混合動(dòng)力汽車(chē)用超級(jí)電容及其關(guān)鍵技術(shù)的淺析

周浩

摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)和電動(dòng)化特點(diǎn)，明確指出電能儲(chǔ)存方式對(duì)汽車(chē)電動(dòng)化的重要性，將超級(jí)電容在汽車(chē)上的優(yōu)勢(shì)闡述出來(lái)，并且淺析了超級(jí)電容在混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)；超級(jí)電容；關(guān)鍵技術(shù)

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

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，電子電力技術(shù)不斷上升，環(huán)境和能源也出現(xiàn)了危機(jī)和問(wèn)題，電動(dòng)化汽車(chē)能夠?qū)@些問(wèn)題有效解決。1993年美國(guó)就提出了新型電動(dòng)汽車(chē)研制計(jì)劃“伙伴”，日本和歐洲也相繼提出了“ACE”項(xiàng)目和“明日汽車(chē)”計(jì)劃，我國(guó)也在上世紀(jì)末召開(kāi)了相關(guān)會(huì)議，實(shí)行“藍(lán)天”計(jì)劃，來(lái)促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)研究。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)

根據(jù)混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，可以將其分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種模式。串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三個(gè)部分組成，可以細(xì)分為串聯(lián)形式I、串聯(lián)形式II，串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少汽車(chē)尾氣排放，但同時(shí)也有能量轉(zhuǎn)換形式復(fù)雜，機(jī)械效率過(guò)慢等缺點(diǎn)。并聯(lián)式可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行汽車(chē)驅(qū)動(dòng)，也可以同時(shí)進(jìn)行，分路面進(jìn)行共同工作或單獨(dú)工作，比如爬坡時(shí)就可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)提供動(dòng)力，很多情況下并聯(lián)式工作方式和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車(chē)較為相近，在當(dāng)前比較容易被接受并廣泛應(yīng)用?；炻?lián)式系統(tǒng)是前兩種方法的綜合，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，又可以根據(jù)助力裝置分為發(fā)動(dòng)機(jī)為主和電機(jī)為主的兩種形式，同時(shí)具有串聯(lián)和并聯(lián)的特點(diǎn)，除了結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜外沒(méi)有太大缺點(diǎn)。

混合動(dòng)力車(chē)根據(jù)能量搭配比例可以分為以下幾種類(lèi)型，分別為微混合、全混合、外電源插座充電混合。其中微混合的優(yōu)點(diǎn)是可以減少內(nèi)燃機(jī)排放量，并且讓能量可再生利用；全混合也可以稱(chēng)為強(qiáng)混合，通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)二者同時(shí)驅(qū)動(dòng)來(lái)工作，但是所需的電池也非常大，并且電壓需求較高，例如日本生產(chǎn)的豐田PRIUS；而外電源插座充電混合動(dòng)力汽車(chē)則是非常簡(jiǎn)單的一種，體現(xiàn)在家用220V電源就可以隨時(shí)進(jìn)行充電，并且行駛距離也較長(zhǎng)，并且當(dāng)電池耗盡之后可以依靠混合動(dòng)力繼續(xù)行駛。由于以上所有類(lèi)型都對(duì)電池有較高要求，導(dǎo)致混合動(dòng)力汽車(chē)電池成本非常高，所以我們需要對(duì)超級(jí)電容如何解決電能儲(chǔ)存問(wèn)題進(jìn)行分析[1]。

2 超級(jí)電容類(lèi)型和特點(diǎn)

超級(jí)電容是一種通過(guò)介乎于傳統(tǒng)物理先容器和電池之間的一種最佳儲(chǔ)能方案而研制出的新型儲(chǔ)能原件，相比于傳統(tǒng)電池，超級(jí)電容器擁有更高的最大工作電流、更強(qiáng)的功率密度、更持久的循環(huán)使用壽命，并且毒性較低，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大影響，而且充電速度也比較快，但是能量密度較小無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離行駛，在港口碼頭中經(jīng)?？梢砸?jiàn)到，超級(jí)電容器的容量比同等電解電容器最多可以高出六千倍；在功率密度上可以瞬間達(dá)到數(shù)百到數(shù)千毫安不等，是普通電池的一百倍；由于超級(jí)電容器不會(huì)在充放電過(guò)程中造成電極材料損壞，工作溫度適應(yīng)范圍也較強(qiáng)，可以比普通電池使用壽命高出數(shù)千次；超級(jí)電容器材料也較為環(huán)保安全；超級(jí)電容器長(zhǎng)期放置后也不會(huì)有容量減小現(xiàn)象發(fā)生，雖然會(huì)出現(xiàn)短暫的電壓下降，但是只要重新充電就會(huì)回復(fù)。

