分析超级电容在电动车中的应用

超级电容的机理与特点

超级电容是近期发展起来的一种新型储能元件，是一种具有超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源，它与常规电容器不同，其容量可达数万法。超级电容按储能机理主要分为三类：①由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容;②采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容;③由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。

由于双电层电容的充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，因此比较适合在电动车中应用。双电层超级电容是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置，其原理结构如图l所示。当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于超级电容与传统电容相比，储存电荷的面积大得多，电荷被隔离的距离小得多，因此一个超级电容单元的电容量就高达几法至数万法。由于采用了特殊的工艺，超级电容的等效电阻很低，电容量大且内阻小。使得超级电容可以有很高的尖峰电流，因此具有很高的比功率，高达蓄电池的50～100倍，可达到10kW/kg左右，这个特点使超级电容非常适合于短时大功率的应用场合。

超级电容具有极其优良的充、放电性能，在额定电压范围内，可以以极快的速度充电至任一电压值，放电时则可以放出所存储的全部电能，而且没有蓄电池快速充电和放电的损坏问题。此外，超级电容还具有不污染环境及机械强度高、安全性好(防火、防爆)、使用过程中免维护、使用寿命长(大于10年)和工作温度范围宽(一30℃～ 45℃)等优点，并且在瞬间高电压和短路大电流情况下有缓冲功能，能量系统较为稳定。超级电容与铅酸电池和普通电容的性能对比见表1。

纯超级电容电动车

直接以超级电容作为电动车的惟一能源，此方法结构简单、实用、成本低，而且实现了零排放，因此比较适合用于短距离、线路固定的区域，例如火车站或者飞机场的牵引车、学校和幼儿园的送餐车、公园的浏览车和电动公交车等。

复合电源电动车

超级电容与蓄电池、燃料电池等配合可以组成复合电源系统，但燃料电池因为成本较高，现在还不能得到实际应用。因此，国内外对超级电容一蓄电池复合电源系统的研究更多，其拓扑结构概括如图2所示。图2a结构最简单，但由于没有DC/DC变换器，蓄电池和超级电容将具有相同的电压，以致超级电容仅在蓄电池电压发生快速变化时输出和接收功率，从而减弱了超级电容的负载均衡作用。图2b与图2c都采用了双向OC/OC变换器，图2b中双向DC/DC跟踪检测蓄电池的端电压，以调控超级电容的端电压使两者匹配工作。由于蓄电池端电压的变化比超级电容的端电压平缓，因此对于DC/DC，图2b比图2c易于控制。图2d理论上虽然具有更高的灵活性，但对DC/DC的控制策略要求非常精确复杂且不易维护。

复合电源系统的控制策略

1、速度约束控制策略

当车辆起步时，超级电容中应当储存较多的能量，需要超级电容放电，保证电动车的加速性能，而当车辆在高速行驶的情况下，超级电容应当储存比较少的能量，以便在制动过程中接收较多的能量。超级电容储存的能量与其端电压的平方成正比，由于超级电容的端电压变化范围比较大，因此放电时如何控制其放电深度，以备在行驶过程中二次放电或进行再生制动回收充电，但需要在实验中反复进行测试才能获得。

2、电流约束控制策略

电动车在行驶过程中，由于频繁地加速、减速和上下坡等原因，使得负载电流变化比较大，当负载电流太大以至于超过蓄电池所能承受的最大放电或充电电流时，为了避免电池组过放电或过充电，需要由超级电容放电或充电，以便改善电池组的工作状态，延长其使用寿命。电池组的工作电流为：

为了避免过大的回馈电流对蓄电池造成损害，可采用恒定充电电流的制动方式，即以蓄电池充电电流为被控对象。这是一种比较实用的控制策略，适合于采用蓄电池单电源系统的电动车。由于蓄电池电压在再生制动过程中不会发生明显的变化，因此电枢电流的上升不会太大。在超级电容一蓄电池复合电源系统中，由于超级电容端电压在单次再生制动过程中就会发生很大的改变，随着制动过程中超级电容端电压的上升和电机反电动势的下降，电枢电流将急剧上升，有可能对功率器件甚至电机造成损害，因此对超级电容充电时可采用恒功率的策略，即对再生制动过程中超级电容的充电功率进行控制。

在超级电容电压低的时候，采用大电流充电，当电容电压上升时，充电电流指令值下降，可兼顾能量回收与系统器件保护。

3、综合控制策略

采用速度约束控制策略可使车辆的动力性能得到提高，而采用电流约束控制策略时蓄电池的电流可以工作在规定的范同内，对蓄电池有保护作用。这2种控制策略各有优缺点，采用综合控制策略。即将速度约束控制策略和电流约束控制策略进行综合应用，可以兼顾它们的优点，既能对蓄电池起到保护作用，延长电池的使用寿命，又能提高整车的动力性能。