電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的超級(jí)電容原理及應(yīng)用

我國(guó)從九十年代開(kāi)始研制超級(jí)雙電層電容器，與國(guó)外先進(jìn)水平還有一定的差距。據(jù)有關(guān)資料表明，國(guó)內(nèi)有些單位已經(jīng)研制出比能量為10Wh/kg、比功率為600W/kg的高能量型及比能量為5Wh/kg、比功率為2500W/kg的高功率型超級(jí)電容器樣品，循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50,000次以上。性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成本較國(guó)際平均價(jià)格有大幅度下降。初步具備應(yīng)用水平。

超級(jí)電容在汽車上的應(yīng)用

　　1、電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力

　　汽車頻繁的起步、爬坡和制動(dòng)造成其功率需求曲線的變化很大，在城市工況下更是如此。一輛高性能的電動(dòng)汽車的峰值功率與平均功率之比可達(dá)16：1。但是這些峰值功率的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間一般都比較短，需求的能量并不高。

　　對(duì)于純電動(dòng)、燃料電池和串聯(lián)混合動(dòng)力汽車而言，這就意味著：要么汽車動(dòng)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(wú)疑會(huì)大大損害電池、燃料電池或其它APU的壽命。

　　但如果使用比功率較大的超級(jí)電容，當(dāng)瞬時(shí)功率需求較大時(shí)，由超級(jí)電容提供尖峰功率，并且在制動(dòng)回饋時(shí)吸收尖峰功率，那么就可以減輕對(duì)輔助電池、燃料電池或其它APU的壓力。從而可以大大增加起步、加速時(shí)系統(tǒng)的功率輸出，而且可以高效地回收大功率的制動(dòng)能量。這樣做還可以提高蓄電池（燃料電池）的使用壽命，改善其放電性能。

　　如圖2所示為燃料電池汽車的起動(dòng)過(guò)程，由于超級(jí)電容在車輛起步時(shí)提供瞬時(shí)的大功率，從而使汽車起步過(guò)程大大加快。

圖2 FC＋C與FC汽車起步加速性能比較

　　除此之外，采用超級(jí)電容還能在設(shè)計(jì)（選擇）蓄電池等動(dòng)力部件時(shí)，著重于其比能量和成本等問(wèn)題，而不用再過(guò)多考慮其比功率問(wèn)題。通過(guò)揚(yáng)長(zhǎng)避短，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源匹配的最優(yōu)化。

　　2、典型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　超級(jí)電容作為唯一動(dòng)力源的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而且目前技術(shù)還不成熟。所以一般都是把超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源，與電池、燃料電池或其它APU系統(tǒng)組成多能源的動(dòng)力總成來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)組合形式有：B＋C，F(xiàn)C＋C，F(xiàn)C＋B＋C，ICE/G＋C等。（其中B代表電池、C代表超級(jí)電容、FC代表燃料電池、ICE代表內(nèi)燃機(jī)、G代表發(fā)電機(jī)），這些結(jié)構(gòu)都屬于串聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

　　如圖3所示為超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)車的典型結(jié)構(gòu)。

圖3 超級(jí)電容用于電動(dòng)車的典型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　UCMS（超級(jí)電容管理系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的封裝，主要作用是管理每個(gè)單體電流的大小，防止電壓超過(guò)電解質(zhì)的分解電壓而造成損壞，限制單體不均勻性的影響。從而使超級(jí)電容組穩(wěn)定可靠的工作，提高超級(jí)電容組整體的效率和壽命。

　　超級(jí)電容經(jīng)過(guò)一個(gè)雙向的高頻DC/DC后在直流電壓總線與電池組進(jìn)行耦合。為了串聯(lián)較少的超級(jí)電容單體，DC/DC一般為電流型升壓變換器，通過(guò)控制DC/DC的輸出電流來(lái)達(dá)到控制其輸出功率的目的。

　　由于超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量和電壓的平方成正比，所以超級(jí)電容器由荷電狀態(tài)所決定的端電壓將在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)變化。例如，如果超級(jí)電容器被放電75％，那么電容器的端電壓將減少到初始電壓的50％。為了控制電容器的能量輸入輸出，協(xié)調(diào)超級(jí)電容電壓和電池電壓，必須要使用DC-DC變換器。

　　3、控制方式

　　對(duì)于B＋C形式的電動(dòng)汽車而言，主要是控制超級(jí)電容的電流，以實(shí)現(xiàn)作為主動(dòng)力源的電池與超級(jí)電容的功率分配。應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：蓄電池功率輸出應(yīng)該盡可能保持恒定或平滑；超級(jí)電容主要起功率調(diào)峰作用，提供道路需求功率減去蓄電池功率外剩余的功率，并且回收制動(dòng)能量；必須保證蓄電池與超級(jí)電容都在各自的安全電壓范圍內(nèi)工作；系統(tǒng)的整體效率應(yīng)該盡可能最大。除了以超級(jí)電容電流為控制目標(biāo)外，也可以把電容電壓作為控制目標(biāo)。

　　4、示范樣車