原创 超级电容器在电动汽车中的应用 (2009-12-13 20:27)

超级电容器在电动汽车中的应用   (2009-12-13 20:27)

在电机控制系统中，为了提高电机的启动性能，是电机转动更加平稳，都会在电机电源附近并联一个大的电解电容。这是因为电机启动瞬间，由静止开始动作所需要的电流非常大，这个大电流会将电源电压突然拉低，导致电机性能变差。根据电机的功率不同，电容容量可以有不同选择。如果是电动汽车或混合动力车，需要的容量和耐压就更大，这样普通电解电容已经不能胜任，业内常用的做法是应用超级电容器。下面简单介绍超级电容器的应用。

1，特性简介

    超级电容器，是指它的容量超级。关于它的原理，材料，制造工艺，这里不做介绍。下图是2.3V2000F的电容和一节一号电池的比较，可以对超级电容器有一个概念。

    

超级电容器作为与蓄电池相提并论的储能器件，最显著的特性是功率密度高，容量大，可快速充电，大电流放电，可充放电次数多（50万次），安全，环保。缺点是体积大，能量密度低，自放电率高，单体耐压低。而且跟蓄电池相比，与其它电容相同，放电过程中它的电压是持续下降的。

基于以上特点，超级电容器不适合作为主要能量存储单元，而是在能量回收系统，改善启动性能方面广泛应用。

2，充放电特性

    电容器的充电有两种方式：固定电阻和固定电流方式。固定电阻方式比较简单，但在电阻上的损失功率比较大，而且充电慢，一般在预充电（per-charge）时用。固定电流充电，跟锂电池的充电类似，但充电电流可以大得多。固定电流充电时间公式如下：

     

下图是对2个2.3V2000F串联超级电容器充放电特性曲线，实际容量1000F，最高电压4.6V，放电中止电压约0.7V。

充电固定电流2A：



可以看出，固定电流充电时的曲线与锂电池极其相似。但是超级电容器可以承受的电流时锂电池的数十倍，所以充电速度也远远高于锂电池。实际上超级电容器充电的速度限制主要是充电器的承受能力。

2A放电曲线：

   

超级电容器放电时的电压是急速下降的，这一点跟电池不同。这也决定了超级电容器不适合作为主要的储能单元使用。但是它可以大电流持续放电，所以作为蓄电池的补充，是很有意义的。

3，串联成超级电容器组

一般超级电容器的单体耐压只有1.5V~2.5V，如果应用在电动汽车/混合动力车上，需要串联使用。而超级电容器的串联，与锂电池的串联又有些相似——为保证能量充分利用，需要均衡系统。超级电容器的均衡系统，完全可以用锂电池均衡系统的结构：电阻分流，电感/电容/变压器能量转移，具体可以参考本人以前的或者网上其他的文章。

在要求不高的场合，也可以使用更简单，更廉价的电阻分流式均衡，如下图所示：



至于原理，基本上是检测单体电压，然后打开三极管或者稳压二极管进行放电行为，具体动作不在分析，有兴趣的可以研究。下面重点介绍超级电容器与电池的并联系统。

4，与电池的并联

    根据超级电容器的特性，它的主要应用之一就是与动力电池并联，在负载突然增大时提供大电流。典型的并联方式如下图：

     

电机正常工作时由锂电池组提供电流，这个额定电流由电池的特性决定。同时系统启动时通过充电电路，由电池向超级电容器充电。

当电机启动，或者负载突然增加时，这时电机需要的电流是额定电流的几倍。而对于电池来讲，突然提供一个很大的电流将会使电池电压迅速降低，从而电机的性能不能达到正常水平。

如果如上图所示并联了超级电容器，那么这个突然增加的电流可以由电容器提供。这样，电池两端电压变化，电池流出的电流变化都会大大减小，不仅对改善电机的性能有很大帮助，对于电池寿命的影响也大大减小。

下面两张图是汽车启动时，电池端并联超级电容器前后电池电压和电流的比较。可以明显的看出，有了超级电容器，电池的瞬间输出功率显著增加。

作为锂电池，能够提供的瞬间电流跟铅蓄电池相比要小得多，所以在以锂电池为动力的电动汽车或者混合动力车上，配合超级电容器使用应该是不错的选择。

至于选择的容量，需要根据电池，电机的功率来计算，并且要经过在各种情况下的试验之后才能确定。毕竟这东西，容量小了达不到理想效果，容量大了，浪费钱。



值得一提的是，超级电容器作为主要储能单元，也已经有了实际的应用，比如北京的Y6路，充一次电跑一个来回；上海的11路公交车，在每个车站迅速充电。作为辅助动力，在本田上一代的燃料电池FCX上也有使用。（但是不知道为什么后来取消了）



其他：

超级电容器还有一个与蓄电池不同的特点：小电流储能（充电）。这个特性非常适合与光伏电池配合使用，在太阳能路灯系统里会大有作为。