超级电容器在电动汽车领域的应用

2019-12-01周权

电子技术与软件工程 2019年4期

文/周权

超级电容具有其独特的优点，在和其他能量部件组成联合体共同工作时, 其可以辅助实现能量回收利用、降低污染等作用, 大大提高电动汽车一次充电的续驶里程。因此, 超级电容作为储能器件在电动汽车领域有着广阔的应用前景, 将是未来电动汽车能源供给技术发展的重要方向之一。

1 超级电容器

超级电容器是一种能够大容量存储电能并且具有大功率放电特性的电容器，它的性能与作用明显优于传统电容器，并能够与蓄电池相媲美。当然，作为一种新型的储能器件，超级电容器也有缺点，单个超级电容器的电压不能满足一般的用电需求，因此现有技术是将大量的超级电容单体串并联后做成超级电容器组使用，这样不仅可以提高电压等级，还能够提升功率水平，极大地扩大了超级电容器组的电压使用范围。

2 超级电容器在电动汽车中的应用介绍

因为超级电容器相较于二次电池具有诸多优点，因此，越来越多的车辆制造企业将电动汽车的动力源研究目标转向超级电容器，尤其是随着超级电容器件自身的发展，采用数万法拉级牵引型超级电容器作为电动汽车主动力源或辅助能源都具有良好的应用前景。

（1）考虑到超级电容能够承受瞬间的大电流，当电源需要大电流快速充电或者大电流快速放电时，超级电容的这一特点具有极大的优势，其能够与动力二次电池一起作为电动汽车的动力源，为蓄电池进行分担，降低电动汽车对蓄电池的要求，包括用超大容量电容器存储制动时产生的再生能量，同时可以改善电动汽车的启动加速和爬坡性能等。

（2）单体超级电容器集成的模块组合具有相当大的电容量，其可以作为单一的能源，直接为电动汽车供给电能。

当然，目前超级电容器在电动汽车中的应用还存在一些不尽如人意的地方。超级电容器单体能够存储的能量有限，其通常以集成模组的形式在电动汽车中使用，这类模组的体积会较大，需要占据车辆一定的空间；其次，大量的超级电容单体集成为模块后，容易产生单体器件电压不均衡导致的发热问题，模组规模越大，散热问题越复杂。

3 现状以及前景

由于中国的汽车产业起步较晚，上世纪当国外很多发达经济体在探讨如何采取节能减排措施以应对石油危机并提出发展新能源汽车的时候，我国的汽车产业还没有开始发展，汽车对绝大部分国人来说遥不可及，所以在早期的相当长一段时间里，国外公司尤其是国际汽车巨头并不重视中国的电动汽车市场；另一方面，国内汽车的产业界和政府层面对新能源汽车的发展路线的规划与国外不太一致，以丰田、通用等为代表的国际汽车巨头在过去的20年里花费了大量精力研发油电混合汽车，其对应用超级电容的纯电动汽车投入的研究较少，而国内不论是产业界、学术界以及政府层面则将纯电动汽车作为了主要发展方向，纯电动汽车对超级电容的应用有着较大的需求，这样就使得国内的新能源汽车发展路线与美、日等国的发展路线有些许差异，再加上国内对纯电动汽车的产业扶持政策区别对待混合动力汽车，一段时期内导致国际汽车巨头在国内市场上比较灰心，从而间接影响了他们在中国市场的技术投入。

基于研究热点方向，结合目前全球范围内各主要最新技术情况，可以分析出目前的发展趋势。

3.1 能量管理系统模块化和芯片化

美国的MAXWELL公司作为全球老牌的超级电容器生产厂家，其近几年在车用超级电容器模组的大型化上投入了相当多的研发精力，而能量管理技术作为超级电容模组容量大型化的关键技术得到了重点关注，MAXWELL的超级电容能量管理技术以电压控制技术为主，可以看出该公司比较重视能量管理中的响应速度；与此同时，MAXWELL公司还不断与美国德州仪器公司展开合作，并正在进行相应的超级电容器模组能量管理芯片的实验工作，其在能量管理技术的模块化和芯片化上已经迈出了新步伐。当然，芯片化的另一大优点是，其有助于实现控制系统体积的小型化，并进一步优化控制电路散热问题。

3.2 监测技术的智能化

为了实现对超级电容模组能量管理的快速精确响应，以及工作的可靠稳定性，需要使用更为优异的监测技术。上海三玖电气技术有限公司和辽宁锦州超级电容器有限公司为代表的企业也在超级电容能量管理技术的监测智能化上开展了相应的研究工作，包括采用最新的精密传感器技术和数据传输、处理技术，但是技术方案的改进完善以及大规模产业应用还需要继续努力。智能化有助于优化超级电容模组能量管理系统的响应速度、降低故障率，并提高电动汽车的超级电容充放电速度和能量供给效率，有效维护器件的性能和延长使用寿命。

对超级电容器模组进行能量的快速、准确控制是未来的研究目标，而能量管理系统的芯片化和监测技术的智能化则是以后的发展趋势，需要重点关注电动汽车超级电容的能量管理技术，并把控制系统的芯片化和模块化以及控制过程的智能化作为重点研究方向。