超級(jí)電容器根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理可以區(qū)分為雙層電容器EDLC和法拉第準(zhǔn)電容器或贗電容器Pesudocapacitor[2]。而根據(jù)它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上和電極發(fā)生的不同反應(yīng)，可以區(qū)分為對(duì)稱(chēng)型和不對(duì)稱(chēng)性，電極反應(yīng)相同，反應(yīng)方向不同時(shí)稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)型，相反則成為非對(duì)稱(chēng)型電容器。在超級(jí)電容器的放電方式是在外加電壓被加載至雙層電容器上的時(shí)候，且正好處在2個(gè)極板的上面，則可判定正極帶有正電荷，而它的負(fù)極帶有負(fù)電荷。 同時(shí)，在兩極板間構(gòu)成電場(chǎng)，電解液恰好在此種作用情況下，和電極間所處界面將帶有不同性質(zhì)的電荷產(chǎn)生。進(jìn)而將點(diǎn)業(yè)界內(nèi)部的電場(chǎng)進(jìn)行有效平衡。

3 超級(jí)電容器的其它應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前的內(nèi)燃機(jī)型汽車(chē)都是使用蓄電池組來(lái)實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)，由于蓄電池充放電時(shí)間較長(zhǎng)，各個(gè)季節(jié)的汽車(chē)啟動(dòng)速度不同，受到溫度影響較大，冬天啟動(dòng)最難，所以很多卡車(chē)司機(jī)都會(huì)選擇在冬天保持怠速狀態(tài)，保證卡車(chē)能夠隨時(shí)重新啟動(dòng)，國(guó)外研究人員通過(guò)常年研究，使用較小的蓄電池與超級(jí)電容器進(jìn)行并聯(lián)，取代了原本蓄電池作為汽車(chē)主要啟動(dòng)動(dòng)力的現(xiàn)象，解決了怠速停車(chē)期間產(chǎn)生的能源浪費(fèi)問(wèn)題，有效提高了汽車(chē)啟動(dòng)速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。

在其它領(lǐng)域超級(jí)電容器也得到了成功運(yùn)用，例如高壓變電站和開(kāi)關(guān)站通過(guò)超級(jí)電容器取代電解電容器，有效解決了由于儲(chǔ)能少而漏電導(dǎo)致分合閘裝置可靠性差等缺點(diǎn)，減少了安全隱患，降低了事故發(fā)生幾率，減少了日常維護(hù)成本。在軍工方面新一代的激光武器、粒子束武器、潛艇、導(dǎo)彈和航天飛行器等軍事裝備都必須應(yīng)用到超大容量的超級(jí)電容器，并且和常規(guī)高比能量電池相配備構(gòu)成“致密性超高功率脈沖電源”，通過(guò)對(duì)脈沖施放頻率、脈沖密度、最大值時(shí)的釋放功率調(diào)整，讓相關(guān)環(huán)節(jié)和設(shè)備能夠滿(mǎn)足在脈沖狀態(tài)保持平均功率水平的狀態(tài)，國(guó)外已經(jīng)有公司開(kāi)發(fā)出了超大型超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量達(dá)到了35KJ，計(jì)劃應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[4]。

當(dāng)前超級(jí)電容器主要圍繞碳材料開(kāi)展研究，但是制造出的電容器能量非常低，需要對(duì)性能進(jìn)行進(jìn)一步提高，納米碳材料為超級(jí)電容器電容材料的研究和改進(jìn)提供了新的思路，是當(dāng)前的主流發(fā)展趨勢(shì)，為超級(jí)電容器性能提升帶來(lái)了巨大發(fā)展空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

超級(jí)電容器和傳統(tǒng)的蓄電池以及傳統(tǒng)電容器相比，在各個(gè)方面都有著顯著提升，占據(jù)著巨大優(yōu)勢(shì)，但是仍然需要降低成本和增加能量密度。在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用中已經(jīng)具有先天優(yōu)勢(shì)，尤其在車(chē)輛需要爬坡和啟動(dòng)時(shí)，可以提供大量能量輸出優(yōu)勢(shì)，并且快速運(yùn)轉(zhuǎn)，其中帶來(lái)的便利不能用語(yǔ)言來(lái)形容。這些優(yōu)勢(shì)同樣可以在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)機(jī)車(chē)的蓄電池問(wèn)題中得到體現(xiàn)。電力系統(tǒng)儲(chǔ)能和新型軍事武器中得到應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，超級(jí)電容器技術(shù)不斷突破，其應(yīng)用領(lǐng)域和性能必將不斷提升，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]陳坤華，孫玉坤，王富良等.混合動(dòng)力汽車(chē)超級(jí)電容能量控制研究[J].電源技術(shù)，2015（04）：798-800.

[2]杜爽，左春檉.超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車(chē)能量存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展研究[J].電源技術(shù)，2014，38（03）：589-590，595.

[3]趙旭哲.混合動(dòng)力汽車(chē)用超級(jí)電容及其關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2014（10）：82-87.

[4]董學(xué)進(jìn)，何亮.混合動(dòng)力汽車(chē)超級(jí)電容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（14）：50-52.