電動(dòng)汽車也可以使用超級(jí)電容

電動(dòng)汽車也可以使用超級(jí)電容

超級(jí)電容器充放電效率高( 大于90 %) ，壽命超長(zhǎng)( 可以達(dá)到百萬(wàn)次) ，適用溫度范圍寬，可在－40 ～ 70℃范圍內(nèi)正常工作。功率密度大，可以達(dá)到每千克十幾千瓦；能量密度非常低，均在每千克10瓦時(shí)以內(nèi)。對(duì)比現(xiàn)在鋰電池的參數(shù)看一下，國(guó)家補(bǔ)貼的入門標(biāo)準(zhǔn)是電池系統(tǒng)級(jí)能量密度大于90wh/kg?？梢姵?jí)電容，主要在于功率特性上的優(yōu)勢(shì)。下表是幾個(gè)主流超級(jí)電容廠家的大容量超級(jí)電容主要參數(shù)。1 超級(jí)電容的幾個(gè)特點(diǎn)

超級(jí)電容對(duì)過(guò)充過(guò)放的反應(yīng)不像鋰電池那樣敏感；

電壓電量曲線近似一次函數(shù)曲線，但也跟具體設(shè)計(jì)有關(guān)，并受溫度影響明顯；

由于工作原理的不同，雙電層超級(jí)電容能獲得更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，而贗電容則容易得到更高的能量密度。

2 超級(jí)電容的類型和原理

超級(jí)電容主要包含兩大類，雙電層電容和贗電容。雖然都叫做超級(jí)電容，但他們的工作原理存在著本質(zhì)上的不同。雙電層超級(jí)電容器電荷移動(dòng)過(guò)程，吸附作用是主要作用方式，存在少量化學(xué)變化，是非法拉第過(guò)程；而贗電容充放電，以氧化還原反應(yīng)為主，是法拉第過(guò)程，遵循法拉第原理。

法拉第 過(guò)程是指在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過(guò)程，并且在電極與溶液界面上有電子轉(zhuǎn)移（躍遷）的過(guò)程。這一過(guò)程遵守法拉第定律，即：因電流通過(guò)而引起的化學(xué)反應(yīng)的量與所通過(guò)的電量成正比。

非法拉第 過(guò)程是指，在電極-溶液界面間沒(méi)有電荷轉(zhuǎn)移，但是隨著電勢(shì)變化，由于吸附和脫附過(guò)程發(fā)生，以及雙電層的充放電，導(dǎo)致電極-溶液界面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并引起電流流動(dòng)，這種電流流動(dòng)過(guò)程稱為非法拉第過(guò)程。不遵循法拉第定律。

雙電層電容器工作原理

雙電層電容器，如上圖所示，結(jié)構(gòu)上包含正負(fù)極集電器，多孔碳電極，隔膜和電解液幾個(gè)組成部分。隔膜在正負(fù)極之間，將兩者分開，但允許電解液中陰、陽(yáng)離子自由通過(guò)。電荷可以穿越隔膜移動(dòng)。電解液用于傳導(dǎo)電荷；電荷分別在正、負(fù)電極接觸面形成雙電層結(jié)構(gòu)。充電時(shí)，給電容兩端加載電壓，由于靜電力作用，電荷向正負(fù)兩極匯集，在電極與電解液接觸面上形成雙電層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電荷與能量存儲(chǔ)；當(dāng)超級(jí)電容作為電源放電，電荷則離開電極回到電解液中。電荷的匯集、擴(kuò)散，在外電路形成電流，實(shí)現(xiàn)充電和放電過(guò)程。

雙電層電容器能量密度和功率密度的高低，一個(gè)主要的影響因素是集電極的性能。目前超級(jí)電容器研究和應(yīng)用較多的是碳材料，包括活性炭、石墨烯、碳納米管、模板碳等。不同碳材料的微觀形貌和理化性質(zhì)不同，電化學(xué)儲(chǔ)能性能有所差別，不同碳材料的比電容不同。下面圖中，展示了不同種類的碳應(yīng)用到超級(jí)電容電極中，實(shí)現(xiàn)的能量密度的對(duì)比關(guān)系。

