摘 要 : 超級電容器是近年來發(fā)展起來的一種新型的儲(chǔ)能裝置 , 具有功率密度高 、壽命長 , 使用溫度寬及充放電迅速等優(yōu)點(diǎn) 。隨著電動(dòng)車輛的研究不斷深入 , 電動(dòng)汽車在電池使用壽命 , 功率型電池加速時(shí)瞬間大功率釋放存在瓶頸 , 以及電池制動(dòng)時(shí)能量回收率不高等諸多問題開始顯現(xiàn) , 影響了電動(dòng)車輛的使用和推廣 。介紹了超級電容 、鋰離子動(dòng)力電池的性能 , 以及超級電容與電池混合電能的研究及其在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用 。
1 引言
能源與環(huán)境已成為當(dāng)前全球最為關(guān)注的問題 ,為了改善城市環(huán)境污染和降低能源依賴度,世界各國特別是美國 、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家積極探索應(yīng)用新能源車輛 。超級電容大多是電化學(xué)電容器 ,是近年來出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能元件 ,具有長壽命 、釋放電流功率大 、存儲(chǔ)能量大 、質(zhì)量輕 、工作溫度范圍寬及環(huán)保等特點(diǎn) 。采用純超級電容電動(dòng)汽車已投入運(yùn)行 ,這種車輛的加速性 ,制動(dòng)的能量回饋 ,以及車輛使用壽命呈現(xiàn)出相當(dāng)好的特性 。但是由于超級電容其本身的特性使得超級電容車的續(xù)駛里程短 ,應(yīng)用上有一定的局限性 。
電動(dòng)汽車的發(fā)展一直受到電池技術(shù)的制約 。如何解決電池的問題 ,成了電動(dòng)汽車發(fā)展最大的瓶頸 ?，F(xiàn)在隨著電池技術(shù)的發(fā)展 ,動(dòng)力型鋰電池的出現(xiàn) ,電動(dòng)汽車的電能來源問題得到了基本解決 。但是在車輛的使用過程中 ,純電池的電動(dòng)汽車出現(xiàn)了諸多問題 ,例如電池壽命 ,車輛加速性能等等 。如何解決這些問題 ,這些已經(jīng)成為電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化所必須先行解決的問題 。隨著對環(huán)保型電動(dòng)汽車研究的不斷深入,通過對純超級電容電動(dòng)汽車和純電池電動(dòng)汽車的分析研究 ,提出了超級電容與各類動(dòng)力電池配合使用組成復(fù)合電堆的技術(shù)路線 ,應(yīng)用與電動(dòng)汽車的電源啟動(dòng)系統(tǒng) ,在車輛的起步 、加速 、制動(dòng) 、充電過程中起到保護(hù)電池和節(jié)能的作用 在正常行駛過程中 ,電動(dòng)汽車從電池中所需的平均功率并不高 ,而剎車 、加速和爬坡的瞬間其峰值功率又非常的高 。就目前研發(fā)的電動(dòng)汽車其峰值功率與平均功率之比已經(jīng)高達(dá) 16 ∶1。
很明顯如果單純使用電池 ,在車輛需要瞬時(shí)大功率時(shí) ,電池的放電能力顯得力不從心 ,而且極其容易造成電池的損壞 。將超級電容與電池混合使用后 ,在車輛加速或者爬坡時(shí)所需的大功率瞬間電流由超級電容提供額外功率 ,從而保證了車輛的加速性和爬坡性 ,并起到了保護(hù)電池的作用 。隨著科技水平的進(jìn)步 ,對能量使用的控制要求也越來越高 ,電動(dòng)汽車在剎車過程中的能量回收也必須在設(shè)計(jì)過程中考慮進(jìn)去 。由于電池的充電是通過化學(xué)反應(yīng)來完成的 ,所需時(shí)間較長 ,而車輛制動(dòng)的時(shí)間很短 ,因此回收能量的效果不佳 。將超級電容和電池混合使用后 ,車輛在剎車過程中產(chǎn)生的回饋電能也能被超級電容吸收 。特別是在城市行駛中經(jīng)常遇到紅燈 ,車輛的起動(dòng)和剎車相當(dāng)?shù)念l繁 。如果只使用電池 ,對電池的使用壽命和電能的使用效率影響相當(dāng)?shù)拇?。有關(guān)研究表明 ,電動(dòng)汽車在比較頻繁的制動(dòng)和起動(dòng)的城市道路上行駛 ,如能有效的回收制動(dòng)能量 ,可以使電動(dòng)汽車的行駛距離延長 10 %～40 %。
