超级电容器在混合动力汽车上的应用
超级电容器及其在新能源汽车中的应用
超级电容器，又叫作电化学电容器，已经有 50 多年 的历史，被认为是一种介于普通电容和电池之间的另一 种有潜力的电化学储能元件，其工作原理结构如图 1 所 示。根据储存电能机理的不同，可分为两类[3-4]：一类是 当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间 力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电 荷，由电极与电解液之间形成的界面双层来储存能量的 双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor）；另一类 是在电极表面或体相中的二维与准二维空间上，电化学
日本是将超级电容器应用于混合动力新能源汽车
的先驱。近年来，超级电容器是日本新能源汽车动力系 统开发中的重要领域之一。本田燃料电池 - 超级电容器 混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车， 其第 5 代 FCX 使用了自行开发研制的超级电容器来取 代电池，减少了汽车的质量和体积，使系统效率增加。 FCX 能快速达到较大的输出功率，改善燃料电池车启动 和加速性能，并缩短启动时间。
8）充放电时间非常短。可大电流充放电，使用便 捷；对过充电有一定的承受能力，短时过压不会产生严 重影响；对瞬间高电压或短路大电流具有一定的缓冲能 力，能量系统较为稳定。
但是，超级电容器也有自身一些不足之处，具体表 现如下：能量密度偏低，作为纯电动应用续驶里程太短； 线性放电，使其无法完全放电；自放电较大，长时间放置 电压会很快下降；单体工作电压低，需要较多的数量串 联才能得到较高的工作电压，对单体的一致性要求很 高；价格高。
6.3
充电时间
＞2 h
1～5 h 1～5 min 10-6～10-3 s
放电时间
＞2 h 0.3～3 h 1～5 min 10-6～10-3 s
电动汽车的电池和超级电容
电动汽车的电池和超级电容仿真结果表明，省油的混合动力电动汽车可以设计成使用电池或者超级电容，而这是由两者之间的技术成本和使用年限决定的。
摘要电池和超级电容器在纯电动汽车、充电保持型混合动力汽车和插电式混合动力汽车上的电能存贮单元中应用已经被详细地进行了研究。
对于混合动力汽车而言，内燃机和氢燃料电池的使用时作为初级的替代能源来考虑的。
研究重点是锂电池和碳/双层碳超级电容器作为能量存贮技术非常可能应用在未来汽车上。
这项研究的主要结果如下：1）电池和超级电容器的能量密度和功率密度特点对设计纯电动汽车、充电保持型混合动力汽车和插电式混合动力汽车有着足够的吸引力。
2）持续充电，混合动力汽车引擎动力可以被设计成使用电池或者超级电容器从而使燃油经济性改善50%甚至更好。
3）插电式混合动力汽车可以设计成相对较小的锂电池使有效行程在30-60公里的范围内。
对较长的日常驾驶范围（80-150公里）插电式混合动力汽车燃油经济消耗率可以非常高（大于100mpg），因为绝大部分能量（大于75%）通过电流用于驱动汽车。
4）轻度混合动力汽车可以设计使用一个储能容量75-150Wh的超级电容器。
使用超级电容器时的燃油经济性提升要比使用同质量的电池组高10%-15%这是因为超级电容器的高效率和更高效率的引擎运转。
5）用氢燃料电池供能的混合动力汽车可以使用电池组或者超级电容器作为储能器。
仿真结果表明，在同等车重和道路负载情况下，燃料电池汽车的等效燃油经济性是汽油机汽车燃油经济性的2-3倍。
相比一辆引擎驱动的混合动力汽车，氢燃料电池的等效燃油经济性会是它的 1.66-2倍。
关键词：电池组控制策略燃料电池混合动力汽车改善燃油经济性超级电容器I. 引言为了提高传动系统效率，提供比其他道路交通方式更加节省石油能量，世界各地的汽车公司正在开发混合动力和燃料电池引擎。
这些车辆的动力传动系统利用电动机和电能储存器补充引擎输出或者车辆在加速和巡航时燃料电池的补充以及制动时的能量回收。
超级电容器在电动车上的应用
中心议题：超级电容器基本原理与传统电容器、电池的区别解决方案：超级电容器在刹车时再生能量回收在启动和爬坡时快速提供大功率电流现在，城市污染气体的排放中，汽车已占了70％以上，世界各国都在寻找汽车代用燃料。
由于石油短缺日益严重人们都渐渐认识到开发新型汽车的重要性，即在使用石油和其它能源的同时尽量降低废气的排放。
超级电容器功率密度大，充放电时间短，大电流充放电特性好，寿命长，低温特性优于蓄电池，这些优异的性能使它在电动车上有很好的应用前景。
在城市市区运行的公交车，其运行线路在20公里以内，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20公里以上，在城市公交车将会有广阔的应用前景。
电动汽车属于新能源汽车，包括纯电动汽车，BEV）、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV）三种类型。
它集光、机、电、化各学科领域中的最新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。
