電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的超級(jí)電容原理

超級(jí)電容是一種電化學(xué)裝置，是介于電池和普通電容之間的過渡部件。其充放電過程高度可逆，可進(jìn)行高效率（0.85～0.98）的快速（秒級(jí)）充放電。其優(yōu)點(diǎn)還包括比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等。

以前由于超級(jí)電容的比能量過低，放電時(shí)間太短，難以應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。隨著超級(jí)電容技術(shù)的迅速發(fā)展，目前成為汽車領(lǐng)域研究和應(yīng)用的新熱點(diǎn)。超級(jí)電容不僅適合用作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)的輔助能源，而且還可以與電池、燃料電池等結(jié)合用作電動(dòng)汽車的輔助能源，從而提高電池壽命，彌補(bǔ)燃料電池比功率不足，最大限度的回收制動(dòng)能量等?？傊?，其在汽車領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景。

超級(jí)電容的原理與分類

準(zhǔn)確的說，超級(jí)電容應(yīng)該叫做電化學(xué)電容器（Electrochemical Capacitor）。它能提供比電解電容器更高的比能量，比電池更高的比功率和更長(zhǎng)的壽命。

根據(jù)使用電極材料的不同可以把超級(jí)電容分為三類：

1、 使用碳電極的雙電層電容器 (Double Layer Capacitor，DLC)如圖1所示，可以把雙電層超級(jí)電容看成是懸在電解質(zhì)中的兩個(gè)非活性多孔板，電壓加載到兩個(gè)板上。加在正極板上的電勢(shì)吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子。從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。

圖1 雙電層超級(jí)電容器

DLC本質(zhì)上是一種靜電型能量?jī)?chǔ)存方式。所以雙電層電容的大小與電極電位和比表面積的大小有關(guān)，因而常常使用高比表面積的活性碳作為雙電層電容器的電極材料，從而增加電容量。例如，活性碳在經(jīng)過特定的化學(xué)處理后，表面積可以達(dá)到1000m2/g，從而使單位重量的電容量可達(dá)100F/g，并且電容的內(nèi)阻還能保持在很低的水平。碳材料還具有成本低，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。該類超級(jí)電容在汽車上應(yīng)用也最為廣泛。

2、使用金屬氧化物電極的超級(jí)電容器，原來(lái)是指貴金屬氧化物RuO2 、IrO2 作為電極的電容器。通過發(fā)生可逆的氧化/還原反應(yīng)，使電荷在兩個(gè)電極上發(fā)生轉(zhuǎn)移的同時(shí)產(chǎn)生吸附電容。它與雙電層電容的機(jī)理不同，稱為法拉第贗電容 (Faradaic pseudocapacitance)。與雙電層電容器的靜電容量相比，相同表面積下超電容器的容量要大 10～100倍，因此可以制成體積非常小、容量大的電容器。但由于貴金屬的價(jià)格高，主要用于軍事領(lǐng)域。

3、使用有機(jī)聚合物電極的電容。目前技術(shù)還不是很成熟，價(jià)格較貴，還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

汽車用超級(jí)電容的研究進(jìn)展

目前，美國(guó)、歐洲和日本都在積極開展電動(dòng)汽車用超級(jí)電容的研究開發(fā)工作。美國(guó)能源部和USABC從1992年開始，組織國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore，Los Alamos等）和工業(yè)界（Maxwell，GE等）聯(lián)合開發(fā)使用碳材料的雙電層超級(jí)電容器。其研究的初期目標(biāo)是在維持功率密度為1kW/kg的同時(shí)，把超級(jí)電容的能量密度提高到5Wh/kg。這一目標(biāo)已經(jīng)基本達(dá)到，但是尚未按進(jìn)度完成PNGV確定的目標(biāo)。有關(guān)資料表明，如果超級(jí)電容的比能量達(dá)到20Wh/kg，那么用于混合車將是比較理想的。

1996年歐共體制定了電動(dòng)汽車超級(jí)電容器發(fā)展計(jì)劃。由SAFT公司領(lǐng)導(dǎo)，成員包括Alcatel-Asthom、Fiat等。目標(biāo)是：比能量達(dá)到6Wh/kg，比功率達(dá)到1500W/kg，循環(huán)壽命超過10萬(wàn)次，滿足電化學(xué)電池和燃料電池電動(dòng)汽車要求。

日本也成立了“新電容器研究會(huì)”和NEW SUNSHINE開發(fā)機(jī)構(gòu)。

目前，在該技術(shù)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有俄羅斯、日本、德國(guó)和美國(guó)。俄羅斯專注于電容車技術(shù)和電動(dòng)車制動(dòng)能量回收的研究，取得了顯著的發(fā)展。其啟動(dòng)型超級(jí)電容器比功率已達(dá)3000W/kg，循環(huán)壽命在10萬(wàn)次以上，領(lǐng)先于其它國(guó)家。在俄羅斯，曾有使用950kg超級(jí)電容驅(qū)動(dòng)載客50人的電動(dòng)巴士，盡管其續(xù)駛里程只有8～10km，但其充電時(shí)間也只有15分鐘。

Maxwell公司預(yù)測(cè)其產(chǎn)品PowerCacheTM的價(jià)格在2003年達(dá)到$30/cell，到2003年，汽車市場(chǎng)對(duì)超級(jí)電容單體的需求將達(dá)到一百萬(wàn)只，2008年將迅速增加到一億只?，F(xiàn)在，美國(guó)的Full Power Technologies公司正在進(jìn)行低成本超級(jí)電容的開發(fā)。