器。它所采用的電極材料通常是過(guò)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(jià)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(jí)電容器更優(yōu)越的電性能。因?yàn)榫酆衔锂a(chǎn)品具有良好的電子電導(dǎo)率，可通過(guò)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(guò)法拉第過(guò)程大量?jī)?chǔ)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(shì)。導(dǎo)電聚合物電極電容器可分為三種類型，第一種為對(duì)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(duì)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(shí)電容器的一個(gè)電極是n型摻雜狀態(tài)，而另一個(gè)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(shí)，電容器具有類似蓄電池放電時(shí)的特性，即充分利用溶液中的陰陽(yáng)離子來(lái)進(jìn)行放電的過(guò)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(jí)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(gè)極板上時(shí)，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(chǎng)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(lái)平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)。當(dāng)電容器兩極板間的電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上的電荷不會(huì)脫離電解液，這是電容器的放電過(guò)程。而當(dāng)電容器兩端的電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將進(jìn)行分解，此過(guò)程就為電容器的充電過(guò)程。圖3所示雙層電容器的充放電過(guò)程示意圖。

對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，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(chǔ)存于電極中。當(dāng)在和多孔過(guò)渡金屬氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，有如下現(xiàn)象出現(xiàn)在充放電過(guò)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(shí)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(guò)程是動(dòng)力學(xué)高度可逆，反應(yīng)隨著電荷的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)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(guò)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(guò)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(dòng)力汽車中的超級(jí)電容器及其選用

超級(jí)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(zhǎng)等方面明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)動(dòng)力電池。對(duì)于汽車在啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)的大功率輸出要求均能較好的滿足。在汽車中當(dāng)超級(jí)電容與動(dòng)力電池配合使用時(shí)，可以減少大電流充放電時(shí)對(duì)電池的傷害，延長(zhǎng)使用壽命。擁有超級(jí)電容器的混合動(dòng)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(jí)電容的混合動(dòng)力汽車的基本結(jié)構(gòu)組成示意圖[11,12]。

以城市混合動(dòng)力公共汽車為例，可以看出超級(jí)電容器在汽車使用實(shí)際情況[10]。該城市混合動(dòng)力公共汽車是由一個(gè)85KW的異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)一個(gè)125KW柴油機(jī)恒速驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)饋電和帶有超級(jí)電容的能量存儲(chǔ)單元與經(jīng)過(guò)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(jí)電容器開(kāi)始放電；當(dāng)柴油機(jī)的輸出功率小于50KW時(shí)，超級(jí)電容器也開(kāi)始放電。超級(jí)電容器可以進(jìn)行在汽車制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量的回收，其儲(chǔ)能單元與柴油機(jī)都在高效運(yùn)行狀態(tài)。超級(jí)電容器通過(guò)自身的這些優(yōu)點(diǎn)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(jí)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(dòng)循環(huán)地鐵與轎車上也可以廣泛的使用[6]。

對(duì)于超級(jí)電容器的具體工作流程，可以通過(guò)一實(shí)例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)一臺(tái)質(zhì)量為2噸的汽車在看見(jiàn)紅綠燈時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，其初始制動(dòng)速度為50Km/h，經(jīng)過(guò)制動(dòng)后直到速度為0。它所產(chǎn)生的動(dòng)能可以被存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。超級(jí)電容器的初始充電電壓為UE=46V，充電完成時(shí)電壓為UA=25V。通過(guò)下面的公式（2）和公式（3）可以得出在此充電過(guò)程中所需要的電容量。

汽車制動(dòng)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(guò)上式計(jì)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(chǔ)存制動(dòng)能量所需的電容：

最終可以得出存儲(chǔ)制動(dòng)能量所需要的電容為260F。

在此制動(dòng)過(guò)程中，假設(shè)制動(dòng)時(shí)間為10s。利用公式（5）可以得出完成此制動(dòng)過(guò)程的制動(dòng)電流。

根據(jù)上式可得到對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電流為546A。

在選用電容器時(shí)可以通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果來(lái)選取合適的容量與數(shù)量的電容器進(jìn)行組合。經(jīng)過(guò)以上公式計(jì)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(gè)5000F/2.7V的超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)可以滿足。

4、超級(jí)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(lái)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組的，蓄電池的充放電時(shí)間較長(zhǎng)，在冬天啟動(dòng)汽車比

較困難。冬天，很多司機(jī)都會(huì)將卡車處于怠速狀態(tài)，以保證卡車在停了幾個(gè)小時(shí)后能重新啟動(dòng)。德國(guó)的研究人員對(duì)超級(jí)電容器應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的快速啟動(dòng)上做了研究[10]，以解決怠速停車產(chǎn)生的能源浪費(fèi)問(wèn)題。他們使用一個(gè)小的蓄電池并聯(lián)一個(gè)超級(jí)電容器代替原蓄電池為車輛啟動(dòng)提供動(dòng)力。超級(jí)電容器+蓄電池組構(gòu)成的啟動(dòng)能源系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)車用蓄電池的1／3，但卻使啟動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)扭矩提高50%，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)速也有所增加[10]。

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

超級(jí)電容器也可以用于分布式電網(wǎng)的儲(chǔ)能。該系統(tǒng)利用多組超級(jí)電容器將能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)，再將存儲(chǔ)的能量通過(guò)控制單元釋放出來(lái)，準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的能量，從而實(shí)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(guò)對(duì)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(shí)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(kāi)發(fā)了一種大型的超級(jí)電容器，計(jì)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(chǔ)的能量超過(guò)35 kJ，功率高于20kW[5]。

超級(jí)電容器由于具備高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，使其作為許多電力行業(yè)的首要選擇。目前已應(yīng)用于計(jì)算機(jī)備用電源、信號(hào)燈電源及與燃料電池、鎳氫電池等動(dòng)力電池復(fù)合作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源。尤其是混合動(dòng)力汽車和純電力驅(qū)動(dòng)汽車，超級(jí)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(shí)候提供車輛所需的高功率，在車輛正常行駛時(shí)則由蓄電池充電或由車輛剎車時(shí)所產(chǎn)生的電能充電，減少汽車對(duì)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(zhǎng)蓄電池壽命的目的。

目前，超級(jí)電容器的研究主要圍繞碳材料展開(kāi)，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(jí)電容器電極材料研究提供了新的發(fā)展方向，將給超級(jí)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(jí)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(shì)，但在成本和能量密度方面仍需要大幅度的提高。超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢(shì)。尤其當(dāng)車輛啟動(dòng)和爬坡需要大功率能量輸出時(shí)，超級(jí)電容器的快速響應(yīng)相對(duì)比傳統(tǒng)蓄電池電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)不言而喻。超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)同樣可以應(yīng)用在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車蓄電池問(wèn)題、電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能以及軍事新興武器研究等各個(gè)領(lǐng)域。隨著對(duì)超級(jí)電容器研究的深入，其實(shí)用性和性能將不斷提高，超級(jí)電容的前景將無(wú)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(guó)伊利諾理工大學(xué)。