超级电容在混合动力汽车中的应用发展

张玉龙，王银山，贾同国

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）

环境污染和能源紧缺使电动汽车技术在世界范围内被高度重视，而超级电容器具有很高的功率密度，非常短的充放电时间，极长的循环寿命以及高可靠性，因此，超级电容作为混合动力改善蓄电池的动力源有着广阔的应用前景，这将是未来电动汽车开发的重要方向之一。

1 超级电容具有适用于混合动力车的特性

超级电容寿命长，持久力更强，如图1，相比铅酸电池超级电容充放电迅速，没有化学反应所带来的污染，没有蓄电池的记忆问题。超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多的能量密度和比电池高得多的功率密度，不仅适合于用作短时间的功率输出源 ，而且它还具备比功率高、比能量大、一次储能多等优点，在电动车启动、加速和爬坡时能有效地改善运动特性，显示出了较突出的优势，具体表现在：提供优越的动力性能，能较好地满足电动汽车在起动、加速、爬坡时对功率的需求。超级电容器高充放电效率持久的循环寿命非常适合用于制动过程中能量回收再生。优化贮能设备性能，超级电容器妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾［1］。超级电容具有极好的低温性能，能在低温情况下保持大电流充放电能力，有利于改善寒冷地区蓄电池电动动力使用状况。超级电容器辅助性能，不仅可以用做混合能源电动汽车的辅助动力系统，还可用在汽车一些电器部件的自动开关上。

超级电容的特性正好满足混合动力电动汽车的特殊要求。利用超级电容瞬时高功率特性，避免了要求发动机频繁起动和蓄电池提供瞬间大功率的不利影响，同时还可以对制动能量进行回收利用，从而可以节约能源、减少排放污染，尤其适合经常在城市行驶的混合动力电动汽车。静电电容、超级电容和蓄电池性能比较见表1。

2 超级电容在混合动力车发展中的应用状况

日本是将超级电容运用于混合动力上较早的国家，本田FCX燃料电池—超级电容器混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车，在日本和美国加州上市时间早在2002年。第5代FCX采用超级电容器加燃料电池的电能供应方式，这使FCX能快速达到较大的输出功率，改善燃料电池车启动和加速性能，并缩短启动时间。同时由于超级电容器与燃料电池同样具有软特性［2］，取消了DC／DC变换器，降低了系统质量。超级电容器电量不足时则由燃料电池带动电机利用输出的多余电功率来补充。燃料电池组带动的超级电容器只提供车辆加速和爬坡时所需的峰值功率，同时制动能量回收。在以内燃机作主能源的混合动力电动车方面，日产汽车公司推出了安装有柴油机、电动机和电容器的并联混合动力卡车，由额定功率为152kW的CIDl发动机和55kW的永磁电机驱动，安装有日产公司开发的新型电容器“超级电力电容器（ECaSS）”，具有6.3kW的比功率，功率能量比高达80。该卡车使用384个单元组成三串，每串由28个1 500F 2.7V单元并联，共583W·h。该车制动能量的功效高于其他电池供电的混合动力车。

表1 静电电容、超级电容、蓄电池性能比较

美国加州早在20世纪90年代颁布零排放汽车近期规划，普遍认为超级电容汽车满足这一标准。瑞士等国也在超级电容的应用方面做了一些研究，美国的Maxwell公司和Exide公司正联合开发这种复合电源系统，用于卡车低温起动、中型和重型卡车、陆上和地下的军用车，它在大电流以及高低温条件下工作，都会有很长的寿命。

在我国，北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、北京金正平公司、解放军防化院、哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等也在开展电动车用超级电容的研究开发工作，国家“十五”计划“863”电动汽车重大专项攻关中已将超级电容的开发列入发展计划。目前国内的北京、烟台和上海已经试验使用超级电容器动力公交车。国内厂商烟台中上公司自主生产的超级电容器公交车一次充电行驶距离已经可以达到12km，首次充电时间180s，中间站充电时间15～30s，最高行驶速度60km／h，最大爬坡度不小于25%，刹车工况下能实现能量再生回馈，运行情况良好。中上汽车已研发出第三代超级电容器车，续航能力提升至25km，最高行驶速度70km／h，理论上已经能够满足任何城市的公交要求。2010年上海“世博会”稳定运营的36辆超级电容器客车——高等级低地板“申科号”超级电容器车已吸引了众多观光者的眼球。

