超级电容器在汽车混合动力系统中的应用

安 军，石 维

（ 铜仁学院 物理与电子科学系，贵州 铜仁 554300 ）

汽车对石化能源存在严重依赖，其排放的 CO2是温室效应形成的重要因素。这导致全球气候变暖，生态环境恶化。因此，迫切需要发展新能源和新能源的储存系统。能量的储存是新能源发展的关键技术，超级电容的出现为储能技术的发展提供了新的途径和方法。混合动力汽车的混合动力系统通常采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。随着对锂离子电池研究的深入，使得电力在汽车的混合动力系统中的作用提高，最高混合度可达到 50%，从而大大降低了汽车对石化资源的依赖程度。但是锂离子电池目前很难突破大功率承载能力，不能应对汽车启动、加速和爬坡运行的大功率过程，而超级电容器的充放电时间快，功率密度高，循环寿命长，可靠性好，因此弥补了锂离子电池的缺点，成为汽车混合动力系统中不可缺少的部件。目前，超级电容器是汽车混合动力系统的研究热点，在动力系统中与蓄电池组成混合动力源，其主要作用是在蓄电池负载耗电量降低的时候进行能量回收，存储一定的电量，在蓄电池负载耗电量多的时候补充电源动力，并可有效的对动力系统进行保护[1]。鉴于超级电容器的重要性，美国等发达国家将超级电容器提高到与电池具有同等战略发展意义的高度。本文主要在超级电容器特征的基础上对电源保护和能量回收等应用进行研究。

1.超级电容器的基本特征

在汽车混合动力系统中应用的超级电容器应具备大容量储能性能和优良的脉冲放电性能。与传统静电电容器相比，它的优势主要表现在储存能量上，其单体容量已经达到万法拉级。超级电容器根据其储能机理分为三种：双层电容器、法拉第赝电容器和混合电容器。通常表达超级电容器的几个重要的参数有比能量、比功率和充放电次数，与普通电容器和充电电池对比如表1所示[2]。

表1 能量存储装置性能比较

如表 1所示，超级电容器使用寿命长，充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，循环次数可达100000 次以上，比电池高10～100倍。此外，超级电容器的低温性能优越。超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，使得容量随温度衰减非常小。电池在低温环境下其内部电解液导电性能降低导致容量衰减幅度可高达70%。超级电容器的功率密度可达到电池的100倍以上，目前研究的混合超级电容的比功率可达到50kW/kg左右，瞬间电流可达到几百到几千安培，使得超级电容器适合用于短时间高功率输出的汽车混合动力中电力系统的补充。此外，超级电容器具有快速充电的特征。基于双电层充放电的物理过程和电极物质表面的化学过程，这种方式可在承受大电流充电前提条件下，几十秒到数分钟内完成充电过程。而蓄电池则需要数小时完成充电，采用快速充电也需要几十分钟。基于以上优点，日本丰田公司最早设计了混合动力汽车（HEV），其基本结构如图1所示。

2.超级电容器在混合动力系统中的应用

2.1.启动电路

汽车启动大部分依赖于电机启动方式，电机启动的电流很大导致蓄电池端电压很低，使得汽车不能正常工作[3]。采用超级电容器与蓄电池并联的方式，提高蓄电池在低电势时候的启动功率来启动发动机是非常必要的。图 2中通常选用的超级电容器的等效串联电阻RES较低（<10mΩ），最佳状态低于2mΩ，以满足电容器高功率的输出[4]。比如，在遇到突发事件紧急刹车制动和天气的气温非常低的情况下这种装置是必须的，其并联设置如图3所示。