电动汽车与传统汽车在外形上没有什么区别，它们之间的主要区别在于动力驱动系统。
电动汽车采用蓄电池组作储能动力源，给电机驱动系统提供电能，驱动电动机，推动车轮前进。
虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车，但在行驶过程中不排放污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，结构简单，使用维修方便，是一种新型交通工具，被誉为“明日之星”，受到世界各国的青睐。
超级电容器简介超级电容器又称为电化学电容器，是20世纪年代末出现的一种新产品，电容量高达法拉级。
以使用的电极材料来看，目前主要有3种类型：高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。
1基本原理根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器，EDLC）和赝电容器（Pesudocapaeitor）。
碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容；而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。
超级电容器的应用与发展
超级电容器的应用与发展超级电容器目前在能量存储与释放领域的应用非常广泛。
首先，超级电容器在电动车和混合动力汽车等交通工具上起到了重要的作用。
由于超级电容器具有快速充电和放电的能力，可以为车辆的瞬时需求提供大量电能，从而提高汽车的启动性能和加速性能，减小滞后感。
其次，超级电容器也被广泛应用于储能系统中，如风力和太阳能发电等再生能源的储能系统，以及电网的储能系统。
超级电容器可以在短时间内储存大量的电能，并在需要时快速释放，有效地平衡电网负荷和供应之间的差异，提高电网的稳定性和可靠性。
此外，超级电容器还可以应用于电子设备、军事装备、医疗设备等领域，提供可靠的能量储存和供应。
超级电容器的发展也取得了巨大的进展。
首先，传统的电容器材料如铝电解电容器和陶瓷电容器已经逐渐被高性能碳电极材料取代，这些材料具有更高的比表面积和更好的电导率，能够提高超级电容器的能量密度和功率密度。
其次，新型纳米材料的研究也为超级电容器的发展提供了新的思路。
石墨烯、二维材料、金属有机骨架材料等具有特殊结构和性能的纳米材料，可以提供更大的表面积和更好的电气性能，使得超级电容器具有更高的能量密度和功率密度。
同时，研究人员还通过调控电解液和电极材料的组成和结构，改善了超级电容器的电化学性能，延长了其循环寿命，提高了稳定性。
未来，超级电容器的应用和发展还有许多潜力和挑战。
首先，随着电动交通工具和可再生能源的快速发展，对高性能超级电容器的需求将进一步增加。
因此，超级电容器的能量密度和功率密度还需要进一步提高，以满足更高的应用要求。
其次，超级电容器的成本也需要进一步降低，才能促进其在大规模应用中的普及。
目前，超级电容器的制造成本较高，限制了其在一些应用领域的推广。
因此，研究人员需要努力寻找更便宜和易于制造的材料和工艺，以降低成本。
此外，超级电容器的可靠性和循环寿命也需要得到进一步提高，以满足长期使用的需求。
总的来说，超级电容器具有广泛的应用前景和发展潜力。
超级电容器在汽车启动中的应用
AUTO PARTS | 汽车零部件超级电容器在汽车启动中的应用周美玲 刘欣欣长春汽车工业高等专科学校 吉林省长春市 130013摘 要： 在汽车启动过程中，传统汽车采用的是直流万向电机启动器。
在起动的瞬间，电机转速为零，机械传动部分有很大的阻尼，而且起动电路的电枢电阻、蓄电池电阻和线路电阻都很低，所以起动电流很大，可达数百台万向电机。
当超级电容器与蓄电池并联时，汽车启动过程会得到极大的改善。
超级电容器具有使用寿命长、电流密度大、环保等优点。
此外，它们的能级可以从它们的终端电压估计出来。
由于超级电容器供电的电动汽车只需充电30秒就可以运行20分钟以上，因此充电电动汽车不会成为主要问题。
关键词：超级电容器 汽车启动1 超级电容器概述当今燃料电池汽车发展面临的最大挑战是汽车充电和管理。
电动汽车与燃料电池发电机打算的平均功率只。
由于燃料电池内部电化学特性缓慢，不能满足瞬态负载要求。
在这些框架工厂的利用能源储存设备（如电池，超级电容器）是必不可少的快速电力输送。
另一方面，电动汽车的驱动侧应采用异步电动机磁场定向矢量控制，以避免固有的耦合效应（即转矩和磁通都是电压或电流和频率的函数），这种耦合效应使系统响应迟缓，容易导致系统不稳定。
在许多系统中，能源储存正成为越来越重要的资产。
在各种储能技术中，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长等优点。
事实上，基于超级电容器的能量存储系统已经被广泛应用，包括智能电网，电动汽车，无线传感器网络，以及生物医学设备。
一些著名的汽车公司，如通用汽车、福特、卡夫、丰田、本酒、日产等都有以内燃机和电动机为能源的混合动力技术这个这种混合动力汽车的超级电容器具有高功率密度，使用寿命长，高功率密度，高压缩性和安全。
