混合动力汽车用超级电容及其关键技术的探讨

赵旭哲

（伊利诺理工大学，芝加哥 伊利诺伊州 美国 60616）

混合动力汽车用超级电容及其关键技术的探讨

赵旭哲

（伊利诺理工大学，芝加哥 伊利诺伊州 美国 60616）

简介了现代汽车的动力驱动的情况，明确指出当前汽车电动化是其主要的发展方向。简要分析了混合动力汽车的优势与在电动化方面的特点，明确了电能储存方式对汽车电动化的重要性，指出超级电容用于汽车上的优势，并简介了超级电容的类型、工作原理、充放电方式。论述了超级电容用于混合动力汽车上的关键技术问题，并对超级电容的其它应用领域进行了简介。

混合动力汽车；电动化；超级电容；充放电；

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-82-06

引言

随着电力电子技术的飞速发展，汽车的电动化被认为是解决现今环境污染和能源危机的最有效的方法[1]。目前占绝对优势的汽车均采用燃油发动机，因此汽车就成为消耗矿物能源和环境污染的最主要者，目前城市污染50%以上都是来源于汽车[2]，我国近年来的雾霾严重很多也是汽车污染造成的。据报道，北京市机动车尾气排放对大气污染物中CO、HC、NOX的分担率依次为63.4%、73.5%、和46%。相比于北京市，上海市汽车所产生的三种主要排放物CO、HC、NOX的分担率分别为86%、96%和56%。而且全国各大城市例如广州、天津、重庆的许多中大型规格的城市机动车尾气也相当严重[1]。2013年3月，中国工信部等部委共同发布了《乘用车企业平均燃料消耗两核算办法》，此举旨在促进先进节能技术的应用和推广，加快汽车产业结构调整和转型升级，确保中国在2015年乘用车平均燃料消耗量降至6.9升/百公里的目标实现。为了能够缓解机动车尾气对大气污染的进一步恶化，新动力汽车代替传统燃油发动机汽车是大势所趋。现如今，许多国家都开始了新一代汽车的研制。1993年美国开始执行“新一代汽车伙伴计划-PNGV ( Partnership for a New Generation of Vehicles)”,随后日本也启动了政府“先进清洁汽车项目- ACE ( Advanced Clean Energy Vehicle Project)”,而欧洲则提出了“明日汽车- The Car of Tomorrow”计划。而早在1999年4月，中国政府在北京召开了“全国清洁汽车行动大会”，决定在北京、上海等12个大城市进行“清洁汽车试验示范”活动以实施城市“蓝天”计

划[2]。因此，目前，有很多可替代燃油发动机汽车的方案，例如燃料电池汽车、氢能源汽车以及混合动力汽车等。

据报道，2013年我国新能源汽车产量1.75万辆，同比增长39.7%，其中纯电动汽车1.42万辆；新能源汽车销售1.76万辆，同比增长37.9%，其中纯电动汽车销售1.46万辆。我国新能源汽车产销不断创新高的同时，面临政策、商业模式、基础设施、产业化推进等瓶颈问题亟待解决[2]。2013年11月，太原市被列为新能源汽车示范城市，提出2014年50辆电动公交车和200量电动出租车推广应用计划。未来5年，太原市将建设28座电动汽车充电站，充电站科技含量和服务能力将达到国际化、智能化水平。2014年5月15日，国家税务总局货物和劳务税司副司长林枫在税务总局网站就节能环保税收优惠政策进行了在线解答，针对城市中经常用到的电动汽车，林枫说，这有利于节能减排，现行消费税政策规定，电动汽车不纳入消费税征收范围，不征收消费税。依据目前我国现状，混合动力电动汽车是最具有实用性，并且已有商业化生产模式的新型汽车[3]。

依据混合动力汽车（hybrid power vehicle）总成的驱动系统能量流和功率流的配置结构关系，可分为串联式（Series Hybrid System）(两种)、并联式（Parallel Hybrid System）和混联式(Series·Parallel Hybrid System)等三种，如图1所示[3]。

