超级电容器在新能源汽车上的应用

超级电容器具有容量大、成本低、对环境无污染等特点。大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极其重要的意义。在汽车启动和爬坡时快速提供大功率电流;在汽车正常行驶时由蓄电池快速充电;在汽车制动时快速存储发电机产生的大电流,这些可以减少电动汽车对蓄电池大电流充电的限制,大大延长蓄电池的使用寿命,提高电动汽车的实用性。鉴于电化学超级电容器的重要性,各工业发达国家都给予了高度重视,并成为各国重点的战略研究和开发项目。

1.在纯电动车上的应用和发展

超级电容器比功率大,其特性是:充电量大,充电快;放电量大,放电快。应用于电动车辆中运行时,起步和加速快,爬坡有力。

超级电容器比能量小,其特性是:同等重量超级电容器续驶里程,仅为铅酸电池的1/3,这是超级电容器的一大缺陷。超级电容器续驶里程短,但充电速度快,可以弥补续驶里程短的缺陷,解决的方法是在城市交通线路的两端建立充电站,这样超级电容器电动车的续驶里程,可以不受限制。在城市市区运行的公交车,其运行线路在20km以内,以超级电容为唯一能源的电动汽车,一次充电续驶里程可达20km以上,在城市公交车将会有广阔的应用前景。

超级电容器能量密度小,充电一次的续驶里程短,但它的充电速度快,这一点比铅酸电池要好,铅酸电池充一次电需要5～8h,所以只要在线路上适合的地方建立一个超级电容器电动大客车充电站就可以了,而投资建设一个这样的充电站的费用比建一个加油站少得多,也建设一个同样规模的加气站或铅酸电池充电站成本低。

2.在混合动力汽车上的应用

超级电容的特性正好满足混合动力电动汽车的特殊要求。利用超级电容瞬时高功率的特性,避免了对发动机频繁启动和蓄电池提供瞬间大功率的特殊要求,同时还可以对制动能量进行回收利用。从而可以节约能源、减少排放污染,尤其适合经常在城市行驶的混合动力电动汽车。在回收制动能量方面,汽车在行驶过程中至少有30%的能量因热量散发和制动而消耗,特别是在城市行驶中,经常遇到红灯,这样不仅造成能源浪费,而且增加环境污染。

3.作为辅助启动装置

在内燃机汽车的电启动系统中采用超大容量电容器辅助启动装置,显示了较突出的优势,主要表现在以下几个方面。

(1)由于启动功率的增加,缩短了柴油发电机组的启动时间。柴油机旋转加速度增加,提高了燃烧质量。

(2)降低了启动时蓄电池组的最大电流负荷,有助于延长蓄电池的使用寿命。

(3)确保了启动的可靠性,特别是在低温以及蓄电池组亏电或参数变坏时尤为明显。

(4)在现有蓄电池技术状态下,可以有效减小蓄电池容量。

如果能把制动所消耗的能量回收起来用于汽车启动、加速,可谓一举两得。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的,所需时间较长,但制动时间较短,因而回收能量效果不佳。现正处于研究中的飞轮电池,由于精度要求高、制作难度大,短时间还难以进入实用阶段。超级电容独有的特性非常适合用于制动过程中能量的回收,而且成本较低,应用前景广阔。

在为发动机冷启动时提供瞬时大功率方面,发动机的冷启动对蓄电池提出了特殊的要求,蓄电池必须提供瞬间大功率,发动机才可能启动。然而,一般蓄电池不具备这种特性,除非用启动点火型电池,但是启动点火型电池并不适合长时期小电流工作环境,而且在低温下经常失效,因此也不适合。

研究发现,如果把超级电容和蓄电池联合用在发动机启动系统上,发挥超级电容的独有特性,构成新型的启动系统,这个问题就可迎刃而解了。超级电容器在电动汽车中与蓄电池并联做辅助电源上的应用,可以弥补蓄电池在功率特性方面的不足。当汽车处于正常行驶状态时,超级电容器处于充电状态;在加速或载重爬坡的特殊情况下由超级电容器实现高功率放电,突然制动时,则通过超级电容器的高功率充电吸收制动过程中产生的能量。超级电容器的使用可以满足电动汽车的启动、制动和爬坡时对高功率放电的需求,起到平衡蓄电池负载的作用,可以延长蓄电池的使用寿命。

超级电容器作为一种新型储能元件的出现,填补了传统静电电容器和化学电源之间的空白,凭借着低成本高性能的优势,加上对环境无污染的优点,使得人们对它越来越重视。随着对电动汽车研究的深入,超级电容器在这方面应用的优势也越来越明显。超级电容器的高性能决定了其市场前景非常广阔,而低成本又决定了其显著的经济效益。虽然超级电容器存在着比能量偏低的缺陷,但相信通过改进,一定会推动汽车行业发生质的飞跃。