超级电容器在汽车上的应用，可以在启动或制动时迅速释放或吸收负载上的能量，避免发动机处于低速、重载状态，高转速、高负荷，使发动机在理想状态下运转，节省燃油，减少污染减少了。
所以超级电容器已成为未来电动汽车发展的重要方向之一。
超级电容器的原理及应用
超级电容器的原理及应用超级电容器，是一种能储存大量电能并且能够快速放电的电子元件。
它在电子领域中应用广泛，能够提供大电流，具有快速充放电特性，而且寿命长、体积小等优点。
本文将详细介绍超级电容器的原理及应用。
超级电容器的原理：超级电容器的工作原理其实很简单，在超级电容器中有两个电极，它们之间由电解质隔开。
当电容器充电时，正极电极会吸收电子，而负极电极则会失去电子，这样就形成了电压差。
当需要放电时，正负极电极之间的电子会快速流动，使得电容器迅速放出储存的电能。
1.电动车辆：超级电容器可以用于电动汽车及混合动力汽车的能量回收系统中。
在车辆减速或制动时，电动机会成为发电机，将动能转化为电能，并存储在超级电容器中。
当车辆需要加速时，超级电容器可以迅速释放储存的能量，提供给电动机，从而减轻电池的负担，延长电池的使用寿命。
2.工业设备：超级电容器也被广泛应用于工业设备中，特别是需要进行瞬时大电流输出的设备。
正常电池无法提供足够的电流以满足这些设备的需求，而超级电容器可以在短时间内提供高达几十安培的电流输出，能够满足工业设备的需要。
3.可穿戴设备：随着智能可穿戴设备的普及，对于电池的体积和重量要求越来越高。
超级电容器因为体积小，重量轻而被广泛应用于智能手表、智能眼镜等可穿戴设备中，能够为这些设备提供可靠的能量支持。
4.风能储能：超级电容器也可以用于风力发电系统的能量存储。
风能是一种不稳定的能源，风力发电系统在风大的时候会产生超出负荷的电能，而风小的时候又无法满足负荷需求。
超级电容器可以在风力充足时存储多余的能量，风力不足时释放储存的能量，平衡系统的供需关系。
电动汽车驱动中的超容原理及应用
电动汽车驱动系统中的超级电容原理及应用超级电容是一种电化学装置，是介于电池和普通电容之间的过渡部件。
其充放电过程高度可逆，可进行高效率（0.85～0.98）的快速（秒级）充放电。
其优点还包括比功率高、循环寿命长、免维护等。
以前由于超级电容的比能量过低，放电时间太短，难以应用于汽车领域。
随着超级电容技术的迅速发展，目前成为汽车领域研究和应用的新热点。
超级电容不仅适合用作汽车发动机起动、动力转向等子系统的辅助能源，而且还可以与电池、燃料电池等结合用作电动汽车的辅助能源，从而提高电池寿命，弥补燃料电池比功率不足，最大限度的回收制动能量等。
总之，其在汽车领域有十分广阔的应用前景。
超级电容的原理与分类准确的说，超级电容应该叫做电化学电容器（Electrochemical Capacitor）。
它能提供比电解电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的寿命。
根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类：1、使用碳电极的双电层电容器(Double Layer Capacitor，DLC)如图1所示，可以把双电层超级电容看成是悬在电解质中的两个非活性多孔板，电压加载到两个板上。
加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子。
从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。
图1 双电层超级电容器DLC本质上是一种静电型能量储存方式。
所以双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关，因而常常使用高比表面积的活性碳作为双电层电容器的电极材料，从而增加电容量。
例如，活性碳在经过特定的化学处理后，表面积可以达到1000m2/g，从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平。
碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。
该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。
2、使用金属氧化物电极的超级电容器，原来是指贵金属氧化物RuO2 、IrO2 作为电极的电容器。
通过发生可逆的氧化/还原反应，使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。
汽车电子技术《超级电容与蓄电池混合使用59》
超级电容与蓄电池混合使用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掉,特别是在城市行驶,经常遇到红灯,这样不仅造成能源浪费,而且增加环境污染。
如能把制动所消耗的能量回收起来用于汽车起动、加速,可谓一举两得。
国外有关研究说明,在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下,有效地回收制动能量,可使电动汽车的行驶距离延长10%～30%,因此,再生制动在混合动力电动汽车的能量回收中占有突出的地位,在其能量管理系统中,要求尽可能多地利用再生制动回馈的能量。
