电动汽车的新型储能装置

［摘要］文章重点介绍超级电容器的结构特点、性能优势、研究进展及应用领域。以期在倡导建设节约型社会中，使更多的新能源汽车生产厂家，对这一新型储能装置有更深的了解和认识。

［关键词］超级电容器；电动汽车；辅助能源

［作者简介］刘延林，国家机动车产品质量监督检验中心（上海），研究方向：新能源汽车检测工程技术，上海，201805

［中图分类号］ U469.72［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2008）03-0034-0005

一、引言

超级电容器也称电化学电容器，具有良好的脉冲性能和大容量储能性能，质量轻、循环性能好，是一种新型绿色环保的储能装置，近年来受到科研人员的广泛重视及应用市场的关注。

在现代高科技产业发展领域中，由于大量大型装备配套动力电源系统既要求具备高比能量，又要求电源系统具备高比功率，而就化学电源本身的特性而言，两者很难兼顾。特别是在需要高功率脉冲输出的场合，常规的化学电源很难满足要求，如军用特种车辆在全天候条件下的快速启动、卫星通讯、爬坡等等。上述场合现在通常使用铅酸、镉镍等电池产品作为电源时，其比功率往往在100～300W/kg，不仅笨重、维护复杂而且充电速度低、使用寿命短。而超级电容器组合的比功率可以达到1500～5000W/kg。同时，不含充电电池组的超级电容器组合的比功率更可以达到1500～10000W/kg，其特性更适于未来艰苦环境工作以及相关电子技术进步对电源系统提出的技术要求。

二、超级电容器的结构

虽然，目前全球已有许多家超级电容器生产商可以提供许多种类的超级电容器产品，但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料，如图1所示。

三、超级电容器应用于汽车领域

随着环保型电动汽车研究的兴起和发展，目前在民用领域中，超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池，应用于电动汽车的电源启动系统，在车辆的起步、加速、爬坡、制动过程中起到保护蓄电池和节约能源的作用，甚至可以直接作为电动车的动力电源使用。图2为超级电容器作为电动车动力电源使用时，爬坡试验的速度—时间—距离变化曲线。

从图2可知，使用单组超级电容组时，在4.5%的坡道上可大约行驶500m；在车辆设计时，可根据具体的道路情况（长度、坡度等），采用增加超级电容组的方式（或配备超级别能量密度的超级电容组）可增大爬坡距离，以满足实际使用需要。超级电容器还可以为内燃机以及其他重型汽车发动机的启动系统提供瞬间的大电流脉冲。

四、超级电容器的技术优点

目前，在能源领域主要有三种类型的储能器件：电池、物理电容器和超级电容器。超级电容器是介于传统物理电容器和电池特性之间的一种新型能源器件，其所具备的巨大优越性主要体现为：

1.充电时间短，方便用户。超级电容器与铅酸等二次电池一样，可以多次反复使用。当储存在超级电容器中的电能耗尽时，需要重新充电。与传统的二次电池相比，它的充电时间非常短，用户只需等待片刻，这一优点与现代快节奏的工作、生活合拍；而铅酸、镍氢等二次电池的充电，需要等待的时间一般超过数个小时（甚至十余个小时），对使用者来说长时间的充电等待不仅显得非常不便利，而且也容易因此降低其使用兴趣。

2.循环寿命长，一次购买，终身使用。超级电容器与蓄电池完全不同，超级电容器充电／放电时不像蓄电池那样对电极有破坏作用，其反复充电使用的寿命超过1万次，极限寿命可以达到10万~50万次。可以说是：一次购买，终身使用。

3.使用温度范围宽。一般说来，超级电容器可以正常工作的温度范围在-40℃～75℃之间。在极限温度(临界高温与低温)，其抗恶劣环境温度的能力远远大于传统的蓄电池。因此，在军事上、航天航空以及在环境恶劣的地区，超级电容器可以发挥电池不能发挥的优势。

4.健康绿色环保型能源。超级电容器还是一种绿色环保型产品，节能、环保，对使用者和环境都不会产生负面影响，是健康的能源。图4为超级电容与铅酸电池、镍氢电池、锂电池的性能比较。

蓄电池的性能通常由活性物质的热力学与动力学性质所决定。一般情况下，在充放电时，电极电位的变化不大，其储存的能量E为：电池放电时活性物质发生氧化还原反应所通过的电量Q，乘以电池两极电位差V，即E=QV；对于超级电容器，电极上活性物质的化学位和电极电位是电极荷电量的连续函数，具体表现为：(1)电极电压和电极中充入电荷的量成线性关系；(2)如果电极电位随时间作线性变化，可以得到一个大体恒定的充电电流。由于其储能时电极电位随充入的电荷量的增加而升高，所以，它所储存的能量为相同电量和电压下蓄电池能量的一半，即E=1/2QV。如果升高电容器的电压，则可提高电容器的比能量。

Li-ion、Ni-MH、Lead-acid等化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，充电时间长，使用寿命较短，并且受温度影响较大；大电流充放电会直接影响这些电池的使用寿命。因此，对于要求长寿命、高可靠性的电动汽车领域的应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足（见表1）。

五、超级电容器的分类

按电极材料，超级电容器可分为以下3种：(1)碳电极电容器；(2)贵金属氧化物电极电容器；(3)导电聚合物电容器。

按机理，超级电容器可分为两种类型：(1)“双电层电容器”，其电容的产生主要基于电极／电解液上电荷分离所产生的双电层电容，如碳电极电容器；(2) “法拉第准电容”，由贵金属和贵金属氧化物电极等组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，该类电容的产生机制与双电层电容不同，并伴随电荷传递过程的发生，通常具有更大的比电容。

