浅析超级电容器在新能源汽车中的应用

张 鹏

（陕西国防工业职业技术学院电子信息学院，陕西西安，710300）

摘要：本文针对能源危机问题，从节能环保的角度阐述了超级电容器发展历史、基本原理、性能特点，重点论述了其在新能源汽车领域的应用情况，为储能技术的发展和应用，起到了参考和借鉴作用。

关键词：超级电容器；储能；电动汽车

The application of super capacitor in the new energy vehicle

Zhang Peng

(Shaanxi Institute of Technology , Xi'an, Shaanxi 710300)

Abstract ：This paper aiming at the problem of energy crisis, from the angle of environmental protection and energy saving describes the super capacitor is a development history, basic principle, performance and characteristics, focuses on the its application in the field of new energy vehicles, energy storage technology development and application, has played a reference role.

Keywords ：Super capacitor Energy storage Electric vehicle

0 引言

随着能源危机的日益显现，人们越来越重视能源的开发和利用，而作为能源存储这一关键环节，一直为人们所关注。时代的高速发展推动了存储介质的研究步伐，传统基于化学反应的电池，如锂离子、铅酸、镍氢、镍氢、磷酸铁锂等，已经在很多领域中广泛使用。这些电池容量大、没有记忆效应等，但其充、放电电流小，寿命短，充电电路复杂。对于很多对可靠性、工作寿命以及比功率要求较高的场合，这类电池就略显不足，因此，研究高性能储能器件势在必行。而超级电容器作为一种新型储能装置迅速得到发展和应用，尤其在新能源汽车领域，更是发挥了其独有的优势。

1 超级电容器的简介

1.1 结构

超级电容器，又叫电化学电容器，内部采用双电层结构，通过电极和电解液之间的界面或电极表面或内部的可逆的氧化还原反应存储电荷，因此，其性能优劣主要与电极材料和电解质有关。

结构如图1 所示，超级电容器内部采用双电层结构和活性炭多孔化电极，由于电容量取决于电极间距离和电极的表面积，因此，在实际工艺中，主要通过减小电极间距，而增大电极表面积的方法，提高超级电容器的容量，容量可达几百法拉到几千法拉。

图1 超级电容器结构

1.2 特点

与传统电容器相比，超级电容器的比能量和比功率都非常高，甚至远远超出电解电容器。而与化学电池相比，其比能量较小，但其比功率大，可进行大电流的充放电，最新技术可实现200ms 充满电，效率极高。其电极等制造材料对环境无污染，循环充电次数达10 万次，工作温度范围宽、稳定可靠。由于其特殊的性能特点，一直备受业界关注，尤其在新能源汽车领域更是发挥了其独特的性能优势，具有广阔的发展和应用空间。

2 超级电容器在新能源汽车领域的应用

超级电容器作为新型储能器件，其技术已趋于成熟，在工业生产、航空航天、军事装备、能源、交通等领域得到广泛应用。近年来，由于受到能源危机影响，迫于环境保护的压力，世界范围的新能源开发和利用已经开始。以纯电动和混合动力为代表的新能源汽车越来越受到人们的青睐和认可，市场十分活跃。而作为电动汽车的储能器件——电池，很大程度上决定了其整体的性能和竞争力，从性能特点看，无论是独立使用，还是混合储能，超级电容器作为电动汽车的储能器件，都显示了其独特的优势。

2.1 作为辅助储能电池

近年来，由于汽车技术的发展和节能环保的要求，新能源汽车得到迅速发展，目前已有多种车型投入市场应用。就主流的电动汽车而言，其储能电池主要有铅酸蓄电池、磷酸铁锰锂电池、磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和三元聚合物锂电池等。例如，比亚迪E6 电动汽车采用的是磷酸铁锂电池，其容量为60kWh，续航能力为300km。普通电池虽然能量密度高，续航里程长，但其功率密度较低，不能进行大电流充放电，寿命低，实际应用只有3 ～ 5 年。另外，电动汽车实际应用的充电问题一直得不到解决，受到充电桩数量和布点的限制，即使有条件充电，其充电的时间相对较长，一般需1 ～ 3 个小时，而且电池需要专门的定期维护，3 ～ 5 年的时间还需更换新电池，费用较高，这些条件严重制约了电动汽车的实际推广和应用。