串联式动力由发动机发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间以串联的方式组成动力系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车（如串联型式Ⅰ、串联型式Ⅱ）。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能（串联型式Ⅱ）；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组亏电时则由发动机发-电机组向电池组充电，组成如图1（a）、（b）所示[3]。

如图1（a）、（b）所示的串联式结构适用于城市内频繁起步和低速行驶工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量经过多次转换，机械效率较低[3]。

如图1（c）的并联式的发动机和电动机可以共同或分别驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。组成如图1（c）所示[3]。

混联式系统包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。如图1（d）所示[3]。

按照两种不同的能量的搭配比例不同，混合动力车辆则有四种类型：

微混合（micro hybrids）,有时也叫“起-停混合”，其特点是采用低电压和低功率的电动机，电动机不驱动车轮，只是用于大功率的起动机。在内燃机起动时，将内燃机的曲轴旋转到较高的转速，使得内燃机的起动更加轻松可靠；汽车在减速、制动时还可以使内燃机熄火，电动机则通过再生制动发电给蓄电池充电回收部分能量，这样都可以达到节省燃油的效果。轻度混合（mild hybrids）动力电动汽车的特点是采用高电压和低功率的电动机，在汽车加速时，电动机作为辅助动力使用。这样内燃机的排量就可以减小[3]。

全混合（full hybrids）也称强混合（strong hybrid）,特点是可以只使用内燃机或电动机驱动车辆,也可二者同时驱动。当然，这需要装备较大体积、较高电压的电池。日本的丰田PRIUS即属此类[3]。

外电源插座充电混合动力汽车 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以下简称为PHEV)，PHEV是指可以使用家用电源插座（例如220V电源)对混合动力车电池充电的混合动力汽车，同时这种混合动力汽车可单独依靠电池就能行驶较长距离，但需要时仍然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，可利用电池行驶40km到旅程终点后，插入电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池来行驶，超过50km后则可以以通常的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再插入电源对电池充电[3]。

从上面的混合动力汽车（hybrid power vehicle）工作原理简介可看出，混合动力汽车的电机与电池、以及控制是其关键技术。目前由于电池尺寸、重量以及其他因素使得混合动力汽车（hybrid power vehicle）的成本很高，但是随着电池和混合动力技术的进步，混合动力汽车（hybrid power vehicle）可能会成为未来的一种汽车[3]。为此下面仅对混合动力汽车（hybrid power vehicle）上使用超级电容（super capacitor）解决电能储存的问题进行分析。

1、超级电容器类型及其特点

超级电容器（super capacitor）作为一种新型的储能元件是介于传统物理电容器和电池之间的一种最佳储能方案。与电池相比，超级电容器的优势体现在各个方面。从表1可以看出，超级电容器在最大工作电流、功率密度、循环寿命及环保方面相比电池而言，均具有很大的优势。尤其是在快速充电性能方面优势极为突出。但由于其能量密度较小，所以不适合进行长途行驶。但在重型纯电动牵引车，以及运输线路固定、路况良好、启动频繁的港口码头应用较为广泛。超级电容器具有以下优点[4]；

（1）超级电容器与普通的电容器相比具有超高的容量。超级电容器的容量范围是0.1～6000F，它比同体积的电解电容器容量大2000～6000倍[5]。

（2）超级电容器的功率密度是电池的10～100倍，它可在瞬时提供大电流，短时间内可以达到几百到几千毫安。

（3）由于超级电容器的充放电过程不会对电极材料造成影响，循环次数不会影响电极材料的使用寿命。因此超级电容器的充放电效率很高，达到了105以上。同样，它的寿命也非常高。超级电容器的工作温度为- 40～70℃，在25℃环境温度下的寿命为90000小时，在60℃的环境温度下为4000小时[6]。而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次[9]。

