超级电容器及其在新能源汽车中的应用

李玉鹏，周时国，杜颖颖

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450016）

超级电容器及其在新能源汽车中的应用

李玉鹏，周时国，杜颖颖

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450016）

作为一种介于传统电容器及电池之间的新型储能元件，超级电容器具有超大容量、高功率密度、长循环寿命、高充放电效率等特点。本文介绍超级电容器的原理与特点，概述国内外超级电容器的发展现状以及其在新能源汽车中的应用情况。

新能源汽车；超级电容器；应用

由于环境污染和能源紧缺日益严重，使新能源汽车技术在世界范围内被高度重视。超级电容器具有很高的功率密度、非常短的充放电时间、极长的循环使用寿命以及极高的可靠性和安全性等独特的优点[1-2]，并且能和其它动力源（发动机、电池、燃料电池等）组成联合体共同工作，是实现能量回收利用、降低环境污染、提高新能源汽车续驶里程的有效途径。所以，超级电容器在新能源汽车领域有着非常广阔的应用前景，是未来新能源汽车开发的重要方向之一。

1 超级电容器的原理及特点

超级电容器，又叫作电化学电容器，已经有50多年的历史，被认为是一种介于普通电容和电池之间的另一种有潜力的电化学储能元件，其工作原理结构如图1所示。根据储存电能机理的不同，可分为两类[3-4]：一类是当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，由电极与电解液之间形成的界面双层来储存能量的双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor）；另一类是在电极表面或体相中的二维与准二维空间上，电化学活性物质进行欠电位沉积，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电容的法拉第准电容器（Faraday Pseudocapacitor）。由于双电层电容器的充放电纯属于物理过程，所以其充放电效率高，循环寿命长，充放电过程快，因此，比较适合在新能源汽车中应用。

超级电容器作为一种新型的储能元件，填补了传统电容器和电池之间的空白。它能够提供比普通电容器更高的比能量和比电池更高的比功率以及更长的循环寿命，同时，还具有比电池耐温和免维护的特点。当前研制成功的超级电容器具有如下优点[5-7]：

1）电容量超高。由于超级电容器与传统电容器相比，储存电荷的面积大很多，电荷被隔离的距离小得多，因此，一个超级电容器单元的电容量就高达几法至数万法，比同体积的普通电容器电容量大2 000～6 000倍。

2）功率密度很高。由于采用了特殊的工艺，超级电容器的等效电阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速储存和释放，因而它的输出功率密度很高，可达到10 kW/kg左右，是一般电池的数十倍，是任何一个化学电源都无法比拟的。

3）贮存寿命极长。超级电容充电后贮存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下发生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质。再者，所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因而超级电容的贮存寿命几乎可以认为是无限的。

4）充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中，没有发生电化学反应，其充放电循环次数可达10万次以上。

5）可靠性高。超级电容工作工程中没有运动部件，维护工作极少，也不必像电池那样需要定期充放电维护，因而超级电容器的可靠性是非常高的。

6）工作温度范围宽。超级电容能在-40℃～+70℃的环境温度中正常运行；而电池一般是-20℃～+60℃。

7）充放电效率高。超级电容器在充放电过程中，通常不会对电极材料的结构产生影响，效率可达85%～98%。

8）充放电时间非常短。可大电流充放电，使用便捷；对过充电有一定的承受能力，短时过压不会产生严重影响；对瞬间高电压或短路大电流具有一定的缓冲能力，能量系统较为稳定。

但是，超级电容器也有自身一些不足之处，具体表现如下：能量密度偏低，作为纯电动应用续驶里程太短；线性放电，使其无法完全放电；自放电较大，长时间放置电压会很快下降；单体工作电压低，需要较多的数量串联才能得到较高的工作电压，对单体的一致性要求很高；价格高。

这些特点决定了超级电容器主要用于混合动力车作为功率辅助应用，或者与其他动力源组成联合体共同工作。超级电容器与电池和普通电容器的主要性能比较如表1所示。

表1 电池、超级电容器和普通电容器的主要性能参数

2 在国内外的发展现状及应用情况

2.1 发展现状

超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。

1）国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。它们均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。美国、日本、俄罗斯、韩国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位，几乎占据了整个超级电容市场。这些国家的超级电容器产品在功率、容量、价格等方面各有各的特点与优势。美国的Maxwell公司的UC系列产品体积小、内阻小、产品一致性好，串并联容易，但价格较高。日本的NEC公司、松下公司、Tokin公司、NCC公司均有系列超级电容产品，大多为圆柱形，规格较为齐全，适用范围广，占据较大的市场。俄罗斯的ECOND公司对超级电容器已有30多年的研究历史，该公司代表俄罗斯的先进水平，其产品以大功率超级电容器产品为主，适用于用作新能源汽车动力源，且有价格优势。俄罗斯的Esma公司是生产水基混合型超级电容器的代表，然而，Esma公司目前还没有形成规模化生产能力。韩国的Ness公司、LS公司一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器。在超级电容器的研究中，许多工作都是开发在各种电解液中有较高比能量的电极材料。

