【導讀】超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)綜合了超級電容和蓄電池的優(yōu)點，不僅可以改善電動車的瞬時功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長蓄電池的使用壽命，增加電動車的續(xù)駛里程，因此將是超級電容應用于電動車領域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場前景。
由于環(huán)境污染和石油危機的雙重壓力，電動車已經逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動車的能量源泉，但目前電池技術還不能完全滿足電動車的要求。
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，在電動車啟動、加速和爬坡時有效地改善運動特性。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(幾萬至十萬次)、無污染等獨特的優(yōu)點，和其他能量元件(發(fā)動機、蓄電池、燃料電池等)組成聯(lián)合體共同工作，是實現(xiàn)能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動車一次充電的續(xù)駛里程。因此，超級電容在電動車領域有著廣闊的應用前景，將是未來電動車發(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發(fā)，并研究超級電容在電動車驅動和制動系統(tǒng)中的應用，而我國超級電容的生產和應用還處于起步階段。
1、超級電容的機理與特點
超級電容(Ultracapacitor)是近期發(fā)展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈動功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達數(shù)萬法。超級電容按儲能機理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產生的雙電層電容;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生可逆化學吸附的法拉第電容;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程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，因此比較適合在電動車中應用。雙電層超級電容是靠極化電解液來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，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，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(tǒng)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，因此一個超級電容單元的電容量就高達幾法至數(shù)萬法。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，這個特點使超級電容非常適合于短時大功率的應用場合。
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，放電時則可以放出所存儲的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。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)、使用過程中免維護、使用壽命長(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～ 45℃)等優(yōu)點，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(tǒng)較為穩(wěn)定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。
2、應用研究現(xiàn)狀
2.1國內外的應用研究進展
由于超級電容的優(yōu)越性能和近年來對超級電容開發(fā)能力的提高，因此超級電容在工業(yè)領域中得到了廣泛應用。目前，世界各國爭相研究、并越來越多地將其應用到電動車上。超級電容已經成為電動車電源發(fā)展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復合電源系統(tǒng)被認為是解決未來電動車動力問題的最佳途徑之一。
2.1.1日本的情況
日本本是將超級電容應用于混合動力電動汽車的先驅，超級電容是近年來日本電動車動力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領域之一。本田的FCX燃料電池一超級電容混合動力車是世界上最早實現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，該車已于2002年在日本和美國的加州上市。日產公司于2002年6月24日生產了安裝有柴油機、電動機和超級電容的并聯(lián)混合動力卡車，此外還推出了天然氣一超級電容混合動力客車，該車的經濟性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的2.4倍。目前，裝備超級電容的混合動力電動公交車已經成為日本的國家攻關項目。
2.1.2歐美的狀況
瑞士的PSI研究所給一輛48kW的燃料電池車安裝了儲能360Wh的超級電容組，超級電容承擔了驅動系統(tǒng)在減速和起動時的全部瞬態(tài)功率，以50kW的15s額定脈沖功率來協(xié)助燃料電池工作，牽引電機額定連續(xù)功率為45kW，峰值功率為75kW，采用360V的直流電源。大眾Bora實驗車進行的燃油消耗測試結果表明其油耗少于7L/100km，而相同質量的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汽車，采用300個電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時速為25km/h。美國在超級電容混合動力汽車方面的研究也取得了一定進展，Maxwell公司所開發(fā)的超級電容器在各種類型電動汽車上都得到了良好的應用。美國NASALewis研究中心研制的混合動力客車采用超級電容作為主要的能量存儲系統(tǒng)。
2.1.3中國的現(xiàn)狀
目前，國內對以超級電容作為惟一能源的電動汽車的研究取得了一定的進展，2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江投入試運行，該公交車利用超級電容比功率大和公共交通定點停車的特點，當電車?？空緯r在30s內快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時速可達44km/h。2005年1月上海交通大學與山東煙臺市簽署協(xié)議，共同投資開發(fā)超級電容公交電車，計劃在煙臺福山區(qū)建一條12km的示范線，在福山高新技術產業(yè)區(qū)建立年產1萬輛新型環(huán)保超級電容公交車的生產基地。哈爾濱工業(yè)大學和巨容集團研制的超級電容電動公交車，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車的設計及控制，基本上還處于起步階段。
2.2電動車中應用超級電容的拓撲結構
2.2.1純超級電容電動車
直接以超級電容作為電動車的惟一能源，此方法結構簡單、實用、成本低，而且實現(xiàn)了零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區(qū)域，例如火車站或者飛機場的牽引車、學校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動公交車等。
2.2.2復合電源電動車