由于蓄电池充电是通过化学反响来完成的,所需时间较长,但制动时间较短,因而回收能量效果不佳。
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。
超级电容器是介于蓄电池和电容器之间的一种能量存储器,它具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能。
蓄电池的缺乏混合动力电动车辅助动力蓄电池在加速或爬坡时要进行大电流放电;减速或下坡时要快速充电实现制动能量回收,要求蓄电池具有优良的高倍率快速充放电特性和使用寿命长且性能稳定。
而对蓄电池实行大电流充放电将使之寿命大大缩短。
同时由于混合动力电动车放置蓄电池的空间有限,布置非常紧凑,热量易积累,使得蓄电池暴露在高温环境中造成高温失效。
尽管针对混合动力汽车所使用的铅酸蓄电池作了许多改良,但是其在高温时性能恶化快,寿命短,充放电效率低已经成为混合动力电动车开展的难题之一。
超级电容器的优势与缺乏超级电容器也称电化学电容器,因其存储能量大,质量轻,可屡次充放电而成为一种新型的储能装置。
超级电容器有以下优势: 1 电容量大。
超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极, 与电解液接触的面积大大增加。
根据电容量的计算公式,两极板的外表积越大, 那么电容量越大。
因此,一般双电层电容器容量很容易超过1F,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级。
目前单体超级电容器的最大电容量可到达5000F。
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燃料电池叉车应用
铅酸电池的替代品 Ú 燃料电池和超级电容配合工作 Ú 超级电容负责抬升 Ú 为客户减少开支 Ú 补充燃料电池的初始功率特性
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混合动力系统架构
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大巴用125V 63F模块参数
由48个3000法拉单体串联，配以平衡监控电路及风冷却单元构成，
12V/24V可选风扇，最大电流750A，持续电流200A，762*425*265mm
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125伏模块在酒精混合动力车上的应用
斯堪尼亚集团是世界领先的重型卡车和大型巴士以及工业发动机制造商之一,总部在瑞典 • 9 升的柴油，汽油或酒精发动机 198 kW (270 hp)@1800 r/min • 一个150 千瓦的牵引电机,车辆最高时速：78KM/hr • 4 个125V 的MAXWELL超级电容储能>400Wh • 开发模式：政府资助2辆原型车加10辆测试车
Capacitance:
63F
Mass:
58公斤
Voltage:
125伏
ESR:
18 milliohm
Solving for Stored Energy: E = ½ C*V 2
J = .5 X 63 X 15625= 492188wsec (136.7 Whr)
Power density = V 2 /4xESR/weight = 3742 w/kg
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1、低内阻、具备卓越的处理大电流及峰值功率的能力
2、超过1百万次的充放电次数、使用寿命长 3、在-40度到65度范围内可正常工作，温度范围宽 4、可快速充放电 5、容易根据电压监控状态，可靠性高 6、体积小、重量轻 7、绿色产品，易于环境保护
模块内单体电压的平衡，还可以满足模块之间的自动平衡:
Capacitance:
Mass: Volume: Voltage:
165F
14.2公斤 12.6升 48.6伏
ESR: Solving for Stored Energy:
7.1 milliohm E = ½ C*V 2
J = .5 X 165 X2304 = 190080wsec (52.8Whr)
叉车工作原理
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峰值功率
超级电容器输出
燃料电池输出
能量回收
超级电容器输入
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通用未来混合动力车中超级电容应用计划
据美国通用汽车（GM）在2007年国际高级汽车 电池与超级电容讨论会（AABC 2007）上透露: “在近5年内,将每3个月推出1次混合动力车插电 混合动力车(约64kmEV行驶)要求电池具有高功 率密度和高能量密度这一相反的特性 , 而锂离子 充电电池很难兼具这些特性，因此很有可能采取 与超级电容相结合使用的方法 双模系统，是指通 过组合两个马达和行星齿轮机构来切换低速模式 和高速模式的混合动力车.