（4）与电池相比，超级电容器的材料是无毒、安全的。因此，超级电容器对环境不会造成任何污染。而像铅酸蓄电池、镍镉蓄电池等用材均为有毒材料。

（5）超级电容器在放置长时间后，电压会下降。但再次充电后会回到原来的电位，并且对超级电容器的容量性能没有影响。

（6） 超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。

根据电极材料的不同，超级电容器可分为：碳电极电容器、贵金属氧化物电极电容器和导电聚合物电容器。而双层电容器和法拉第准电容器是典型的两种超级电容器。

超级电容器根据储能的机理不同，可分为双层电容器（Electric double layer capacitor, EDLC）和法拉第准电容器或赝电容器（Pesudocapacitor）。

根据超级电容器的结构及电极上发生反应的不同，也可分为对称型和非对称型。当两个电极的组成相同且电极反应相同，反应方向相反，这种类型可称为对称型。碳电极双层电容器和贵金属氧化物电容器均为对称型电容器。相反，当两电极组成不同或反应不同，则被称为非对称型电容器。

表1 几种常用动力电池的性能对比[4]

1.1 双层电容器

双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当外加电压加到超级电容的两个极板上时，与普通的电容器一样，极板的正电极存储正电荷、负极板存储负电荷，进一步在超级电容的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液的内电场中，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），而当两极板间电势超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解为非正常状态。

由于随着超级电容的放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。因此，超级电容的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此，其性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同。超级电容器为正常工作状态的当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层[7]。超级电容器的结构如图2所示。

在图2中，超级电容器的结构如图2所示，其电极多为活性炭多孔化电极，有活性炭（粉末和纤维）、炭气凝胶和碳纳米管。双层电容器的容量大小与电极材料的空隙有很大关系。当电极材料的孔径大小在2～50nm之间，孔隙率越高，其电极材料表面积就越大，电极上积累电荷就越多，双层电容器的容量就越大。在超级电容器结构图中，使用电解电容器纸的隔膜起到了引出电极、多孔化活性炭和隔膜外的所有空间均填充电解液的作用。这样可以大大提高实际面积与空间面积的比例，并且具有流动性的电解液可以与多孔化的活性炭电极紧密接触使得实际电机具有更大的有效极板面积。平板电容器的容量为

式中C为平板电容器的电容量，其中S、d、ε0、ε分别为电容器的极板面积、极板间距离、极板间介质的相对真空的介电系数和电介质的介电常数。由公式(1)可以得出，当电极表面积越大，极板之间距离越小，电容器的容量就会迅速扩大。

1.2 法拉第准电容器

法拉第准电容器是在电极表面或体相的二维或准二维空间上，活性物质发生了欠电位沉积，进而发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，并产生了与电极充电电位有关的电容。由于在体相中进行氧化还原反应，其最大电容值相当大。通常，碳材料的比容为20 x 10-6F/cm2,而吸附型准电容为2000 x 10-6F/cm2。因此，法拉第准电容器的容量为通常双层电容器10～100倍。法拉第准电容器的电极材料为金属氧化物，因此法拉第准电容器又可以被称为贵金属氧化物超级电容器。它所采用的电极材料通常是过渡金属氧化物，如MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、H3PMo12O40、WO3、PbO2和Co3O4等。[5]其中，RuO2作为法拉第准电容器的电极材料，它具有更高的导电性。RuO2在H2SO4电解液中的比容可以达到700～760F/g。但RuO2材料的稀有性和高价格限制了它的广泛应用。

1.3 导电聚合物电极电容器

导电聚合物电容器是一种新型的电化学电容器，它具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。因为聚合物产品具有良好的电子电导率，可通过选择相应聚合物的结构进一步优化集合物的性能，从而提高电容器的容量。导电聚合物是通过法拉第过程大量储存能量，它是借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心，正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势。导电聚合物电极电容器可分为三种类型，第一种为对称结构电容器。这种类型电容器中的两电极为相同可p型掺杂的导电聚合物。第二种为不对称结构电容器。此类型电容器是两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料。第三种电容器是导电聚合物可以进行p型和n型掺杂，充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态，而另一个电极是p型掺杂状态，放电后为去掺杂状态。而当两电极的分别为n型掺杂和p型掺杂时，电容器具有类似蓄电池放电时的特性，即充分利用溶液中的阴阳离子来进行放电的过程。[8]聚乙炔、聚毗咯、聚苯胺、聚噻吩等聚合物为现今有限可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂的导电聚合物。