根据超级电容器的结构及电极上所发生反应的不同，又可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。如果两个电极的组成相同且电极反应相同，但反应方向相反，则被称为对称型——碳电极双电层电容器，贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同，则被称为非对称型，由可以进行n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器，其性能表现形式更接近于蓄电池，可表现出更高的比能量和比功率。

按电解液不同，超级电容器可分为水溶液体系超级电容器、有机体系超级电容器、固体物电解质超级电容器。用水溶液体系可获得高容量及高比功率；选用有机溶液体系则可获得高电压从而也可获得高的比能量。

碳电极电容器的研究历史较长。1962年，标准石油公司(SOHIo)认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值，生产出了工作电压为6V的以碳材料作为电极的电容器。近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的碳材料，主要有：活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。

对贵金属氧化物电极电容器的研究，主要采用Ru02、IRO2等贵金属氧化物作为电极材料。由于Ru02电极的导电性比碳电极好，电极在硫酸中稳定，可以获得更高的比能量，制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能，因此具有很好的发展前景。但是，由于贵金属的资源有限、价格昂贵限制了它的应用。

导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器，具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。可通过设计选择相应聚合物的结构，进一步优选提高聚合物的性能，从而提高电容器的性能。导电聚合物电极电容器可分为三种类型：(1)对称结构——电容器中两电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物(如聚噻酚)；(2)不对称结构——两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩)；(3)导电聚合物可以进行p型和n型掺杂，充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态而另一个电极是P型掺杂状态，放电后都是去掺杂状态，这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3V，而两电极的聚合物分别为n型掺杂和P型掺杂时，电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子，其放电特征与蓄电池非常相似，被认为是最有发展前景的电化学电容器。

电动汽车用超级电容器按QC/T 741-2006分类可分为能量型超级电容器和功率型超级电容器两种：（1）能量型超级电容器，以高比能量为特点，主要用于高能量输入、输出的电容器。能量型超级电容器UCEF-16V5000F所表示的意义如图4所示：

（2）功率型电容器，以高比功率为特点，主要用于瞬间高功率输入、输出的电容器。

功率型超级电容器：UCPY-28V300F所表示的意义如图5所示：

六、超级电容器的研究近况

超级电容器具有功率密度高、寿命长、使用温度宽以及充电迅速等优异特性，各国政府和公司都积极开展此方面的研究开发工作，并已有各种产品得到了商业应用。俄罗斯、美国、日本等国已就超级电容器开展了大量研究工作，并取得了一定的进展。表2列出了国外超级电容器的研究现状。

由于动力超级电容器具有军民两用的敏感性，国外一直不输出关键技术。国家“863计划”将超级电容器的研究、开发纳入了电动车重大专项课题，我国科技人员经过多年基础研究、科技攻关和反复试验，终于在超级电容器的材料、工艺、测试等方面获得了成功，掌握了其中的核心技术，取得了突破性的进展。

超级电容器凭借其高比功率、长循环寿命等优异特性而在各个领域得到了广泛应用。目前已应用的主要领域有车辆主电源、激光武器、专业计算机系统电源、微型计算机、内燃机中启动电力、信号灯电源、与燃料电池或太阳能电池配套作为装备长寿命供电电源、与镍氢电池等动力电池复合作为装备动力电源（未来可作为弹上武器装备动力电源使用），还可应用于航空航天等领域。

目前，超级电容器得到广泛应用的领域是主要专用车辆领域，如坦克、电动汽车等。特别是电动汽车对动力电源的要求引起了全世界范围对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。超级电容器在专用车辆领域，表现出传统动力电池难以比拟的优越性能。传统动力电池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及长寿命等方面存在一定的局限性，有些苛刻条件可能会显著降低电池的寿命。而超级电容器能较好地满足车辆在启动、加速、爬坡时对功率的需求。图6为用超级电容器驱动的电动车辆在启动和爬坡的瞬时对功率的需求情况，瞬时达到140kW以上。

图6为启动和爬坡时对电流的需求情况，瞬时达到300A以上。

从对动力超级电容的试验结果来看，我们不难设想：将超级电容作为辅助能源若能与动力蓄电池配合使用，则可减少大电流充放电对电池的损害，延长电池的使用寿命，同时还能通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中，提高能量利用率。随着电动车研究的深化，超级电容器重要的研究方向之一是将其作为辅助能源与高比能量的蓄电池连用，在特种车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率，在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电，减少汽车对蓄电池大电流放电的要求，达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。

七、结论

随着超级电容器各种材料及工艺方面研究的不断深入，超级电容器的性能将不断提高，应用领域将不断拓宽，超级电容器将为电动汽车技术瓶颈（电池）的解决带来一线曙光。

［参考文献］

［1］国家发展和改革委员会.车用超级电容器［M］.北京:中国计划出版社,2006.

［2］华黎,等.动力超级电容车从技术突破到推广应用［A］.上海:上海市汽车工程学会学术年会论文集［C］.2006.

［3］张步涵,等.超级电容器储能技术及其应用［J］.水电能源科学, 2006,（5）.

［4］Bobby Maher .The introduction of ultra capacitor ［J］.今日电子,2006,（1）.

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