【導(dǎo)讀】超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)綜合了超級電容和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改善電動(dòng)車的瞬時(shí)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(dòng)車的續(xù)駛里程，因此將是超級電容應(yīng)用于電動(dòng)車領(lǐng)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(jī)的雙重壓力，電動(dòng)車已經(jīng)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(dòng)車的能量源泉，但目前電池技術(shù)還不能完全滿足電動(dòng)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)有效地改善運(yùn)動(dòng)特性。此外，超級電容還具有內(nèi)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，和其他能量元件(發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、燃料電池等)組成聯(lián)合體共同工作，是實(shí)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(dòng)車一次充電的續(xù)駛里程。因此，超級電容在電動(dòng)車領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，將是未來電動(dòng)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(dòng)車驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，而我國超級電容的生產(chǎn)和應(yīng)用還處于起步階段。
1、超級電容的機(jī)理與特點(diǎn)
超級電容(Ultracapacitor)是近期發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能元件，是一種具有超級儲(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈動(dòng)功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)數(shù)萬法。超級電容按儲(chǔ)能機(jī)理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)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(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容;③由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應(yīng)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(dòng)車中應(yīng)用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲(chǔ)存電能的一種新型儲(chǔ)能裝置，其原理結(jié)構(gòu)如圖l所示。當(dāng)向電極充電時(shí)，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(zhì)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(gòu)成雙電層電容。由于超級電容與傳統(tǒng)電容相比，儲(chǔ)存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個(gè)超級電容單元的電容量就高達(dá)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(nèi)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(dá)蓄電池的50～100倍，可達(dá)到10kW/kg左右，這個(gè)特點(diǎn)使超級電容非常適合于短時(shí)大功率的應(yīng)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(nèi)，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時(shí)則可以放出所存儲(chǔ)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(jī)械強(qiáng)度高、安全性好(防火、防爆)、使用過程中免維護(hù)、使用壽命長(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～ 45℃)等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用研究現(xiàn)狀
2.1國內(nèi)外的應(yīng)用研究進(jìn)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(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前，世界各國爭相研究、并越來越多地將其應(yīng)用到電動(dòng)車上。超級電容已經(jīng)成為電動(dòng)車電源發(fā)展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來電動(dòng)車動(dòng)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(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的先驅(qū)，超級電容是近年來日本電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領(lǐng)域之一。本田的FCX燃料電池一超級電容混合動(dòng)力車是世界上最早實(shí)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(chǎn)公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級電容的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車，此外還推出了天然氣一超級電容混合動(dòng)力客車，該車的經(jīng)濟(jì)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(dòng)力電動(dòng)公交車已經(jīng)成為日本的國家攻關(guān)項(xiàng)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(chǔ)能360Wh的超級電容組，超級電容承擔(dān)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在減速和起動(dòng)時(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)車進(jìn)行的燃油消耗測試結(jié)果表明其油耗少于7L/100km，而相同質(zhì)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(dòng)汽車，采用300個(gè)電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時(shí)速為25km/h。美國在超級電容混合動(dòng)力汽車方面的研究也取得了一定進(jìn)展，Maxwell公司所開發(fā)的超級電容器在各種類型電動(dòng)汽車上都得到了良好的應(yīng)用。美國NASALewis研究中心研制的混合動(dòng)力客車采用超級電容作為主要的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。
