混合动力汽车用超级电容及其关键技术的浅析

周浩

摘 要：本文简要分析了混合动力汽车的优势和电动化特点，明确指出电能储存方式对汽车电动化的重要性，将超级电容在汽车上的优势阐述出来，并且浅析了超级电容在混合动力汽车应用中的关键技術。

关键词：混合动力汽车；超级电容；关键技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.154

随着科学技术不断发展，电子电力技术不断上升，环境和能源也出现了危机和问题，电动化汽车能够对这些问题有效解决。1993年美国就提出了新型电动汽车研制计划“伙伴”，日本和欧洲也相继提出了“ACE”项目和“明日汽车”计划，我国也在上世纪末召开了相关会议，实行“蓝天”计划，来促进电动汽车研究。

1 混合动力汽车

根据混合动力汽车驱动系统能量流和功率流的配置结构关系，可以将其分为串联、并联和混联三种模式。串联式动力系统主要由发动机、发电机和电动机三个部分组成，可以细分为串联形式I、串联形式II，串联式动力系统能够提高发动机效率，减少汽车尾气排放，但同时也有能量转换形式复杂，机械效率过慢等缺点。并联式可以通过发动机和电动机分别进行汽车驱动，也可以同时进行，分路面进行共同工作或单独工作，比如爬坡时就可以让发动机和电动机同时提供动力，很多情况下并联式工作方式和驱动系统与传统汽车较为相近，在当前比较容易被接受并广泛应用。混联式系统是前两种方法的综合，通过发动机、发电机和电动机提供动力，又可以根据助力装置分为发动机为主和电机为主的两种形式，同时具有串联和并联的特点，除了结构较为复杂外没有太大缺点。

混合动力车根据能量搭配比例可以分为以下几种类型，分别为微混合、全混合、外电源插座充电混合。其中微混合的优点是可以减少内燃机排放量，并且让能量可再生利用；全混合也可以称为强混合，通过对内燃机和电动机二者同时驱动来工作，但是所需的电池也非常大，并且电压需求较高，例如日本生产的丰田PRIUS；而外电源插座充电混合动力汽车则是非常简单的一种，体现在家用220V电源就可以随时进行充电，并且行驶距离也较长，并且当电池耗尽之后可以依靠混合动力继续行驶。由于以上所有类型都对电池有较高要求，导致混合动力汽车电池成本非常高，所以我们需要对超级电容如何解决电能储存问题进行分析[1]。

2 超级电容类型和特点

超级电容是一种通过介乎于传统物理先容器和电池之间的一种最佳储能方案而研制出的新型储能原件，相比于传统电池，超级电容器拥有更高的最大工作电流、更强的功率密度、更持久的循环使用寿命，并且毒性较低，不会对环境造成较大影响，而且充电速度也比较快，但是能量密度较小无法进行远距离行驶，在港口码头中经常可以见到，超级电容器的容量比同等电解电容器最多可以高出六千倍；在功率密度上可以瞬间达到数百到数千毫安不等，是普通电池的一百倍；由于超级电容器不会在充放电过程中造成电极材料损坏，工作温度适应范围也较强，可以比普通电池使用寿命高出数千次；超级电容器材料也较为环保安全；超级电容器长期放置后也不会有容量减小现象发生，虽然会出现短暂的电压下降，但是只要重新充电就会回复。

超级电容器根据储能机理可以区分为双层电容器EDLC和法拉第准电容器或赝电容器Pesudocapacitor[2]。而根据它们在结构上和电极发生的不同反应，可以区分为对称型和不对称性，电极反应相同，反应方向不同时称为对称型，相反则成为非对称型电容器。在超级电容器的放电方式是在外加电压被加载至双层电容器上的时候，且正好处在2个极板的上面，则可判定正极带有正电荷，而它的负极带有负电荷。 同时，在两极板间构成电场，电解液恰好在此种作用情况下，和电极间所处界面将带有不同性质的电荷产生。进而将点业界内部的电场进行有效平衡。

3 超级电容器的其它应用领域

当前的内燃机型汽车都是使用蓄电池组来实现柴油发电机组的启动，由于蓄电池充放电时间较长，各个季节的汽车启动速度不同，受到温度影响较大，冬天启动最难，所以很多卡车司机都会选择在冬天保持怠速状态，保证卡车能够随时重新启动，国外研究人员通过常年研究，使用较小的蓄电池与超级电容器进行并联，取代了原本蓄电池作为汽车主要启动动力的现象，解决了怠速停车期间产生的能源浪费问题，有效提高了汽车启动速度和发动机转速[3]。

在其它领域超级电容器也得到了成功运用，例如高压变电站和开关站通过超级电容器取代电解电容器，有效解决了由于储能少而漏电导致分合闸装置可靠性差等缺点，减少了安全隐患，降低了事故发生几率，减少了日常维护成本。在军工方面新一代的激光武器、粒子束武器、潜艇、导弹和航天飞行器等军事装备都必须应用到超大容量的超级电容器，并且和常规高比能量电池相配备构成“致密性超高功率脉冲电源”，通过对脉冲施放频率、脉冲密度、最大值时的释放功率调整，让相关环节和设备能够满足在脉冲状态保持平均功率水平的状态，国外已经有公司开发出了超大型超级电容器存储的能量达到了35KJ，计划应用于军事领域[4]。

当前超级电容器主要围绕碳材料开展研究，但是制造出的电容器能量非常低，需要对性能进行进一步提高，纳米碳材料为超级电容器电容材料的研究和改进提供了新的思路，是当前的主流发展趋势，为超级电容器性能提升带来了巨大发展空间。

4 结束语

超级电容器和传统的蓄电池以及传统电容器相比，在各个方面都有着显著提升，占据着巨大优势，但是仍然需要降低成本和增加能量密度。在电动汽车和混合动力汽车应用中已经具有先天优势，尤其在车辆需要爬坡和启动时，可以提供大量能量输出优势，并且快速运转，其中带来的便利不能用语言来形容。这些优势同样可以在传统内燃机机车的蓄电池问题中得到体现。电力系统储能和新型军事武器中得到应用，随着科学技术不断发展，超级电容器技术不断突破，其应用领域和性能必将不断提升，发展潜力巨大。

参考文献：

[1]陈坤华，孙玉坤，王富良等.混合动力汽车超级电容能量控制研究[J].电源技术，2015（04）：798-800.

[2]杜爽，左春柽.超级电容混合动力汽车能量存储技术发展研究[J].电源技术，2014，38（03）：589-590，595.

[3]赵旭哲.混合动力汽车用超级电容及其关键技术的探讨[J].汽车实用技术，2014（10）：82-87.

[4]董学进，何亮.混合动力汽车超级电容监测系统设计[J].企业科技与发展，2013（14）：50-52.