超级电容器在电动汽车上的应用
发布时间：2012-3-14 17:29
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现在，城市污染气体的排放中，汽车已占了70％以上，世界各国都在寻找汽车代用燃料。由于石油短缺日益严重人们都渐渐认识到开发新型汽车的重要性，即在使用石油和其它能源的同时尽量降低废气的排放。 超级电容器功率密度大，充放电时间短，大电流充放电特性好，寿命长，低温特性优于蓄电池，这些优异的性能使它在电动车上有很好的应用前景。 在城市市区运行的公交车，其运行线路在20公里以内，以超级电容为唯一能源的电动汽车，一次充电续驶里程可达20公里以上，在城市公交车将会有广阔的应用前景。 电动汽车属于新能源汽车，包括纯电动汽车，BEV）、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）三种类型。它集光、机、电、化各学科领域中的最新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车与传统汽车在外形上没有什么区别，它们之间的主要区别在于动力驱动系统。 电动汽车采用蓄电池组作储能动力源，给电机驱动系统提供电能，驱动电动机，推动车轮前进。虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车，但在行驶过程中不排放污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，结构简单，使用维修方便，是一种新型交通工具，被誉为“明日之星”，受到世界各国的青睐。 超级电容器简介 超级电容器又称为电化学电容器，是20世纪年代末出现的一种新产品，电容量高达法拉级。以使用的电极材料来看，目前主要有3种类型：高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。 1、基本原理 根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器，EDLC）和赝电容器（Pesudocapaeitor）。碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容；而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。 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。双电层电容的大小与电极电位和表面积的大小有关。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孑L碳材料组成。碳材料具有优良的导热和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。 赝电容是在电极表面或者体相的二维或准二维空间上，电活性物资进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附／脱附或氧化／还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于赝电容不仅发生在表面，而且可以深入内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极面积下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。 2、与传统电容器、电池的区别 电化学电容器和电池的运行机理从原理上就不同。对于双电层型超级电容器，电荷存储是非法拉第过程，即理想的没有发生通过电极界面的电子迁移，电荷和能量的存储是静电性的。而对电池而言，实质上发生了法拉第过程，即发生了穿过双层的电子迁移，结果是发生了氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化。总的来说，电荷存储过程有如下重要的区别： 对于非法拉第过程，电荷的聚集靠静电方式完成，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上。 中间为真空或分子绝缘体，如双层、电解电容中的云母膜、空气层或氧化物膜。 对于法拉第过程，电荷的存储靠电子迁移完成，电活性材料发生了化学变化或氧化态变化，这些变化遵守法拉第定律并与电极电势有关在某种情况下就能产生准电容。这种能量的存储是间接的。 在比能量和比功率两个性能参数上超级电容器位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远远高于电池。由于使用寿命长通常都超过了使用其设备的寿命，所以，超级电容器终身无需维护，加之使用完后，对环境要求宽松，无污染，因而又称其为绿色能源。；超级电容器车用贮电装置的优点超级电容器是绿色能源不污染环境化学电池对环境有2次污染。 循环使用寿命长（约l0万次）；化学电池的循环使用寿命短（20o～1000次），易损坏。 充电速度快（0.3s～15min）；化学电池的充电时间长，一般要3～l0h……‘充放电效率高（98％）；化学电池的充放电效率低（70％）。 功率密度高（1OOO～IO000W／Kg）；化学电池功率密度低（300W／Kg）。 超级电容器彻底免维护，工作温度范围宽一40～+70～C），容量变化小；铅酸电池电动车在一℃时，续驶里程减少90％，而超级电容器只减少10％。 超级电容器电动大客车刹车再生能量回收效率高，常规制动时回收高达70％，化学电池能量回收效率仅为5％。 相对成本低。超级电容器的价格比铅酸电池高一倍，但由于超级电容器的寿命比化学电池高～100倍，所以超级电容器电动车的综合运营成本大大低于化学电池。 全球每年通过公交系统在固定线路上出动的运输车辆约是5000亿次，其中人们最普遍使用的运输工具仍是公交车辆。2000年的销售量为l8-3万辆，今后5年里，每年销售达到22。0万辆。美国达4.0万辆。估计到2010年公交车辆的拥有量将达65万辆。这么多车辆若不进行改造，仍然采用柴油或汽油，那需要的油料量将成为沉重的负担，造成的空气污染也很明显圈。 据估计燃料电池在最近十年内还不可能达到规模化生产嘲。撇开成本昂贵的燃料电池不说，我国已在使用或即将推广的车用乙醇汽油、天然气车的项目，也摆脱不了高成本的困扰：由于燃料乙醇的生产成本高于汽油，国家有关部门正在制定补贴方寨，以使车用乙醇汽油的价格与同号汽油持平；研究与探讨然气发动机的价格比同排量柴油机成倍增，在全国率先批量装备天然气发动机的北京市公交总公司有关人士承认，目前天然气车主要满足长安街一线的运营需要。 而超级电容器正好解决了这一难题，超级电容器的容量有足够大，成本很低，对环境又无污染。 大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极其重要的意义：在汽车启动和爬坡时快速提供大功率电流；在汽车正常行驶时由蓄电池快速充电；在汽车刹车时快速存储发电机产生的大电流，这些可以减少电动汽车对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性。鉴于电化学超级电容器的重要性，各工业发达国家都给予了高度重视，并成为各国重点的战略研究和开发项目。 超级电容器在微网储能等领域应用上的优势 1. 超级电容结合了锂电池与铅酸电池的优点，比功率高是其最大优势 超级电容器能够在几秒内迅速充放电，循环寿命高，比功率高，结合了锂电池与铅酸电池的优点。如果说电解电容是百米短跑选手，现在流行的锂电池是长跑选手，那么超级电容更像是400-800米中跑选手。 2. 锂离子电容在微网中的作用大，是目前商业化应用最明朗的一个 LIC电容在微网中的作用主要是改善输出电流质量和支持瞬时高功率的负载补偿。2010年之后日本将LIC作为发展方向，目前比能量提高了三倍，到30wh/kg，一直以来是价格和成本问题制约其发展。预计今年可实现规模生产。 3. 未来40%-50%应用是在车用市场 电动或混合动力汽车、以及汽车节能(制动能量回馈)的应用前景广泛。目前国内主要的应用是混合大巴，以及制动能量回收和启动加速。在美国、日本启停弱混处于大量推广阶段。国内混连、串联的增程式电动车也会应用到超级电容。混连大巴中，去年有1000辆以上应用EDLC，由南车时代和宇通生产。 4. 目前超级电容器全球应用还处于起步期，国内在赶超 日本美国最大，中国与韩国正在赶超。EDLC产业分布中上游原材料厂家、单体制造厂家和模组系统厂家大部分在国外，原材料被国外垄断，国内单体制造和模组系统产业化刚刚开始。 5. 影响产业化的关键因素是成本 成本受核心原材料(活性炭、隔膜、铝箔、电解液)、工艺过程(效率、良率、能耗)和设备影响最大。只有掌握了核心原材料，才能降低成本，另外工艺成本不同能耗也不同。要重视工程化和装备技术，否则成本受制约。装备好的电解电容良率就很高，国外具备优势，日本装备投资1500万以上，韩国1200万，成本优势空间大很多。 来源：综合报道 |
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