超級電容的機(jī)理與特點(diǎn)

超級電容是近期發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能元件，是一種具有超級儲(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈動(dòng)功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)數(shù)萬法。超級電容按儲(chǔ)能機(jī)理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容;②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容;③由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電容。

由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，因此比較適合在電動(dòng)車中應(yīng)用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲(chǔ)存電能的一種新型儲(chǔ)能裝置，其原理結(jié)構(gòu)如圖l所示。當(dāng)向電極充電時(shí)，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于超級電容與傳統(tǒng)電容相比，儲(chǔ)存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個(gè)超級電容單元的電容量就高達(dá)幾法至數(shù)萬法。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內(nèi)阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達(dá)蓄電池的50～100倍，可達(dá)到10kW/kg左右，這個(gè)特點(diǎn)使超級電容非常適合于短時(shí)大功率的應(yīng)用場合。

超級電容具有極其優(yōu)良的充、放電性能，在額定電壓范圍內(nèi)，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時(shí)則可以放出所存儲(chǔ)的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級電容還具有不污染環(huán)境及機(jī)械強(qiáng)度高、安全性好(防火、防爆)、使用過程中免維護(hù)、使用壽命長(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～ 45℃)等優(yōu)點(diǎn)，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。

純超級電容電動(dòng)車

直接以超級電容作為電動(dòng)車的惟一能源，此方法結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、成本低，而且實(shí)現(xiàn)了零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區(qū)域，例如火車站或者飛機(jī)場的牽引車、學(xué)校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動(dòng)公交車等。

復(fù)合電源電動(dòng)車

超級電容與蓄電池、燃料電池等配合可以組成復(fù)合電源系統(tǒng)，但燃料電池因?yàn)槌杀据^高，現(xiàn)在還不能得到實(shí)際應(yīng)用。因此，國內(nèi)外對超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)的研究更多，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概括如圖2所示。圖2a結(jié)構(gòu)最簡單，但由于沒有DC/DC變換器，蓄電池和超級電容將具有相同的電壓，以致超級電容僅在蓄電池電壓發(fā)生快速變化時(shí)輸出和接收功率，從而減弱了超級電容的負(fù)載均衡作用。圖2b與圖2c都采用了雙向OC/OC變換器，圖2b中雙向DC/DC跟蹤檢測蓄電池的端電壓，以調(diào)控超級電容的端電壓使兩者匹配工作。由于蓄電池端電壓的變化比超級電容的端電壓平緩，因此對于DC/DC，圖2b比圖2c易于控制。圖2d理論上雖然具有更高的靈活性，但對DC/DC的控制策略要求非常精確復(fù)雜且不易維護(hù)。

復(fù)合電源系統(tǒng)的控制策略

1、速度約束控制策略

當(dāng)車輛起步時(shí)，超級電容中應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存較多的能量，需要超級電容放電，保證電動(dòng)車的加速性能，而當(dāng)車輛在高速行駛的情況下，超級電容應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存比較少的能量，以便在制動(dòng)過程中接收較多的能量。超級電容儲(chǔ)存的能量與其端電壓的平方成正比，由于超級電容的端電壓變化范圍比較大，因此放電時(shí)如何控制其放電深度，以備在行駛過程中二次放電或進(jìn)行再生制動(dòng)回收充電，但需要在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)進(jìn)行測試才能獲得。

2、電流約束控制策略

電動(dòng)車在行駛過程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負(fù)載電流變化比較大，當(dāng)負(fù)載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時(shí)，為了避免電池組過放電或過充電，需要由超級電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態(tài)，延長其使用壽命。電池組的工作電流為：

為了避免過大的回饋電流對蓄電池造成損害，可采用恒定充電電流的制動(dòng)方式，即以蓄電池充電電流為被控對象。這是一種比較實(shí)用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統(tǒng)的電動(dòng)車。由于蓄電池電壓在再生制動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會(huì)太大。在超級電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)中，由于超級電容端電壓在單次再生制動(dòng)過程中就會(huì)發(fā)生很大的改變，隨著制動(dòng)過程中超級電容端電壓的上升和電機(jī)反電動(dòng)勢的下降，電樞電流將急劇上升，有可能對功率器件甚至電機(jī)造成損害，因此對超級電容充電時(shí)可采用恒功率的策略，即對再生制動(dòng)過程中超級電容的充電功率進(jìn)行控制。

在超級電容電壓低的時(shí)候，采用大電流充電，當(dāng)電容電壓上升時(shí)，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統(tǒng)器件保護(hù)。

3、綜合控制策略

采用速度約束控制策略可使車輛的動(dòng)力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時(shí)蓄電池的電流可以工作在規(guī)定的范同內(nèi)，對蓄電池有保護(hù)作用。這2種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用綜合控制策略。即將速度約束控制策略和電流約束控制策略進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以兼顧它們的優(yōu)點(diǎn)，既能對蓄電池起到保護(hù)作用，延長電池的使用壽命，又能提高整車的動(dòng)力性能。