电动汽车驱动系统中的超级电容原理及应用

2010-04-29 18:38:55来源: 互联网

  超级电容是一种电化学装置,是介于电池和普通电容之间的过渡部件。其充放电过程高度可逆,可进行高效率(0.85~0.98)的快速(秒级)充放电。其优点还包括比功率高、循环寿命长、免维护等。

  以前由于超级电容的比能量过低,放电时间太短,难以应用于汽车领域。随着超级电容技术的迅速发展,目前成为汽车领域研究和应用的新热点。超级电容不仅适合用作汽车发动机起动、动力转向等子系统的辅助能源,而且还可以与电池、燃料电池等结合用作电动汽车的辅助能源,从而提高电池寿命,弥补燃料电池比功率不足,最大限度的回收制动能量等。总之,其在汽车领域有十分广阔的应用前景。

超级电容的原理与分类

  准确的说,超级电容应该叫做电化学电容器(Electrochemical Capacitor)。它能提供比电解电容器更高的比能量,比电池更高的比功率和更长的寿命。

  根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类:

  1、 使用碳电极的双电层电容器 (Double Layer Capacitor,DLC)如图1所示,可以把双电层超级电容看成是悬在电解质中的两个非活性多孔板,电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子。从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。


图1 双电层超级电容器

  DLC本质上是一种静电型能量储存方式。所以双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关,因而常常使用高比表面积的活性碳作为双电层电容器的电极材料,从而增加电容量。例如,活性碳在经过特定的化学处理后,表面积可以达到1000m2/g,从而使单位重量的电容量可达100F/g,并且电容的内阻还能保持在很低的水平。碳材料还具有成本低,技术成熟等优点。该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。

  2、使用金属氧化物电极的超级电容器,原来是指贵金属氧化物RuO2 、IrO2 作为电极的电容器。通过发生可逆的氧化/还原反应,使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。它与双电层电容的机理不同,称为法拉第赝电容 (Faradaic pseudocapacitance)。与双电层电容器的静电容量相比,相同表面积下超电容器的容量要大 10~100倍,因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高,主要用于军事领域。

  3、使用有机聚合物电极的电容。目前技术还不是很成熟,价格较贵,还处于实验室研究阶段。

汽车用超级电容的研究进展

  目前,美国、欧洲和日本都在积极开展电动汽车用超级电容的研究开发工作。美国能源部和USABC从1992年开始,组织国家实验室(Lawrence Livermore,Los Alamos等)和工业界(Maxwell,GE等)联合开发使用碳材料的双电层超级电容器。其研究的初期目标是在维持功率密度为1kW/kg的同时,把超级电容的能量密度提高到5Wh/kg。这一目标已经基本达到,但是尚未按进度完成PNGV确定的目标。有关资料表明,如果超级电容的比能量达到20Wh/kg,那么用于混合车将是比较理想的。

  1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器发展计划。由SAFT公司领导,成员包括Alcatel-Asthom、Fiat等。目标是:比能量达到6Wh/kg,比功率达到1500W/kg,循环寿命超过10万次,满足电化学电池和燃料电池电动汽车要求。

  日本也成立了“新电容器研究会”和NEW SUNSHINE开发机构。

  目前,在该技术领域中处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国。俄罗斯专注于电容车技术和电动车制动能量回收的研究,取得了显著的发展。其启动型超级电容器比功率已达3000W/kg,循环寿命在10万次以上,领先于其它国家。在俄罗斯,曾有使用950kg超级电容驱动载客50人的电动巴士,尽管其续驶里程只有8~10km,但其充电时间也只有15分钟。

  Maxwell公司预测其产品PowerCacheTM的价格在2003年达到$30/cell,到2003年,汽车市场对超级电容单体的需求将达到一百万只,2008年将迅速增加到一亿只。现在,美国的Full Power Technologies公司正在进行低成本超级电容的开发。

  

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关键字:电动汽车  超级电容  原理  应用

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2010/0429/article_1981.html
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