2.1.3中國的現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)對以超級電容作為惟一能源的電動(dòng)汽車的研究取得了一定的進(jìn)展，2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無軌電車”在上海張江投入試運(yùn)行，該公交車?yán)贸夒娙荼裙β蚀蠛凸步煌ǘc(diǎn)停車的特點(diǎn)，當(dāng)電車停靠站時(shí)在30s內(nèi)快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時(shí)速可達(dá)44km/h。2005年1月上海交通大學(xué)與山東煙臺(tái)市簽署協(xié)議，共同投資開發(fā)超級電容公交電車，計(jì)劃在煙臺(tái)福山區(qū)建一條12km的示范線，在福山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)建立年產(chǎn)1萬輛新型環(huán)保超級電容公交車的生產(chǎn)基地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團(tuán)研制的超級電容電動(dòng)公交車，可容納50名乘客，最高速度20km/h。但是，國內(nèi)目前對超級電容一蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)車的設(shè)計(jì)及控制，基本上還處于起步階段。
2.2電動(dòng)車中應(yīng)用超級電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2.2.1純超級電容電動(dòng)車
直接以超級電容作為電動(dòng)車的惟一能源，此方法結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、成本低，而且實(shí)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(jī)場的牽引車、學(xué)校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動(dòng)公交車等。
2.2.2復(fù)合電源電動(dòng)車
超級電容與蓄電池、燃料電池等配合可以組成復(fù)合電源系統(tǒng)，但燃料電池因?yàn)槌杀据^高，現(xiàn)在還不能得到實(shí)際應(yīng)用。因此，國內(nèi)外對超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)的研究更多，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概括如圖2所示。圖2a結(jié)構(gòu)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(shí)輸出和接收功率，從而減弱了超級電容的負(fù)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(diào)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(fù)雜且不易維護(hù)。
2.3復(fù)合電源系統(tǒng)的控制策略
2.3.1速度約束控制策略
當(dāng)車輛起步時(shí)，超級電容中應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存較多的能量，需要超級電容放電，保證電動(dòng)車的加速性能，而當(dāng)車輛在高速行駛的情況下，超級電容應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存比較少的能量，以便在制動(dòng)過程中接收較多的能量。超級電容儲(chǔ)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(shí)如何控制其放電深度，以備在行駛過程中二次放電或進(jìn)行再生制動(dòng)回收充電，但需要在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)進(jìn)行測試才能獲得。
2.3.2電流約束控制策略
電動(dòng)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(fù)載電流變化比較大，當(dāng)負(fù)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(shí)，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(dòng)方式，即以蓄電池充電電流為被控對象。這是一種比較實(shí)用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統(tǒng)的電動(dòng)車。由于蓄電池電壓在再生制動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會(huì)太大。在超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)中，由于超級電容端電壓在單次再生制動(dòng)過程中就會(huì)發(fā)生很大的改變，隨著制動(dòng)過程中超級電容端電壓的上升和電機(jī)反電動(dòng)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(jī)造成損害，因此對超級電容充電時(shí)可采用恒功率的策略，即對再生制動(dòng)過程中超級電容的充電功率進(jìn)行控制。
在超級電容電壓低的時(shí)候，采用大電流充電，當(dāng)電容電壓上升時(shí)，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統(tǒng)器件保護(hù)。
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(dòng)力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時(shí)蓄電池的電流可以工作在規(guī)定的范同內(nèi)，對蓄電池有保護(hù)作用。這2種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(jìn)行綜合應(yīng)用，可以兼顧它們的優(yōu)點(diǎn)，既能對蓄電池起到保護(hù)作用，延長電池的使用壽命，又能提高整車的動(dòng)力性能。