与之相比，超级电容器虽然能量密度接近普通电池，但其功率密度大，允许大电流充放电，大大提高了充电速度，能在短时间内充满电，一般只需几十秒～几分钟。瞬间输出功率大，可提供相当大的放电电流，为瞬间大负荷的工作提供充足的能源保障。因此，将超级电容器是一种理想的电动汽车储能设备，如再将普通的储能电池和超级电容器组合成混合储能单元，发挥两者的优势，必将大大提升电动汽车的应用优势。132

测试工具与解决方案

2016.10

早在2010 年上海世博会期间，用超级电容器作为储能器件的纯电动公交汽车就已应用于世博会的公共交通运输，这款公交车只需2 ～ 3 公里在公交车站（即充电站）进行一次补充充电， 充电时间仅需几分钟，即可完成1 ～ 2 个站点的运输任务，成为会议的一大亮点。国内外汽车制造商也在不断开发和应用该项技术，如丰田、比亚迪等企业，部分车型已投入市场使用。

2.2 再生制动的吸收与转化

超级电容器还可以作为功率变换器的缓冲装置，汽车在下坡和刹车时，特别是在紧急刹车时，会产生很大的惯性能，这是汽车加、减速时产生的动能的一部分。通常，产生的能量太大，由于驱动电机功率不能太大，无法在瞬间将其完全利用。因此，在能量再生制动模式，汽车额外的动能通过驱动电机的转轴，把能量从车轮回馈至能量回收装置，并存储于超级电容器中，将车辆的机械能转化为电能，在整个汽车运行过程中，几乎不需要对超级电容器再进行额外的充电。据测算：再生制动可以提高电动汽车的续驶里程约15% 左右，使混合电动汽车能节油40% 左右，减少污染近80%，实现能源的有效吸收和利用。该项技术也可以应用于电梯、高铁等领域的能力缓冲与回收。

2.3 特殊场合的峰值功率补偿

电动汽车在正常工况条件下，如匀速行驶时，所需能耗最小，使用普通的电池供电，发挥其比能量大的特点。而在启动、上坡或加速时，需要较大的动力时，电池需给负载电机提供很大的电流， 而普通的蓄电池由于其比功率小，瞬时不能提供大电流，否则将严重影响其使用寿命，这时，需超级电容器介入工作，发挥其比功率大的优势，可以为这些特殊工况提供较大的峰值功率，补偿动力不足的问题，尤其在冬季冷启动时，效果十分显著，这种混合储能方式在改善加速性能、提高启动响应能力和爬坡能力的前提下，能有效延长普通电池的使用寿命，同样，也可将超级电容器应用于混合动力汽车（HEV）中，实现了能量的循环利用，对于节能减排具有重要意义。

3 结束语

超级电容器从诞生到被广泛应用于新能源汽车领域，以其性能优良、绿色环保、综合成本低等优势，受到业界的认可，但也应该看到，其在比容量、循环特性以及价格方面还存在一定的差距，相信随着材料和制造工艺技术的不断发展，超级电容器必将会取代传统电池，从而推动电动汽车工业、乃至各行业的发展，为解决能源危机问题作出重要的贡献。我国的超级电容器技术的研究和应用才刚刚起步，还具有广阔的发展空间。

参考文献

[1] 刘兴江等. 电化学混合电容器的研究进展[J]. 电源技术,2005(12) .

[2] 王晓峰等.“ 超电容”电化学电容器研究进展[J]. 电源技术,2001(25):166 – 170.

[5] 陈永真. 超级电容器原理及应用[C]. 第十五届全国电源技术年会论文集.