电动汽车也可以使用超级电容

电动汽车也可以使用超级电容？

超级电容器充放电效率高( 大于90 %) ，寿命超长( 可以达到百万次) ，适用温度范围宽，可在－40 ～ 70℃范围内正常工作。功率密度大，可以达到每千克十几千瓦；能量密度非常低，均在每千克10瓦时以内。对比现在锂电池的参数看一下，国家补贴的入门标准是电池系统级能量密度大于90wh/kg。可见超级电容，主要在于功率特性上的优势。

1 超级电容的几个特点

超级电容对过充过放的反应不像锂电池那样敏感；

电压电量曲线近似一次函数曲线，但也跟具体设计有关，并受温度影响明显；

由于工作原理的不同，双电层超级电容能获得更长的循环寿命，而赝电容则容易得到更高的能量密度。

2 超级电容的类型和原理

超级电容主要包含两大类，双电层电容和赝电容。虽然都叫做超级电容，但他们的工作原理存在着本质上的不同。双电层超级电容器电荷移动过程，吸附作用是主要作用方式，存在少量化学变化，是非法拉第过程；而赝电容充放电，以氧化还原反应为主，是法拉第过程，遵循法拉第原理。

法拉第 过程是指在电极表面发生氧化还原反应的过程，并且在电极与溶液界面上有电子转移（跃迁）的过程。这一过程遵守法拉第定律，即：因电流通过而引起的化学反应的量与所通过的电量成正比。

非法拉第 过程是指，在电极-溶液界面间没有电荷转移，但是随着电势变化，由于吸附和脱附过程发生，以及双电层的充放电，导致电极-溶液界面结构发生变化，并引起电流流动，这种电流流动过程称为非法拉第过程。不遵循法拉第定律。

双电层电容器工作原理

双电层电容器，如上图所示，结构上包含正负极集电器，多孔碳电极，隔膜和电解液几个组成部分。隔膜在正负极之间，将两者分开，但允许电解液中阴、阳离子自由通过。电荷可以穿越隔膜移动。电解液用于传导电荷；电荷分别在正、负电极接触面形成双电层结构。充电时，给电容两端加载电压，由于静电力作用，电荷向正负两极汇集，在电极与电解液接触面上形成双电层结构，实现电荷与能量存储；当超级电容作为电源放电，电荷则离开电极回到电解液中。电荷的汇集、扩散，在外电路形成电流，实现充电和放电过程。

双电层电容器能量密度和功率密度的高低，一个主要的影响因素是集电极的性能。目前超级电容器研究和应用较多的是碳材料，包括活性炭、石墨烯、碳纳米管、模板碳等。不同碳材料的微观形貌和理化性质不同，电化学储能性能有所差别，不同碳材料的比电容不同。下面图中，展示了不同种类的碳应用到超级电容电极中，实现的能量密度的对比关系。

赝电容工作原理

赝电容器，也称法拉第电容器，其基本工作原理： 赝电容器主要以金属氧化物或导电聚合物作为电极。充电时，在电极和电解液表面发生快速的氧化还原反应或法拉第过程，因电极材料的氧化还原电位发生改变，两电极之间产生电势差；放电时，电极又与电解液发生与充电过程相反的逆反应，两电极间电势差降低，实现放电。

目前研究较多的赝电容器材料包括，金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物等。然而，赝电容材料大多受限于循环稳定性相对较差的缺点，往往需要与碳材料形成复合物以提高循环寿命和充放电性能。

3 超级电容应用领域

超级电容应用领域挺多，主要发挥其瞬时大功率的优点。大的领域包括供配电行业，交通领域，重型机械领域等等。

电力行业的应用，主要包括平抑发电功率波动，风机变桨后备电源。

新能源发电，比如风力发电，光伏发电等，受自然条件影响较大，发电功率极其不稳定，被大电网认为是垃圾电，限制其上网规模。超级电容组被设置在新能源发电站入口处，发电功率大时，将一部分高于平均的电量存储下来；发电功率低时，则将存储电能补充到上网功率中去，如同一个缓冲器，起到平抑上网功率波动的作用，改善新能源上网电力的质量。在微电网中的作用形式，也跟新能源发电站类似，起到蓄水池的作用。

风机变桨，风力发电机在发电过程中，需要随时根据风力和风向调节风车叶片的角度，进而实现稳定发电功率的目的，叶片的调整，需要外部电源作为动力。如果出现风力骤增而风机叶片不能及时调整角度的情形，则风机或者风机发电系统可能会遭受大的扭力和冲击发电功率的考验，因此变桨电源需要稳定可靠。超级电容作为后备电源，一方面冲击电容寿命长，更换周期长；另一方面，超级电容对工作环境要求不高，环境温度变动范围宽。

交通领域的应用，也有较多应用，是我们最关心的领域，后面单列一个章节。

重型机械领域的应用，主要是起重机和电梯这类，工作过程中势能变化比较大的场景。上升过程中放电，给系统启动提供大功率动力；系统下降过程，则能量回收。有数据显示，这个应用可以节约40%的能源。

4 超级电容在电动汽车领域的应用

回到我们关心的电动汽车领域，乘用车上一般配合其他动力共同使用，主要发挥起动输出大功率和制动能量回收的作用。城市轨道交通领域，大家可能看到过，前两年有几个关于超级电容在地铁进站过程中，作制动能量回收的新闻。大惯性的车辆，制动功率很大，一般的蓄电池，回收的能量比例有限，只有超级电容最适合这类应用。公交车完全依靠超级电容做动力，间隔3-5公里充电一次，主要秀充电快的能力。

由于功率密度大而能量密度小，超级电容在电动乘用车上作为主要电源的应用案例并不多。一些文献提出过超级电容结合锂电池的应用方式，其中一种，原理框图如下图所示。

超级电容组与动力电池组并联连接，电路单独控制。在起动、加速、爬坡等系统需要瞬时大功率时，接通超级电容回路；系统正常运行状态时，接通动力电池回路。

超级电容单体电压比较低，在文章开始的表格中可以看到，普遍低于锂电池的单体电压。因此，超级电容的应用形式，也需要串并联成组使用。这样，就带来了超级电容对管理系统的需要。大体情况与锂电池也很类似，需要监控电流、电压、温度。控制器需要估计SOC、SOH等参数。超级电容的电压容量特性曲线，在环境温度稳定的情况下，近似于一次函数曲线。但如果外接环境出现变化，则电压电量关系会跟着变化。另外一个难点是，超级电容的电压电量变化过程比较快，这也给监测控制系统提出了新要求。