超級電容與電池混合使用后 ,解決了純超級電容電動(dòng)汽車行駛里程較短的缺點(diǎn) ,使電池在放電過程中處于相對平穩(wěn)的階段 ,避免電池出現(xiàn)瞬間大電流充放電現(xiàn)象 。從而使電池壽命得到了延長 ,提高了電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性 ,能量回收得到了解決 ,使續(xù)駛里程進(jìn)一步延長 。在電池充電過程中 ,超級電容還起到了穩(wěn)壓和濾波作用 ,減少了充電過程中的紋波系數(shù) ,提高了電能質(zhì)量 ,也保護(hù)了電池 。
2 電動(dòng)車輛上超級電容器的選擇
2. 1 超級電容器的技術(shù)分類
超級電容按照采用的電極不同 ,可以分為 3種 : (1) 碳電極電容 ; (2) 貴金屬氧化物電極電容 ;(3) 導(dǎo)電聚合物電容 。超級電容按照儲(chǔ)存電能的機(jī)理不同, 又可以分為 2 種類型 : (1) 雙電層電容 ; (2) 法拉第贗電容 。一般來說法拉第贗電容具有更大的比電容 。超級電容按照結(jié)構(gòu)和電極上發(fā)生反應(yīng)的不同 ,又可分為對稱型和非對稱型 。2 個(gè)電極的組成相同并且電極反應(yīng)相同 ,反應(yīng)方向相反 ,就是對稱型 。如果 2 個(gè)電極組成不同或反應(yīng)不同 ,則就是非對稱型 ,其性能的表現(xiàn)形式更接近于蓄電池 。
2. 2 超級電容的特點(diǎn)比較
如今超級電容的相關(guān)研究以及應(yīng)用是目前世界科技的前沿 ,在國內(nèi)也受到相當(dāng)?shù)闹匾?。在世界上超級電容技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家是俄羅斯和美國 。
俄羅斯技術(shù)的超級電容以貴金屬氧化物電極電容為代表 。貴金屬氧化物電極電容通過可逆的氧化還原反應(yīng) ,是電荷在兩個(gè)電極傳遞的過程中行車吸附電容 ,這種超級電容一般擁有較高的電容量 ,但是由于使用水溶液電解質(zhì)導(dǎo)致單體電壓不高, 并且循環(huán)使用壽命相對碳電極電容低 , 受溫度影響比較明顯 ,若溫度過高 ,會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象 。
對貴金屬氧化物電極電容的研究 ,主要采用RuO 2 ,IrO 2 等貴金屬氧化物作為電極材料 。由于RuO 2 電極的導(dǎo)電性比碳電極好 ,電極在硫酸中穩(wěn)定 ,可以獲得更高的比能量 。以 RuO 2 ? nH 2 O無定型水合物作電極 ,5. 3 mol/ L H 2 SO 4 作電解液所制得超級電容比電容能達(dá)到 700 F/ g;以無定型水合物 MnO 2 ? nH 2 O 作電極 ,2 mol/ L KCl水溶液作電解液所制得的超級電容也可達(dá)到 200F/ g。因?yàn)樵谥行?KCl 水溶液中材料比較穩(wěn)定 ,不容易發(fā)生化學(xué)副反應(yīng) ,以 KCl 水溶液作電解液適用于多種電極材料 。貴金屬氧化物電極電容儲(chǔ)存電能方式為法拉第贗電容 ,類似于蓄電池的儲(chǔ)能方式 。但是由于貴金屬的資源有限 、價(jià)格昂貴限制了它的使用 ,這種超級電容一般用于軍事領(lǐng)域較多 。
美國的超級電容是以碳電極電容為代表 。碳電極超級電容是利用活性炭表面多空的性質(zhì),吸附電荷后形成雙電層電容 ,這種電容充放電速度較快 ,并且使用了有機(jī)溶液電解質(zhì) ,單體電壓高 ,造成放電功率很大, 并且循環(huán)使用壽命很長 , 使用溫度范圍很寬 。碳電極電容其電容的大小和電極的極化電位及電極比表面積大小有關(guān) ,故可以通過計(jì)劃電位的升高和增大電極比表面積達(dá)到提高電容容量的目的[ 2]。電極 / 電解質(zhì)雙電層上可儲(chǔ)存的電量其典型值約為 15～40 μ F/ cm2。選用具有高表面積的高分散電極材料可以獲得較高的電容 。雙電層超級電容采目前可用的碳電極表面積目前可達(dá)到1 000～2 000 mg2/ g。最近幾年 ,研究主要集中在提高碳材料的比表面積和控制碳材料的孔徑及孔徑分布 ,并開發(fā)出許多不同類型的碳材料 ,主要有 :活性碳粉 、活性碳纖維 ,炭氣凝膠 、碳納米管等 。碳材料具有成本低 、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn) 。
2. 3 電動(dòng)汽車上超級電容器的選用