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前景展望
超级电容经过十几年的应用已经证明在混合动力车中会发挥 极大的作用，大幅提高整车的性能;
MAXWELL拥有业界最好性能的产品，最低的单位价格，已 经具备大规模商用化的条件;
超级电容器在混合动力 汽车上的应用
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• 超级电容器特点 • 超级电容器与电池方案比较 • 小型乘用车应用 • 大巴/重型运输应用 • 燃料电池叉车应用 • 前景展望
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应用案例
效能提升应用（混合动力X系列概念车）
制动时能量获取, 加速时释放 起动/停止功能
在发动机和变速箱间加装电动马达:660Nm, 70 kW 节省多达 15% 的汽油 超级电容模块 高达 300V , 167.4Whr 能量 单体额定参数 1500F, 2.7V 内置于踏步门槛 设计精巧 , 低ESR , 满足大电流的要求
锦州百纳电气有限公司具有多年模块制作及应用经验，可共 同为混合动力汽车生产商提供完善的产品和满意的服务；
在国外已有超过五百辆HEV车使用超级电容并有上百万公里 的历程。
百纳在国内与一汽、华普正进行合作，相信会有广阔的应用 前景。
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1000余万个超级电容
•2.1V 68F单体:7个串联,3个并联组成系统:电压14.7V，容量29.1F。
电子控制装置（ECU）相连，起到补充电力的作用
•使用原因：
小型轻量 长寿命 可确保高可靠性
高安全性
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超级电容器包组成
组装套件 -144个2.7V 2 600F单体 -综合冷却系统 -综合电压,绝缘,温度监控 -每个巴士2个电容器组装包 -182公斤和0 .65千瓦时储存能量
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超级电容与电池并联将延长电池寿命
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其他应用案例
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混联式案例
图片来源：Tata
同时还可利用超级电容器的大电流充电特性，在汽车刹车时进行能 量回收，提高能量利用率；
利用超级电容器温度范围宽的优势，改善汽车低温起动性能。
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Power density (IEC) = 11,426X.48 = 5485 w/kg
Energy density = 5.53 Whr/kg
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轻度混合案例
基于车辆电压参数和能量回收的模型 整体优化 • 燃料经济性/节约 • 驾驶员/乘客便利舒适性 • 系统成本 应用于各种系统 • 快速加热 • 能量回收 • 被动推进 • 起/停 • 消费电子
超级电容器与电池方案比较
优势：
工作（回收、释放）效率高，可高达95% • 寿命长 • 重量轻 • 易于管理 • 低温、高温特性好
缺点：
• 能量密度低，但对混合动力应用影响不大
• 初始投资高，但整个寿命期间的成本要比电池低
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Power density (IEC) = 6650X.48 = 1796 w/kg
Energy density = 2.36 Whr/kg
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巴士应用案例
巴士结构: 福特ULEV引擎 标准汽油 西门子ELFA电气驱动系统 电驱动配件 超级电容器包
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro"超级电容器具有功率密度高、低温特性好、充电时间短、使用寿命 长等特点，因此可将超级电容器应用在混合动力车上和电池配合，在起 动、加速、爬坡时提供瞬时峰值功率，延长电池的寿命；
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混合度模型
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小型乘用车应用
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2.7V 3000F单体参数
Capacitance:
3000F
Mass:
0.55公斤
Volume:
475毫升
Voltage:
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大巴/重型运输应用
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大巴用48V 165F模块参数
由18个3000法拉单体串联，配以平衡监控电路构成，不仅保证
2.7伏
ESR: Solving for Stored Energy:
0.29 milliohm E = ½ C*V 2
J = .5 X 3000 X 7.29 = 10935wsec (3.04 Whr)