以发动机为主，超级电容电源电机为辅的电机辅助控制策略是超级电容混合动力车动力系统的一种典型控制策略。主要设计思路如图1所示。当汽车起步时，速度低于所设定值，电机单独驱动整车；当车速达到所设定值，电机关闭，发动机单独驱动整车，富裕功率向超级电容充电；当汽车在加速、爬坡及大负荷情况下，发动机和电机共同驱动整车；当汽车在制动时，电机转换为发电机，尽可能地回收能量。在此控制策略基础上，发动机功率、电机、传动比等均可相匹配地选定［3］。

图1 超级电容混合动力能源管理流程图

混合动力系统的动力以发动机驱动为主，电机辅助驱动，发动机动力输出动态响应慢、扭矩输出控制精度差，而电机瞬间动力驱动响应快，扭矩输出控制精度高，因此在启动、加速、爬坡的时候，可以较好地避开发动机的低效率工作区和提高汽车的动力性。基于超级电容的并联式混合动力公交车起动的优点是：起动时间短，转速响应快，没有高的超调，过渡平滑，起动性能良好。

在汽车工业中，城市公交车启动制动频繁，超级电容可以高效率地回收制动能量并且辅助公交车启动。因此，超级电容独有的特性非常适合用于制动过程中的能量回收，而且成本较低，应用前景广阔。座位20的小型超级电容公交客车，重约2.5t，遇到红灯停下，在这个过程中，运动能部分转化成电能并存储到超级电容器中。开始刹车时车的时速为60km／h，使用了12s停止下来。如下面的计算所显示的，产生了100.5kJ的刹车动力，刹车中在25 V到46V之间，以充电电流196A存储到了112F的电容中（假设能有效回收为30%的能量）。车的运动能E1＝0.5mv2，这里m＝2 500kg。开始刹车时的车速v＝60km／h＝16.67m／s。计算得E1＝335kJ。设有30%能量得到回收，则需要存储的能量为E2＝E1×30%＝100.5kJ。超级电容储存能量E2′＝0.5C（Umax2－Umin2）。充电开始时电容电压Umin＝25V，充电结束时电容电压Umax＝46V。这些值与汽车动力单元提供的42V电压的－40%／10%一致。取根据E2＝E2′经计算得C＝140F。确定充电电流：Q＝C ×ΔU，I＝Q／Δt，这里C＝140F，Δt＝12s，ΔU＝21V，计算得I＝245A。需要超级电容参数为：电容112F，最高电压为46V。它可按如下获得：使用Maxwell单体参数为2 700F，2.5V的超级电容，把25个电容器串联在一起。这些超级电容总重为16.5kg，体积为15L。如果用以上回收的能量使汽车起动加速持续的时间是10s，超级电容的电压从46V降到25V，放电电流是245A，则效率是70%，能提供的加速功率是14kW；如加速持续时间是20s，超级电容的电压从46V降到25V，放电电流是546A，则效率是78%，能提供的加速功率是7.5kW。注意由于超级电容在充电过程中电压越来越高，而制动过程中输出电压是越来越低的，因此有必要设计升压装置，没有升压装置，在制动输出电压过小时，制动能量是不能够回收的［4］。