在電動(dòng)汽車上使用的超級電容 ,在選用過程中需要考慮超級電容的容量 、經(jīng)濟(jì)性 、穩(wěn)定性等許多因素 。以電能型動(dòng)力車輛應(yīng)用示范系統(tǒng)研究項(xiàng)目為例 ,電動(dòng)車上的超級電容負(fù)責(zé)解決車輛剎車 ,加速或者爬坡時(shí)所需的大功率輸出輸入, 從而保證鋰電池相對平穩(wěn)的放電 ,以保護(hù)鋰電池 。超級電容并不是作為主要?jiǎng)恿﹄娫?,所以對超級電容的容量沒有過高的要求 ,而車輛上使用的器件穩(wěn)定性是非常重要的 。所以成本低廉并且技術(shù)更加成熟穩(wěn)定的碳電極雙電層電容是最為合適的超級電容[ 4]。
3 電動(dòng)車輛上的動(dòng)力型鋰電池的選擇
現(xiàn)階段電動(dòng)車所使用的動(dòng)力型電池一般是鉛酸電池 、鎳氫電池和鋰離子電池 。鋰離子電池與鉛酸電池相比較 ,鋰離子電池具有更高的比能量 ,并且更加環(huán)保 。而鉛酸電池存在廢液污染嚴(yán)重的問題 ,已經(jīng)逐漸減少使用 。鎳氫電池由于其電壓偏低 ,不是很適合在電動(dòng)車輛上使用 。
3. 1 鋰離子電池
鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池 正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成 ,正極采用鋰化合物 Li x CoO 2 , Li x NiO 2 ,LiFePO 4或 LiMn2 O 4 , 負(fù)極采用鋰 - 碳層間化合物 Li x C 6 ,電解質(zhì)為 Li PF 6 和 LiAsF6 等有機(jī)溶液 。經(jīng)過Li+在正負(fù)電極間的往返嵌入和脫嵌形成電池的充電和放電過程 。充電時(shí) , Li+正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極 , 負(fù)極處于富鋰態(tài) , 正極處于貧鋰態(tài) ; 放電時(shí)則相反 。
3. 2 鋰離子正極材料
鋰離子電池正極材料的重要作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面 :第一 ,電化學(xué)性能 。由于正極在電池中的特殊作用 ,對正極材料的要求十分苛刻 。正極材料的電化學(xué)性能直接影響著鋰離子電池的充放電性能 、安全性和壽命 ;第二 ,成本構(gòu)成 。相對于其他電池材料 ,正極材料是目前構(gòu)成電池成本的主要部分之一[ 3]
。
3. 3 電動(dòng)汽車上鋰離子電池的選用
鋰離子電池的選擇要考慮其容量 ,必能量 ,經(jīng)濟(jì)性 ,環(huán)保性 ,穩(wěn)定性等諸多 方面 的內(nèi) 容 。Li 2CoO 2 資源短缺 、價(jià)格昂貴并且具有毒性 ,LiNiO 2的制備困難 ,且存在安全性問題 ,而 LiMn2 O 4 的循環(huán)性能和高溫性能仍然需要進(jìn)一步改進(jìn) 。雖然Li FePO 4 存在導(dǎo)電性能較差 ,但是 Li FePO 4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 、資源豐富 、安全性能好 、無毒對環(huán)境友好 ,而且隨著溫度升高 ,材料比容量增大 ,適合于一些要求比較苛刻的條件下使用 。在綜合比較了現(xiàn)有的鋰離子電池的正極材料后 ,考慮到在車輛上使用的安全性 、比能量 、使用壽命 、使用溫度等因素后 。我們發(fā)現(xiàn) Li FePO 4 和 LiMn2 O 4 具有較高的比能量以及良好的安全性是鋰離子電池正極材料發(fā)展的主要方向 ,并且是最適合在車輛上使用的鋰離子電池正極材料 。至于兩者誰更合適在車輛上使用 ,還需時(shí)間進(jìn)一步研究 。
4 電池電容混合模式
在電池技術(shù)沒有重大突破的前提下 ,無論動(dòng)力型蓄電池 、燃料電池 、超級電容 、超高速飛輪,任何單一能源都無法滿足電動(dòng)汽車行駛的能源需求 ,原因在于這些儲(chǔ)能電池都不能同時(shí)提供高比能量和高比功率 。為此 ,將超級電容與電池混合組成復(fù)合電堆 ,其結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示 。一般電池在放電過程中的最佳放電電流為0. 3 C～ 1C ( 其中 C 為 1 小時(shí)放電率對應(yīng)的電流) ,如果超過 1 C 的放電會(huì)對電池的使用壽命造成影響 。并且在車輛加速過程中 ,電池?zé)o法釋放出電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的能量 。所以在電池電容混合電堆的模式下 ,在車輛加速過程中 ,超級電容會(huì)瞬間釋放出部分能量來滿足車輛啟動(dòng)所需能量 ,避免