3 超級(jí)電容應(yīng)用領(lǐng)域

超級(jí)電容應(yīng)用領(lǐng)域挺多，主要發(fā)揮其瞬時(shí)大功率的優(yōu)點(diǎn)。大的領(lǐng)域包括供配電行業(yè)，交通領(lǐng)域，重型機(jī)械領(lǐng)域等等。

電力行業(yè)的應(yīng)用，主要包括平抑發(fā)電功率波動(dòng)，風(fēng)機(jī)變槳后備電源。

新能源發(fā)電，比如風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電等，受自然條件影響較大，發(fā)電功率極其不穩(wěn)定，被大電網(wǎng)認(rèn)為是垃圾電，限制其上網(wǎng)規(guī)模。超級(jí)電容組被設(shè)置在新能源發(fā)電站入口處，發(fā)電功率大時(shí)，將一部分高于平均的電量存儲(chǔ)下來(lái)；發(fā)電功率低時(shí)，則將存儲(chǔ)電能補(bǔ)充到上網(wǎng)功率中去，如同一個(gè)緩沖器，起到平抑上網(wǎng)功率波動(dòng)的作用，改善新能源上網(wǎng)電力的質(zhì)量。在微電網(wǎng)中的作用形式，也跟新能源發(fā)電站類似，起到蓄水池的作用。

風(fēng)機(jī)變槳，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中，需要隨時(shí)根據(jù)風(fēng)力和風(fēng)向調(diào)節(jié)風(fēng)車葉片的角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電功率的目的，葉片的調(diào)整，需要外部電源作為動(dòng)力。如果出現(xiàn)風(fēng)力驟增而風(fēng)機(jī)葉片不能及時(shí)調(diào)整角度的情形，則風(fēng)機(jī)或者風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)可能會(huì)遭受大的扭力和沖擊發(fā)電功率的考驗(yàn)，因此變槳電源需要穩(wěn)定可靠。超級(jí)電容作為后備電源，一方面沖擊電容壽命長(zhǎng)，更換周期長(zhǎng)；另一方面，超級(jí)電容對(duì)工作環(huán)境要求不高，環(huán)境溫度變動(dòng)范圍寬。

交通領(lǐng)域的應(yīng)用，也有較多應(yīng)用，是我們最關(guān)心的領(lǐng)域，后面單列一個(gè)章節(jié)。

重型機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是起重機(jī)和電梯這類，工作過(guò)程中勢(shì)能變化比較大的場(chǎng)景。上升過(guò)程中放電，給系統(tǒng)啟動(dòng)提供大功率動(dòng)力；系統(tǒng)下降過(guò)程，則能量回收。有數(shù)據(jù)顯示，這個(gè)應(yīng)用可以節(jié)約40%的能源。

4 超級(jí)電容在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

回到我們關(guān)心的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，乘用車上一般配合其他動(dòng)力共同使用，主要發(fā)揮起動(dòng)輸出大功率和制動(dòng)能量回收的作用。城市軌道交通領(lǐng)域，大家可能看到過(guò)，前兩年有幾個(gè)關(guān)于超級(jí)電容在地鐵進(jìn)站過(guò)程中，作制動(dòng)能量回收的新聞。大慣性的車輛，制動(dòng)功率很大，一般的蓄電池，回收的能量比例有限，只有超級(jí)電容最適合這類應(yīng)用。公交車完全依靠超級(jí)電容做動(dòng)力，間隔3-5公里充電一次，主要秀充電快的能力。

由于功率密度大而能量密度小，超級(jí)電容在電動(dòng)乘用車上作為主要電源的應(yīng)用案例并不多。一些文獻(xiàn)提出過(guò)超級(jí)電容結(jié)合鋰電池的應(yīng)用方式，其中一種，原理框圖如下圖所示。