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(tǒng)，但燃料電池因為成本較高，現(xiàn)在還不能得到實際應用。因此，國內外對超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)的研究更多，其拓撲結構概括如圖2所示。圖2a結構最簡單，但由于沒有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(tǒng)的控制策略
2.3.1速度約束控制策略
當車輛起步時，超級電容中應當儲存較多的能量，需要超級電容放電，保證電動車的加速性能，而當車輛在高速行駛的情況下，超級電容應當儲存比較少的能量，以便在制動過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，因此放電時如何控制其放電深度，以備在行駛過程中二次放電或進行再生制動回收充電，但需要在實驗中反復進行測試才能獲得。
2.3.2電流約束控制策略
電動車在行駛過程中，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蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時，為了避免電池組過放電或過充電，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)，延長其使用壽命。電池組的工作電流為：
為了避免過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方式，即以蓄電池充電電流為被控對象。這是一種比較實用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統(tǒng)的電動車。由于蓄電池電壓在再生制動過程中不會發(fā)生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會太大。在超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)中，由于超級電容端電壓在單次再生制動過程中就會發(fā)生很大的改變，隨著制動過程中超級電容端電壓的上升和電機反電動勢的下降，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可采用恒功率的策略，即對再生制動過程中超級電容的充電功率進行控制。
在超級電容電壓低的時候，采用大電流充電，當電容電壓上升時，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統(tǒng)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輛的動力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時蓄電池的電流可以工作在規(guī)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，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行綜合應用，可以兼顧它們的優(yōu)點，既能對蓄電池起到保護作用，延長電池的使用壽命，又能提高整車的動力性能。
3、西安交通大學的超級電容應用研究
西安交通大學電動車研發(fā)中心一直致力于電動車關鍵技術領域的研發(fā)，提交了15項國家發(fā)明專利，正式授權5項，有2項國際發(fā)明專利已經被正式受理。研發(fā)中心對電動汽車超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)進行了研究，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汽車復合電源能量回收技術上，和傳統(tǒng)控制方法相比，Hα魯棒控制可以方便地同時考慮輸入電壓的變化、負載擾動和其他非線性的補償。由圖3所示的實驗表明，在市內道路行駛時，采用Hα，魯棒控制的復合電源電動汽車(ⅪTUEV—I)比蓄電池單電源電動汽車提高續(xù)駛里程30%～50%。
西安交通大學電動車研發(fā)中心還依托西安交大科技園和博源電動車技術有限責任公司合作進行了超級電容一蓄電池復合電源微型電動車的研究。該微型電動車采用輪轂式無刷直流電機(BLDCM)，運用再生制動能量回收技術，并應用了μ綜合魯棒控制算法。實驗證明，采用上述技術的微型電動車比普通電動車在動力性能和續(xù)駛里程上都有顯著提高，尤其是在頻繁剎車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車控制系統(tǒng)的主電路如圖4所示，工作原理如圖5所示，系統(tǒng)工作狀態(tài)如表2所示。該復合電源微型電動車具有如下優(yōu)點：①在車輛制動和減速時可大電流充電，從而提高能量回收效率，延長電動車的續(xù)駛里程;②超級電容的功率密度較大，因此可大電流放電，改善電動車的啟動、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可提高制動力矩，改善制動系統(tǒng)的可靠性;⑤回收時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，成本較萬方數(shù)據(jù)。
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、充放電時間短等優(yōu)勢，因此作為電動車的動力源(13.48，0.090，0.67%)而得到重視。隨著環(huán)保型電動車研究的深入。超級電容已經成為近年來新型能源器件的一個研究熱點，超級電容的市場份額也將會越來越大。
用超級電容作為惟一能源的電動車，由于超級電容比能量低的致命影響，注定其續(xù)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展，那么以超級電容作為惟一能源的電動車在近幾年里就很難進入實用階段。
超級電容和其他儲能元件組成的復合電源系統(tǒng)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，可以更好地滿足電動車啟動和加速性能的要求，并能提高電動車制動能量的回收效率。增加續(xù)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(tǒng)。由于燃料電池存在成本很高、冷啟動響應慢等缺陷，因此近幾年還處于實驗階段。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，在電動車能源領域占有重要的地位，因此超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)最具有競爭力。隨著對電動車用超級電容的進一步研究和開發(fā)，超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)在滿足性能和成本要求上更具有實用性，其市場前景廣闊，經濟效益顯著。
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車中應用現(xiàn)狀的基礎上，總結了超級電容應用在電動車中的拓撲結構及其控制策略。西安交通大學電動車研發(fā)中心通過對電動車和超級電容的研究，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車只適合用于短距離和線路同定的區(qū)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(tǒng)綜合了超級電容和蓄電池的優(yōu)點，不僅可以改善電動車的瞬時功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長蓄電池的使用壽命，增加電動車的續(xù)駛里程，因此將是超級電容應用于電動車領域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場前景。
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