電池瞬間大電流放電 。
車輛在制動(dòng)過程中 ,為了提高制動(dòng)能量的回收效益 ,我們將車輛制動(dòng)過程中回收的能量置于超級電容中 。在車輛充電的時(shí)候 ,由于主要能量部分是鋰離子電池 ,所以在充電過程中 ,充電機(jī)只需對電池進(jìn)行充電 。超級電容中的能量無需通過充電機(jī)來完成 。使得充電過程更符合原有的純電池的電動(dòng)汽車的充電模式 ,使充電變的簡單[ 4]。
5 實(shí)驗(yàn)與分析
5. 1 車用超級電容器充放電性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中采用容量為 50 000 F、工作電壓在 0. 8～1. 6 V 的不對稱電極混和型電動(dòng)車用超級電容器 ,內(nèi)阻約 0. 5～1 mΩ。
5. 2 恒流充放電實(shí)驗(yàn)
分別以50 A ,100 A ,200 A恒流充電至額定電壓值 (3. 2 V) ,停止充電 ,接著以相同電流恒流放電至額定電壓值 (1. 6 V) ,然后斷電 ,測繪數(shù)據(jù)曲線 (參見圖 2) 。由圖 2 曲線可以看出 ,大電流充電后的放電過程中以及切換瞬間都會(huì)出現(xiàn)電壓的大幅度上升和回落 ,這種電壓的大幅度突變表明實(shí)際電容所充入的電量遠(yuǎn)小于預(yù)期的值 ,這相當(dāng)于在允許電壓的范圍內(nèi), 電容的實(shí)際工作電壓區(qū)間減小 ,即輸出的能量減少[ 7]。
5. 3 恒流轉(zhuǎn)恒壓充放電試驗(yàn)
考慮到大電流情況下恒流充電至額壓狀態(tài)時(shí)充電不足的情況 ,分別以 50 A ,100 A ,200 A 電流恒流充電至額定電壓值后 ,在恒壓下控制充電一定時(shí)間 ;接著以相同的電流恒流放電至額定電壓值[ 8],參見圖 3。
雖然超級電容的內(nèi)阻相對于其它二次電池很小[ 9 ](小于 1m Ω) ,但電動(dòng)車用超級電容在大電流充電后斷電時(shí)電壓回落仍比較明顯 ,放電后斷電時(shí)電壓回升也比較明顯 ,嚴(yán)重降低了電容器實(shí)際工作中的比能量 ,在 100 A 的大電流工作狀態(tài)下 ,只有當(dāng)電容內(nèi)阻降到 0. 1 mΩ 以下 ,才能忽略電容內(nèi)阻產(chǎn)生電壓突變的影響 。另外 ,在較高頻率的大電流充放電情況下,電容器由于內(nèi)阻的發(fā)熱也比較嚴(yán)重 ,電極 、電解液溫度幾分鐘內(nèi)就會(huì)超過 60 ℃,影響正常工作 。所以 ,將超級電容與電池混合使用 ,使超級電容僅僅作為功率元件的使用 ,并不作為長期能量的提供單元 ,使超級電容避免了其性能上的不足 ,充分發(fā)揮了其長處 。
6 電容電池比配
6. 1 動(dòng)力型蓄電池?cái)?shù)量的確定
確定電池的數(shù)量需要考慮蓄電池在車輛行駛過程中由控制策略所設(shè)計(jì)的最大輸出功率以及蓄電池的輸出能量 ,以保證電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程 。
6. 2 超級電容數(shù)量的確定
超級電容的數(shù)量選擇主要受超級電容的充放電時(shí)間 、車輛的制動(dòng) 、加速時(shí)間以及由控制策略所設(shè)計(jì)的超級電容輸出功率限制 。需要滿足如下公式 :
通過上述計(jì)算 ,可以算出超級電容電池混合動(dòng)力電動(dòng)車的一些基本參數(shù) ,再在調(diào)試過程中對其誤差進(jìn)行調(diào)整 。
7 結(jié)語
在現(xiàn)有科技水平下 ,為改善電動(dòng)車輛的行使性能 ,在純電動(dòng)汽車中加裝超級電容是可行的選擇之一 ,在加裝超級電容后 ,能夠從以下幾個(gè)方面改善電動(dòng)車輛性能 :
( 1 )改善動(dòng)力型蓄電池的工作條件 。通過電容的充放電特性 ,可以平滑車輛電流的變化程度 ,從而為動(dòng)力型蓄電池提供良好的工作環(huán)境 ,延長蓄電池的使用壽命 。