3、西安交通大學(xué)的超級電容應(yīng)用研究
西安交通大學(xué)電動(dòng)車研發(fā)中心一直致力于電動(dòng)車關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)，提交了15項(xiàng)國家發(fā)明專利，正式授權(quán)5項(xiàng)，有2項(xiàng)國際發(fā)明專利已經(jīng)被正式受理。研發(fā)中心對電動(dòng)汽車超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)進(jìn)行了研究，其核心是應(yīng)用了雙向全橋DC/DC變換器，該變換器具有能量雙向流動(dòng)以及升、降壓功能。研發(fā)中心率先將Hα魯棒控制算法應(yīng)用到電動(dòng)汽車復(fù)合電源能量回收技術(shù)上，和傳統(tǒng)控制方法相比，Hα魯棒控制可以方便地同時(shí)考慮輸入電壓的變化、負(fù)載擾動(dòng)和其他非線性的補(bǔ)償。由圖3所示的實(shí)驗(yàn)表明，在市內(nèi)道路行駛時(shí)，采用Hα，魯棒控制的復(fù)合電源電動(dòng)汽車(ⅪTUEV—I)比蓄電池單電源電動(dòng)汽車提高續(xù)駛里程30%～50%。
西安交通大學(xué)電動(dòng)車研發(fā)中心還依托西安交大科技園和博源電動(dòng)車技術(shù)有限責(zé)任公司合作進(jìn)行了超級電容一蓄電池復(fù)合電源微型電動(dòng)車的研究。該微型電動(dòng)車采用輪轂式無刷直流電機(jī)(BLDCM)，運(yùn)用再生制動(dòng)能量回收技術(shù)，并應(yīng)用了μ綜合魯棒控制算法。實(shí)驗(yàn)證明，采用上述技術(shù)的微型電動(dòng)車比普通電動(dòng)車在動(dòng)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(shè)計(jì)的復(fù)合電源微型電動(dòng)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(fù)合電源微型電動(dòng)車具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在車輛制動(dòng)和減速時(shí)可大電流充電，從而提高能量回收效率，延長電動(dòng)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(dòng)車的啟動(dòng)、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(dòng)力矩，改善制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性;⑤回收時(shí)可先對超級電容充電，再對電池充電，所以可控性較好;⑥結(jié)構(gòu)緊湊，成本較萬方數(shù)據(jù)。
4、超級電容的應(yīng)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(shí)間短等優(yōu)勢，因此作為電動(dòng)車的動(dòng)力源(13.48，0.090，0.67%)而得到重視。隨著環(huán)保型電動(dòng)車研究的深入。超級電容已經(jīng)成為近年來新型能源器件的一個(gè)研究熱點(diǎn)，超級電容的市場份額也將會(huì)越來越大。
用超級電容作為惟一能源的電動(dòng)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(yīng)用。如果超級電容的比能量不能在近階段內(nèi)有突破性進(jìn)展，那么以超級電容作為惟一能源的電動(dòng)車在近幾年里就很難進(jìn)入實(shí)用階段。
超級電容和其他儲(chǔ)能元件組成的復(fù)合電源系統(tǒng)兼顧了其他儲(chǔ)能元件的高比能量和超級電容的高比功率的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足電動(dòng)車啟動(dòng)和加速性能的要求，并能提高電動(dòng)車制動(dòng)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(fù)合電源系統(tǒng)。由于燃料電池存在成本很高、冷啟動(dòng)響應(yīng)慢等缺陷，因此近幾年還處于實(shí)驗(yàn)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(dāng)成熟，并且它成本相對較低，在電動(dòng)車能源領(lǐng)域占有重要的地位，因此超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)最具有競爭力。隨著對電動(dòng)車用超級電容的進(jìn)一步研究和開發(fā)，超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)在滿足性能和成本要求上更具有實(shí)用性，其市場前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
5、結(jié)論
本文在介紹超級電容的機(jī)理特性和概述國內(nèi)外超級電容在電動(dòng)車中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)了超級電容應(yīng)用在電動(dòng)車中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略。西安交通大學(xué)電動(dòng)車研發(fā)中心通過對電動(dòng)車和超級電容的研究，認(rèn)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(dòng)車只適合用于短距離和線路同定的區(qū)域，因此近期內(nèi)難以推廣應(yīng)用。超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)綜合了超級電容和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改善電動(dòng)車的瞬時(shí)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(dòng)車的續(xù)駛里程，因此將是超級電容應(yīng)用于電動(dòng)車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場前景。
【推薦閱讀】
采用高度集成的電機(jī)控制方案應(yīng)對最新的汽車趨勢
數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)中的EMI控制技術(shù)
新國標(biāo)下的交流充電樁電源及信號接口解決方案
如何將EMC問題“扼殺”在產(chǎn)品開發(fā)過程中的“搖籃里”？
基于DSP的擴(kuò)頻電臺(tái)基帶模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
