電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的超級電容原理及應(yīng)用

我國從九十年代開始研制超級雙電層電容器，與國外先進水平還有一定的差距。據(jù)有關(guān)資料表明，國內(nèi)有些單位已經(jīng)研制出比能量為10Wh/kg、比功率為600W/kg的高能量型及比能量為5Wh/kg、比功率為2500W/kg的高功率型超級電容器樣品，循環(huán)使用次數(shù)可達50,000次以上。性能指標(biāo)已經(jīng)達到國際先進水平，成本較國際平均價格有大幅度下降。初步具備應(yīng)用水平。

超級電容在汽車上的應(yīng)用

　　1、電動汽車的輔助動力

　　汽車頻繁的起步、爬坡和制動造成其功率需求曲線的變化很大，在城市工況下更是如此。一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達16：1。但是這些峰值功率的特點是持續(xù)時間一般都比較短，需求的能量并不高。

　　對于純電動、燃料電池和串聯(lián)混合動力汽車而言，這就意味著：要么汽車動力性不足，要么電壓總線上要經(jīng)常承受大的尖峰電流，這無疑會大大損害電池、燃料電池或其它APU的壽命。

　　但如果使用比功率較大的超級電容，當(dāng)瞬時功率需求較大時，由超級電容提供尖峰功率，并且在制動回饋時吸收尖峰功率，那么就可以減輕對輔助電池、燃料電池或其它APU的壓力。從而可以大大增加起步、加速時系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動能量。這樣做還可以提高蓄電池（燃料電池）的使用壽命，改善其放電性能。

　　如圖2所示為燃料電池汽車的起動過程，由于超級電容在車輛起步時提供瞬時的大功率，從而使汽車起步過程大大加快。

圖2 FC＋C與FC汽車起步加速性能比較

　　除此之外，采用超級電容還能在設(shè)計（選擇）蓄電池等動力部件時，著重于其比能量和成本等問題，而不用再過多考慮其比功率問題。通過揚長避短，可以實現(xiàn)動力源匹配的最優(yōu)化。

　　2、典型驅(qū)動結(jié)構(gòu)

　　超級電容作為唯一動力源的電動汽車驅(qū)動結(jié)構(gòu)較簡單，而且目前技術(shù)還不成熟。所以一般都是把超級電容作為輔助動力源，與電池、燃料電池或其它APU系統(tǒng)組成多能源的動力總成來驅(qū)動車輛。常見的結(jié)構(gòu)組合形式有：B＋C，F(xiàn)C＋C，F(xiàn)C＋B＋C，ICE/G＋C等。（其中B代表電池、C代表超級電容、FC代表燃料電池、ICE代表內(nèi)燃機、G代表發(fā)電機），這些結(jié)構(gòu)都屬于串聯(lián)式混合驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

　　如圖3所示為超級電容應(yīng)用于電動車的典型結(jié)構(gòu)。

圖3 超級電容用于電動車的典型驅(qū)動結(jié)構(gòu)

　　UCMS（超級電容管理系統(tǒng)）實現(xiàn)對超級電容的封裝，主要作用是管理每個單體電流的大小，防止電壓超過電解質(zhì)的分解電壓而造成損壞，限制單體不均勻性的影響。從而使超級電容組穩(wěn)定可靠的工作，提高超級電容組整體的效率和壽命。

　　超級電容經(jīng)過一個雙向的高頻DC/DC后在直流電壓總線與電池組進行耦合。為了串聯(lián)較少的超級電容單體，DC/DC一般為電流型升壓變換器，通過控制DC/DC的輸出電流來達到控制其輸出功率的目的。

　　由于超級電容器存儲的能量和電壓的平方成正比，所以超級電容器由荷電狀態(tài)所決定的端電壓將在一個很寬的范圍內(nèi)變化。例如，如果超級電容器被放電75％，那么電容器的端電壓將減少到初始電壓的50％。為了控制電容器的能量輸入輸出，協(xié)調(diào)超級電容電壓和電池電壓，必須要使用DC-DC變換器。

　　3、控制方式

　　對于B＋C形式的電動汽車而言，主要是控制超級電容的電流，以實現(xiàn)作為主動力源的電池與超級電容的功率分配。應(yīng)該考慮以下幾個方面：蓄電池功率輸出應(yīng)該盡可能保持恒定或平滑；超級電容主要起功率調(diào)峰作用，提供道路需求功率減去蓄電池功率外剩余的功率，并且回收制動能量；必須保證蓄電池與超級電容都在各自的安全電壓范圍內(nèi)工作；系統(tǒng)的整體效率應(yīng)該盡可能最大。除了以超級電容電流為控制目標(biāo)外，也可以把電容電壓作為控制目標(biāo)。

　　4、示范樣車