2、超级电容器的充放电方式

当外加电压加到双层电容器的两个极板上时，极板的正极上为正电荷，极板的负极上为负电荷。电解液在两极板产生的电场作用下，在与电解液和电极间的界面上形成了相反的电荷。以此来平衡电解液的内电场。当电容器两极板间的电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，这是电容器的放电过程。而当电容器两端的电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将进行分解，此过程就为电容器的充电过程。图3所示双层电容器的充放电过程示意图。

对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。当在和多孔过渡金属氧化物发生氧化还原反应时，有如下现象出现在充放电过程中：

（1）两极电位与电极上施加或释放的电荷几乎呈线性关

系；

（2）系统的电压随时间呈线性变化，则可以表示为：

其产生的电流为恒定或者几乎恒定的电容性充电电流为：

此充放电过程是动力学高度可逆，反应随着电荷的转移，进而实现能量的储存。以RuO2反应为例，从图4可以看出法拉第准电容器充放电的大致过程。以RuO2作为电极，H2SO4作为溶液的电容主要取决于法拉第准电容器。当在电极上发生法拉第反应，其反应方程式为：

此反应是通过在RuO2的微孔中发生可逆的电化学离子注入，它不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，从而获得比双层电容器更高的电容量和能量密度。

3、混合动力汽车中的超级电容器及其选用

超级电容器的高功率输出、快速充电、宽温度范围以及使用寿命长等方面明显优越于传统动力电池。对于汽车在启动、加速、爬坡时的大功率输出要求均能较好的满足。在汽车中当超级电容与动力电池配合使用时，可以减少大电流充放电时对电池的伤害，延长使用寿命。拥有超级电容器的混合动力汽车可以明显减少汽车的总排放量，节约能量，其燃料可以减少25%的用量[12]。图5为带有超级电容的混合动力汽车的基本结构组成示意图[11,12]。

以城市混合动力公共汽车为例，可以看出超级电容器在汽车使用实际情况[10]。该城市混合动力公共汽车是由一个85KW的异步电机作为驱动电机，通过一个125KW柴油机恒速驱动同步发电机馈电和带有超级电容的能量存储单元与经过相控稳压器电路链相耦合的供电系统向自换向双向变化器供电。当车速低于20km/h，超级电容器开始放电；当柴油机的输出功率小于50KW时，超级电容器也开始放电。超级电容器可以进行在汽车制动时进行能量的回收，其储能单元与柴油机都在高效运行状态。超级电容器通过自身的这些优点使燃料消耗降低了26%，城市的总的能量需求减少了18%，并且减少了城市范围内的大气污染。超级电容器不但可以应用在公共汽车上，在需要进行各种加速和制动循环地铁与轿车上也可以广泛的使用[6]。

对于超级电容器的具体工作流程，可以通过一实例来进行说明。当一台质量为2吨的汽车在看见红绿灯时开始制动，其初始制动速度为50Km/h，经过制动后直到速度为0。它所产生的动能可以被存储在超级电容器中。超级电容器的初始充电电压为UE=46V，充电完成时电压为UA=25V。通过下面的公式（2）和公式（3）可以得出在此充电过程中所需要的电容量。

汽车制动产生的能量

其中，质量m=2t=2000kg, 速度v=50km/h=13.89m/s。经过上式计算得到能量为193kJ。

再由下式能量与电容的关系可以得出储存制动能量所需的电容：

最终可以得出存储制动能量所需要的电容为260F。

在此制动过程中，假设制动时间为10s。利用公式（5）可以得出完成此制动过程的制动电流。

根据上式可得到对应的制动电流为546A。

在选用电容器时可以通过以上计算结果来选取合适的容量与数量的电容器进行组合。经过以上公式计算，此辆汽车需要260F的电容量和46V的涌浪电压。其电容可以用18个5000F/2.7V的超级电容器进行串联可以满足。