图1 HEV的基本结构

图2 超级电容器的等效电路

图3 超级电容与铅酸电池的并联

2.2.超级电容器的电路保护

超级电容器可以承受高倍率的充放电电流，不需像蓄电池那样严格限制充电电流。虽然充电过程可以短时过压，但在充电结束时超级电容器的电压不能超过其额定电压，以免导致超级电容器过充损害，这就对保护电路提出了要求。辽宁锦州百纳电器有限公司应用新型的DS2770和DS2720的芯片设计了一个具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护、计时和对电池组能识别等功能的高性能超级电容充电器，整个充电器的原理图如图 4所示，整个组合电路由 DS2770充电控制器／电量计、DS2720电池保护器、DS2415实时时钟（RTC）三个芯片组成。它们均共用一个地（VSS或Gnd）、电源（Vdd）和通信线（DQ或DATA）。而所有的电容（从C1到C10）和电阻（从R1到R12）的作用是对干扰信号滤波及对ESD（静电放电）提供保护。

图4 高性能超级电容充电器设计方案图

该充电器的负载（即主设备）是通过PACK＋和PACK－引脚获得电源的，而充电器与主系统的数据通信是通过标准的l－Wire接口（标为DATA）进行。DS2720芯片2脚PS和主系统的开/关控制相连接，作为充电器的使能输入（低电平有效）。图4中引脚Charge source可连接到充电电源，而充电电流能按照电池额定的充电条件加以限制,其充电电压最高至15V。整个充电器在工作模式下消耗不足 100μA 的典型电流，而处于静止状态（即超级电容不处于充电状态）时典型消耗电流不到20μA。

3.超级电容器的储能电路原理

超级电容器在车辆制动过程中将制动能量进行存储，在车辆再加速时，超级电容器释放存储的能量，从而节省系统运行的能量[5]。如图5所示，赵坤等人[6]认为超级电容器并联在 DC电源总线上，双向DC/DC变换器由C、IGBT1和IGBT2构成并对电容进行充放电。该电路可以控制电压上升时充电和电压下降时放电的过程，该系统可以短周期完成大电流充电和放电，在起动时能迅速大电流放电，下降时能迅速大电流充电，将能量吸收，起到节能环保的作用[7]。

图5 超级电容其储能系统的拓补结构

4.超级电容器在汽车应用中的发展趋势

超级电容器的正负极的关键材料的研究发展，特别是近期报道的石墨烯超级电容器引起了广泛的关注。Liu等人[8]发现了弯曲石墨烯可以抑制石墨烯面对面堆叠，提高了表面利用，在离子液体（4V）中，当功率密度为 136W·kg-1，能量密度高达85Wh·kg-1，能量密度与镍氢电池相当，但功率密度远高于镍氢电池。这将为超级电容器在混合动力系统中的应用提供新的前景。

5.结论

超级电容器与新能源的节能要求还有一定的差距。满足当前的动力系统保护功能的作用仍然因为其耐压低而受到限制，因此现阶段电路的保护设计十分关键。此外单位体积内的储能密度是目前超级电容器领域的一个研究重点和难点，石墨烯超级电容器有可能成为解决这些问题的一个关键技术。这为我们有效提高超级电容器的耐压值和储能密度提供了新的途径。

[1] Mastragostino M, Soavi F.Strategies for high-performance supercapacitors for HEV[J].JOURNAL OF POWER SOURCES.2007, 174(1): 89-93.

[2] Kotz R, Carlen M.Principles and applications of electrochemical capacitors[J].ELECTROCHIMICA ACTA.2000, 45(15-16): 2483-2498.

[3] 曹俊华，尹忠东，甄晓亚.电动汽车中超级电容技术的应用[J].电气时代，2011，（8）.

[4] 张玉龙，王银山，贾同国.超级电容在混合动力汽车中的应用发展[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2012，（1）.

[5] Lhomme W, Delarue P, Bouscayrol A, et al.Comparison of Control Strategies for Maximizing Energy in a Supercapacitor Storage Subsystem[J].EPE JOURNAL.2009, 19(3): 5-14.

[6] 赵坤，王椹榕，王德伟，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，2011，（9）.

[7] 宋平岗，徐凯，尹亮.基于超级电容的新型蓄电池充放电电路的研究[J].蓄电池，2012，（3）.

[8] Liu C, Yu Z, Neff D, et al.Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density[J].Nano Letters.2010,10(12): 4863-4868.