2）与国外相比，我国超级电容器的研究起步晚，始于20世纪90年代末。但近年来，由于看好这一领域广阔的应用前景，国内一些公司也开始积极涉足这一产业，并且已经具备了一定的技术实力和产业化能力。目前，国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，能够批量生产并达到实用化水平的厂家主要有：天津力神、锦州锦容、北京集星、上海奥威、哈尔滨巨容等。目前这些厂家生产的超级电容器在新能源汽车上均有应用，其产品的技术指标已经达到了国际同类产品水平。其中天津力神公司与美国Maxwell公司合作，产品性能达到国内领先；上海奥威以开发超级电容器新能源汽车为研发目标，并将上海11路公共汽车作为超级电容器新能源汽车的示范运营线；北京集星主要以卷绕型活性炭纤维布作电极，生产高电压和高容量的有机超级电容器。国内外主要超级电容器的主要性能比较如表2所示。

表2 国内外主要超级电容器的主要性能参数

2.2 在新能源汽车中的应用情况

由于超级电容器的优越性能和近年来对超级电容器开发能力的提高，世界各国争相研究，并越来越多地将其应用到新能源汽车上，超级电容器已经成为新能源汽车电源发展的新趋势。目前，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累处于领先地位，而我国超级电容器的应用还处于起步阶段[8-9]。

超级电容器按电解液进行分类，可以分为水系超级电容和有机系超级电容，超级电容器在新能源汽车中的应用目前主要有两种模式：以水系超级电容器为主作电源的纯电动模式和以有机系超级电容器为主作电源的混合动力模式。

1）纯电动模式。采用以超级电容器电源电机为主的电机直驱控制策略：当汽车行驶时，电机直接驱动整车；当汽车制动时，电机转换为发电机，尽可能地回收能量。

2）混合动力模式。采用以发动机为主，超级电容器电源电机为辅的电机辅助控制策略[10-12]：当汽车起步时，速度低于所设定值，电机单独驱动整车；当车速达到所设定值时，电机关闭，发动机单独驱动整车，富裕功率向超级电容器充电；当汽车在加速、爬坡及大负荷情况下，发动机和电机共同驱动整车；当汽车在制动时，电机转换为发电机，尽可能地回收能量。

2.2.1 国外的情况

日本是将超级电容器应用于混合动力新能源汽车的先驱。近年来，超级电容器是日本新能源汽车动力系统开发中的重要领域之一。本田燃料电池-超级电容器混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车，其第5代FCX使用了自行开发研制的超级电容器来取代电池，减少了汽车的质量和体积，使系统效率增加。FCX能快速达到较大的输出功率，改善燃料电池车启动和加速性能，并缩短启动时间。

美国能源部在20世纪90年代就在《商业日报》上发表声明，强烈建议发展超级电容器技术，并使这项技术应用于新能源汽车上。目前，Maxwell公司所开发的超级电容器在各种类型新能源汽车上都得到了良好的应用，而且美国NASALewis研究中心研制的混合动力客车采用超级电容器作为主要的能量存储系统。

俄罗斯的Eltran公司早在1996年就已研制出了采用纯超级电容为电源的新能源汽车样车，采用300个超级电容串联，可载20人，充电一次可行驶12 km。

在德国，西门子公司和大众公司都在将超级电容应用于整车的制动能量回馈系统。

此外，瑞士的PSI研究所、法国SAFT公司、韩国Ness公司等也都在加紧新能源汽车用超级电容器的开发应用。

2.2.2 国内的现状

近年来，国内也开展了对以超级电容器作为能源的新能源汽车的研究，并取得了一定的进展，并且我国在超级电容器城市客车的应用方面还处于领先地步。2004年7月，我国首部“电容器蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行。2006年，上海超级电容器城市客车投入运行，使我国超级电容在车辆的实际应用领域走到了世界的前列。此外，在2011中国（天津）国际客车及零部件展览会上、2012年中国（南京）国际客车及零部件展览会上和2012年北京客车展上，来自国内的郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、厦门金旅等客车厂家都相继展出了以超级电容器为电源的混合动力城市客车。随着国家“863”和“十城千辆”计划的推进，现在我国昆明、杭州、苏州、郑州和烟台等城市，超级电容器混合动力城市客车也在进行着商业化运营。

3 结束语

本文介绍了超级电容器的机理与特点，概述了国内外超级电容器的发展现状以及其在新能源汽车中的应用研究情况。超级电容器由于具有比功率高、循环寿命长、充放电时间短等优势，因此，其作为新能源汽车的动力源而日益受到重视。然而与电池相比，超级电容器的能量密度偏低，寻找新的电极活性材料、提高超级电容器的能量密度成为超级电容器的根本任务，也是难点所在。随着对超级电容器研究的不断深入，其性能将不断提高，超级电容器也必将在新能源汽车的发展过程中发挥重要作用。

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[2]张杜鹊，欧阳海，胡欢.超级电容在电动汽车上的应用[J].城市车辆，2009，（5）：36-37.

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修改稿日期：2014-01-05

Supercapacitorsand their Applications in New Energy Vehicle

LiYupeng,Zhou Shiguo,Du Yingying
（Zhengzhou Yutong BusCo.,Ltd,Zhengzhou 450016,China）

As a novelenergy storing componentbetween traditional condensers and storage batteries,supercapacitors have characteristics of high power density,extremely large capacitance,long cycle life and high charge-discharge efficiency.The authors introduce the principle and the characteristic of supercapacitors,and outline the developmentstatusand theapplication statusin new energy vehiclesathomeand abroad ofsupercapacitors.

new energy vehicle;supercapacitors;app lication

U469.7；TM 53

B

1006-3331（2014）02-0041-04

李玉鹏（1983-），男，工程师；从事动力电源测试分析工作。