4、超级电容器的其它应用领域

目前的内燃机型的汽车基本上是用蓄电池组来启动柴油发电机组的，蓄电池的充放电时间较长，在冬天启动汽车比

较困难。冬天，很多司机都会将卡车处于怠速状态，以保证卡车在停了几个小时后能重新启动。德国的研究人员对超级电容器应用在汽车发动机的快速启动上做了研究[10]，以解决怠速停车产生的能源浪费问题。他们使用一个小的蓄电池并联一个超级电容器代替原蓄电池为车辆启动提供动力。超级电容器+蓄电池组构成的启动能源系统的质量仅为传统车用蓄电池的1／3，但却使启动机的启动扭矩提高50%，而且启动转速也有所增加[10]。

另外，在其他领域超级电容器也获得成功的应用，超级电容器替代电解电容器，应用在高压变电站及开关站的电容储能式硅整流分合闸装置中，作为储能装置，可以解决电解电容器由于储能低及漏电流大造成的分合闸装置町靠性差等缺点，防止产生严重事故[11]。超级电容器代替电解电容器能保持原装置简单的结构，还能降低成本，减少维护量[11]。

超级电容器也可以用于分布式电网的储能。该系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速地补偿系统所需的能量，从而实现电能的平衡、稳定控制[11。

新一代的激光武器、粒子束武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备在发射阶段除了具有常规高比能量电池外，还必须与超大容量电容器组合才能构成“致密型超高功率脉冲电源”，通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整，使脉冲电起飞加速器、电弧喷气式推进器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的状态。Evans公司开发了一种大型的超级电容器，计划应用于海军。Evans公司的这种电容器的工作电压为120V，存储的能量超过35 kJ，功率高于20kW[5]。

超级电容器由于具备高比功率、长循环寿命等优势，使其作为许多电力行业的首要选择。目前已应用于计算机备用电源、信号灯电源及与燃料电池、镍氢电池等动力电池复合作为电动汽车的动力电源。尤其是混合动力汽车和纯电力驱动汽车，超级电容器重要的研究方向之一是将其与高比能量的蓄电池连用，在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率，在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电，减少汽车对蓄电池大电流放电的要求，达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。

目前，超级电容器的研究主要围绕碳材料展开，但是制备的电容器比能量很低，而且性能有待进一步提高。纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向，将给超级电容器性能提高提供广阔的发展思路和空间[8]。

5、结论

在与蓄电池和传统电容器相比，超级电容器在功率密度、寿命、快速充电性能以及工作温度方面具有明显的优势，但在成本和能量密度方面仍需要大幅度的提高。超级电容器在电动汽车和混合动力汽车中的应用具有巨大的优势。尤其当车辆启动和爬坡需要大功率能量输出时，超级电容器的快速响应相对比传统蓄电池电动汽车的优势不言而喻。超级电容器的优势同样可以应用在传统内燃机汽车蓄电池问题、电力系统的储能以及军事新兴武器研究等各个领域。随着对超级电容器研究的深入，其实用性和性能将不断提高，超级电容的前景将无限宽广。

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Discussion of Super capacitor and Its Key Technology in Hybrid Power Vehicle

Zhao Xuzhe
(Illinois Institute of Technology, Chicago, IL, USA 60616)

In this thesis, methods in power drive of modern vehicle are simply introduced. It is explicitly point out that modern vehicle electromotion is development direction. Advantage of hybrid electric vehicle and its properties are briefly related. It is explicitly point out that electric energy storage method in hybrid power vehicle is important. Advantage of super capacitor in hybrid electric vehicle is related. super capacitor kinds, operating principle, charge-discharge way are simply introduced. Key technology of super capacitor in hybrid power vehicle is discussed. Other application fields of super capacitor are simply introduced.

hybrid power vehicle; electromotion；super capacitor；charge-discharge way

U469.7

A

1671-7988(2014)10-82-06

赵旭哲，就读于美国伊利诺理工大学。