新能源汽車超級電容器綜述

超級電容器是介于蓄電池和傳統(tǒng)靜電電容器之間的一種新型儲能裝置，它是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的物理二次電源。超級電容器主要利用電極/電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第準電容來實現(xiàn)電荷和能量的儲存。

超級電容器的類型如圖 所示

超級電容的結(jié)構(gòu)

超級電容電池是由電極、集電板、隔膜及電解液組成，如圖 所示。電極材料與集電板之間要緊密相連，以減小接觸電阻；隔膜應(yīng)滿足具有盡可能高的離子電導(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)的條件，一般為纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料。電解液的類型根據(jù)電極材料的性質(zhì)進行選擇。

超級電容的工作原理

1、充電過程

超級電容充電過程如圖 所示

充電時，電子通過外加電源從正極流向負極，同時，正負離子在固體電極上電荷引力的作用下從溶液體相中分離并分別移動聚集到兩個固體電極的表面，形成雙電層；充電結(jié)束后，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差

2、放電過程

超級電容放電過程如圖 所示

在放電時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產(chǎn)生電流，正負離子從電極表面被釋放進入溶液體相呈電中性。這種儲能原理允許大電流快速充放電，其容量大小隨所選電極材料的有效比表面積的增大而增大。雙電層的厚度取決于電解液的濃度和離子大小。

超級電容特點

超級電容器具有以下優(yōu)點：

（1）高功率密度。超級電容器的內(nèi)阻小，輸出功率密度高，是一般蓄電池的數(shù)十倍。

（2）充電速度快?？梢杂么箅娏鹘o起級電容器充電，充電10S～10min可達到其額定容量的95%以上。

（3）工作溫度范圍寬。超級電容器能在-40℃～60℃的環(huán)境溫度中正常工作。

（4）循環(huán)辦命長。超級電容器具有至少十萬次以上的充電壽命，沒有“記憶效應(yīng)”。

（5）簡單方便。超級電容器充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；檢測方便，剩余電量可直接讀出。

（6）綠色環(huán)保。超級電容器在生產(chǎn)過程中不使用重金屬和其他有害化學物質(zhì)，因而在生產(chǎn)、使用、儲存及拆解過程中均沒有污染，是一種新型的綠色環(huán)保電源。

超級電容器除了上述有點外，自身還存以下缺點：

（1）低能量密度。目前超級電容器可儲存的能量比化學電源少得多。

（2）低電壓。超級電容單體電壓低，需要多個電容串聯(lián)才能提升整體電壓。

（3）高自放電。它的自放電速率比化學電源要高。

（4）線性放電。超級電容器線性放電的特性使它無法完全放電。

超級電容在汽車上的應(yīng)用

目前超級電容器被廣泛應(yīng)用到新能源汽車中，用作起動、制動、爬坡時的輔助動力。汽車頻繁的起步、爬坡和制動造成其功率需求曲線變化很大，在城市路況下更是如此。一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達16 : 1，但是這些峰值功率的特點是持續(xù)時間一般都比較短，需要的能量并不高。對于純電動、燃料電池和串聯(lián)混合動力汽車而言，這就意味著要么汽車動力性不足，要么電壓總線上要經(jīng)常承受大的尖峰電流，這無疑會大大損害電池、燃料電池或其他輔助動力裝置的壽命。如果使用比功率較大的超級電容器，當瞬時功率需求較大時，由超級電容器提供尖峰功率，并且在制動回饋時吸收尖峰功率，那么就可以減輕對電池、燃料電池或其他輔助動力裝置的壓力，從而可以大大增加起步、加速時系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動能量，這樣做還可以提高電池的使用壽命，改善其放電性能。