混合動力汽車用超級電容及其關鍵技術的淺析

周浩

摘 要：本文簡要分析了混合動力汽車的優勢和電動化特點，明確指出電能儲存方式對汽車電動化的重要性，將超級電容在汽車上的優勢闡述出來，并且淺析了超級電容在混合動力汽車應用中的關鍵技術。

關鍵詞：混合動力汽車；超級電容；關鍵技術

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

隨著科學技術不斷發展，電子電力技術不斷上升，環境和能源也出現了危機和問題，電動化汽車能夠對這些問題有效解決。1993年美國就提出了新型電動汽車研制計劃“伙伴”，日本和歐洲也相繼提出了“ACE”項目和“明日汽車”計劃，我國也在上世紀末召開了相關會議，實行“藍天”計劃，來促進電動汽車研究。

1 混合動力汽車

根據混合動力汽車驅動系統能量流和功率流的配置結構關系，可以將其分為串聯、并聯和混聯三種模式。串聯式動力系統主要由發動機、發電機和電動機三個部分組成，可以細分為串聯形式I、串聯形式II，串聯式動力系統能夠提高發動機效率，減少汽車尾氣排放，但同時也有能量轉換形式復雜，機械效率過慢等缺點。并聯式可以通過發動機和電動機分別進行汽車驅動，也可以同時進行，分路面進行共同工作或單獨工作，比如爬坡時就可以讓發動機和電動機同時提供動力，很多情況下并聯式工作方式和驅動系統與傳統汽車較為相近，在當前比較容易被接受并廣泛應用。混聯式系統是前兩種方法的綜合，通過發動機、發電機和電動機提供動力，又可以根據助力裝置分為發動機為主和電機為主的兩種形式，同時具有串聯和并聯的特點，除了結構較為復雜外沒有太大缺點。

混合動力車根據能量搭配比例可以分為以下幾種類型，分別為微混合、全混合、外電源插座充電混合。其中微混合的優點是可以減少內燃機排放量，并且讓能量可再生利用；全混合也可以稱為強混合，通過對內燃機和電動機二者同時驅動來工作，但是所需的電池也非常大，并且電壓需求較高，例如日本生產的豐田PRIUS；而外電源插座充電混合動力汽車則是非常簡單的一種，體現在家用220V電源就可以隨時進行充電，并且行駛距離也較長，并且當電池耗盡之后可以依靠混合動力繼續行駛。由于以上所有類型都對電池有較高要求，導致混合動力汽車電池成本非常高，所以我們需要對超級電容如何解決電能儲存問題進行分析[1]。

2 超級電容類型和特點

超級電容是一種通過介乎于傳統物理先容器和電池之間的一種最佳儲能方案而研制出的新型儲能原件，相比于傳統電池，超級電容器擁有更高的最大工作電流、更強的功率密度、更持久的循環使用壽命，并且毒性較低，不會對環境造成較大影響，而且充電速度也比較快，但是能量密度較小無法進行遠距離行駛，在港口碼頭中經常可以見到，超級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到數百到數千毫安不等，是普通電池的一百倍；由于超級電容器不會在充放電過程中造成電極材料損壞，工作溫度適應范圍也較強，可以比普通電池使用壽命高出數千次；超級電容器材料也較為環保安全；超級電容器長期放置后也不會有容量減小現象發生，雖然會出現短暫的電壓下降，但是只要重新充電就會回復。

超級電容器根據儲能機理可以區分為雙層電容器EDLC和法拉第準電容器或贗電容器Pesudocapacitor[2]。而根據它們在結構上和電極發生的不同反應，可以區分為對稱型和不對稱性，電極反應相同，反應方向不同時稱為對稱型，相反則成為非對稱型電容器。在超級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候，且正好處在2個極板的上面，則可判定正極帶有正電荷，而它的負極帶有負電荷。 同時，在兩極板間構成電場，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的電荷產生。進而將點業界內部的電場進行有效平衡。

3 超級電容器的其它應用領域

當前的內燃機型汽車都是使用蓄電池組來實現柴油發電機組的啟動，由于蓄電池充放電時間較長，各個季節的汽車啟動速度不同，受到溫度影響較大，冬天啟動最難，所以很多卡車司機都會選擇在冬天保持怠速狀態，保證卡車能夠隨時重新啟動，國外研究人員通過常年研究，使用較小的蓄電池與超級電容器進行并聯，取代了原本蓄電池作為汽車主要啟動動力的現象，解決了怠速停車期間產生的能源浪費問題，有效提高了汽車啟動速度和發動機轉速[3]。

在其它領域超級電容器也得到了成功運用，例如高壓變電站和開關站通過超級電容器取代電解電容器，有效解決了由于儲能少而漏電導致分合閘裝置可靠性差等缺點，減少了安全隱患，降低了事故發生幾率，減少了日常維護成本。在軍工方面新一代的激光武器、粒子束武器、潛艇、導彈和航天飛行器等軍事裝備都必須應用到超大容量的超級電容器，并且和常規高比能量電池相配備構成“致密性超高功率脈沖電源”，通過對脈沖施放頻率、脈沖密度、最大值時的釋放功率調整，讓相關環節和設備能夠滿足在脈沖狀態保持平均功率水平的狀態，國外已經有公司開發出了超大型超級電容器存儲的能量達到了35KJ，計劃應用于軍事領域[4]。

當前超級電容器主要圍繞碳材料開展研究，但是制造出的電容器能量非常低，需要對性能進行進一步提高，納米碳材料為超級電容器電容材料的研究和改進提供了新的思路，是當前的主流發展趨勢，為超級電容器性能提升帶來了巨大發展空間。

4 結束語

超級電容器和傳統的蓄電池以及傳統電容器相比，在各個方面都有著顯著提升，占據著巨大優勢，但是仍然需要降低成本和增加能量密度。在電動汽車和混合動力汽車應用中已經具有先天優勢，尤其在車輛需要爬坡和啟動時，可以提供大量能量輸出優勢，并且快速運轉，其中帶來的便利不能用語言來形容。這些優勢同樣可以在傳統內燃機機車的蓄電池問題中得到體現。電力系統儲能和新型軍事武器中得到應用，隨著科學技術不斷發展，超級電容器技術不斷突破，其應用領域和性能必將不斷提升，發展潛力巨大。

參考文獻：

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

[2]杜爽，左春檉.超級電容混合動力汽車能量存儲技術發展研究[J].電源技術，2014，38（03）：589-590，595.

[3]趙旭哲.混合動力汽車用超級電容及其關鍵技術的探討[J].汽車實用技術，2014（10）：82-87.

[4]董學進，何亮.混合動力汽車超級電容監測系統設計[J].企業科技與發展，2013（14）：50-52.