智能启停控制系统的应用为超级电容器提供了广阔的舞台，充分体现出超级电容器性能上的效率在汽车启停系统中得到了绝好的应用，汽车智能启停控制系统的工作原理如图2，大致如下：当汽车在减速或短停车时，智能启停控制系统可暂停发动机转动，并将制动过程中产生的热能转换成电能储存在电容器里；当汽车再次前进时，电容器则将刚刚储存起来的电能瞬间输出给智能启停控制系统中的电机，电机转动传送带，直接带动发动机工作。这样，整个启停过程，汽车没有油耗，既经济又环保，其中，能够实现快速充放电的储能设备就是关键。因此，具有此特性的超级电容器成为汽车启停系统的最佳选择，也是智能启停控制系统最重要的组成部分。

图2 汽车智能启停控制系统工作原理图

如哈尔滨巨容公司开发研制的电动车用超级电容器组件在烟台中上公司研制的电动公交车上的应用，在12km的公交线路上，共有48个车站，当公交车停靠车站时，超级电容元件在30s内完成对公交车的充电。频繁的制动启动工况为超级电容智能启停系统提供充分的发挥空间，此外，经低温启动试验，在－40℃仍可正常启动［5］，解决了北方地区的寒冷季节电车脱线后启动困难问题。上海奥威公司的一个项目成果超级电容和柴油机的油电混合动力客车，摆脱了充电站的束缚，在启动、加速、爬坡超级电容与柴油机协同工作提供瞬时强劲动力，减速、刹车时超级电容制动能量回收，具有非常高的经济效益和应用价值。

3 超级电容运用混合动力前景展望

超级电容的一致性检测问题，超级电容的额定电压很低，在应用中需要大量的串联。由于应用中需要大电流充放电，而过充对电容的寿命有严重的影响，因此，串联中的各个单体电容器上的电压是否一致是至关重要的。如果能在超级电容器分组组装前进行一致性检测，将充放电性能最接近的超级电容器分成一组，就能够在很大程度上解决超级电容组的均压问题［6］。与蓄电池相比，超级电容的能量密度偏低，寻找新的电极活性材料，提高超级电容器的能量密度成为超级电容的根本也是难点所在。但是，超级电容比能量低，且受科技发展水平的制约，其作为单一电源，受继驶里程短的限制，适合运用于电动车短距离和路线固定的场所；比功率大可以在汽车启动时提供强大瞬时功率，改善电动车启动瞬时功率特性；高充放电效率避免了传统电池大放电电流、电池寿命短的缺陷，能量可以快速回收并瞬时释放；超级电容混合动力可以改善继驶里程短并保持其独有的特性，本文提到的智能启停控制系统就是其运用于混合动力车的一个强有力的切入点，将是超级电容应用于混合动力车领域的重要发展方向。介绍超级电容混合动力车的显著特点，分析超级电容混合动力系统控制策略以及在此基础上发动机匹配，并指出其优点所在。具体设定一车型数字分析超级电容制动能量回收的实际操作性和应用价值，智能启停系统便是充分发挥超级电容快速充放电特性的应用之一。改善传统汽车启动、加速、爬坡瞬时高功率输出的问题，尤其能量回收再生系统不仅节约能源、提高能源利用率，还满足日趋严格的排放法规，相信随着科技发展水平的不断提高，终究会发挥其自身诸多优点而得到广泛发展运用。

［1］尹安东，冯瑞，赵韩.基于超级电容的混合动力客车动力系统设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011（4）：481－484.

［2］张杜鹊，欧阳海，胡欢.超级电容器在电动汽车上的应用［J］.城市车辆，2009（5）：36－37.

［3］张辉，尹安东，赵韩.基于超级电容的并联式混合动力公交车［J］.汽车科技，2010（3）：38－41.

［4］Moreno，OrtuzarJ，M E，etc.Energy－manage mentsystem for a Hybride letrie vehicle，usingultra－eapacitor sandneural networks［J］.IEEE Transaetions on Industrial Eleetronics，2006，53：614－623.

［5］Jeong J U，Lee H D，Kim C S，et al.A Development of an Energy Storage System for Hybrid Electric Vehicles U－sing Supercapacitor［J］.IEEE Industrial Electronics Society，2009（9）：10－15.

［6］张宇.混合动力电动汽车再生制动控制策略研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010（1）：2－3.