超级电容器在汽车及混合电动汽车中的应用前景

汽车对大气环境造成很严重污染，使世界各国一直致力于研究开发和推广低排放或零排放汽车。车用内燃机燃料电控喷射技术的广泛应用，对降低汽车的排放起着划时代的作用。但电喷技术目前无法彻底解决内燃机启动和小负荷工况时油耗高、排放差的问题。电动车以其零排放的优点在市场上占有一定的份额，但是电池和充电设施不足以成为电动车发展的障碍。因此，一些知名的汽车公司如通用、福特、克莱斯勒、丰田、本田、日产等以成功地将动力同时采用内燃机和电动机电池组作为能源的混合电动驱动技术运用到汽车上，这种车称为混合电动汽车。混合电动汽车体现了电动汽车的高效率、低排放和内燃机汽车的长行驶里程、快速补充燃料的优点。目前，科研然员正致力于混合电动技术应用中的电池组、刹车能量回收、内燃机技术优化和如何降低成本等方面的研究。
一、混合电动汽车
目前，世界上研究最为活跃的是将超级电容器与电池连用作为电动汽车的能量系统。对汽车而言，实际上发动机是一种极大的浪费，仅有一小部分被充分利用。比如一辆2吨重的汽车，要满足其顺利启动、加速、爬坡、需功率为150KW，而当它以80Km/h速度运行时仅需5KW的功率就可以满足要求，这时大部分功率没有发挥作用，甚至只是起到污染空气的作用，如果仅用蓄电池驱动这样的汽车，要提供如此高的功率，对电池的要求将很苛刻，而且会造成60％以上的能量浪费。如果采用电池/电容驱动系统这个问题就可以迎刃而解了。
混合电动车中的超级电容器，其最大的优点，就是充分发挥超级电容器在低转数，大负荷情况下，能量基本不受损失，避开内燃机在低转速、大负荷；高转速、高负荷费油的状态下运行，使发动机永远在最佳状态下运行，即省了油，又减少了污染，混合电动车能节油30％~50％，减少污染70％~90％，就是这个道理。
1、 起步、加速阶段：转数低、负荷大、费油，我们用内燃机和电动共同驱动车辆。这时要用超级电容器向外放电。
2、 车辆正常行驶时，由内燃机单独驱动。
3、 在车辆处于低载荷工况时，内燃机驱动车辆行驶同时发电机开始工作向超级电容器和蓄电池充电，发电机的负荷使得内燃机工作在高效率区域。
4、 车辆再生制动时：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，刹车、停车、减速、下坡阶段，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启动、加速，可谓一举两得。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的，所需时间较长，但制动时间较短，因而回收能量效果不佳。超级电容独有的特性非常适合用于制动过程中能量回收，能吸收70％的动能，尤其城市公共交通，能节省大量的燃料，而且成本较低，应用前景广阔。
除了用于动力驱动系统、制动回收系统外，超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如，未来汽车设计使用的42V电系统（转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等），如果使用长寿命的超级电容，可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高。另外，还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线。
在德国巴伐利亚州政府的支持下，MAN 和Siemens 、EPSOS公司 合作建立了欧洲第一辆采用柴油－电驱动和双层电容器作为大功率 储能装置的城市公交车。与常规柴油机驱动的车辆相比，燃料消耗减 少10～15％，而且舒适性提高，噪音和污染减少。该研究项目将来会把超级电容用于燃料电池车的驱动系统中。
瑞士中心应用科学大学（HTA－Luzerne）自1992年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统—SAM（Super Accumulator Module），它是以超级电容和电池为基础组成的。并且在1997年开发的“蓝色天使”轻型混合动力车中仅使用超级电容组就拖动了瑞士联邦铁路公司的80t重的火车头。此项目还实现了储能系统完全由超级电容组成的16座4t的中巴车。
Nissan Diesel公司开发了一辆15t的“CNG＋C”串联式混合动力大客车（如图所示），续驶里程比常规CNG大客车提高了2.4倍。超级电容总重200kg，CNG发动机在最优效率点带动一个75kW的发电机工作。
另外，2003年本田公司的燃料电池轿车FCX-V3也采用了“FC＋C”的驱动结构。由于采用了超级电容器来存贮燃料电池生成的能源（以及刹车所回收到的能量），因此FCX在加速期间能获得强大的推动力。

意大利的Roma Tre大学在政府的资助下正在开展“FC＋B＋C”的研究工作。
2001年1月，GM宣布将使用Maxwell公司的PowerCacheTM超级电容，作为其针对卡车和巴士混合驱动解决方案——Allison Electric DrivesTM的一部分。
我国近两年也开发出了以蓄电池、燃料电池与超级电容器连用的电动汽车，并以开始了试运营阶段。

“CNG＋C ”15吨串联式混合动力大客车

二、改善现有汽车电池性能
蓄电池是汽车中的关键的电器部件，其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程中特别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流为：I=E/Rm+Rs+Rl
其中：E为蓄电池空载端电压，Rm为启动电动机的电枢电阻、Rs为蓄电池内阻、Rl为线路电阻。由于Rm、Rs、Rl均非常低，启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V！启动瞬时的电流达550A，尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电， 10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。汽车等车辆上使用的普通铅酸蓄电池约一、两年（或循环充放电500次左右）就要进行更换。使用不当的蓄电池寿命还会更短。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。因此，无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。
问题的解决方案可以加大蓄电池的容量，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。当内燃发动机起动初始最困难的时候，由超级电容器向起动机提供了强大的起动电流带动发动机转动；在蓄电池克服其内阻开始放电时，因为起动最困难的时候已渡过，发动机已经转动，起动负载变得很小，此时只需蓄电池提供较小的电流支持到发动机正常运转即可；尤其在提高汽车在冷天的起动性能（更高的起动转矩）上，超级电容器是非常有意义的，在零下20摄氏度时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。普通铅酸蓄电池的寿命一般可以延长一倍以上甚至更长达到3-5年；实际使用证明，即使蓄电池丧失了大电流放电能力，容量下降到原配蓄电池标称容量的 1/ 5 时还可以依靠超级电容器正常的启动车辆。
三、综上所述我们得出：
（一）、超级电容器比功率大，其特性是：充电时，充电量大，充电快；放电时，放电量大，放电快。在电动车辆运行时，起步快，加速快，爬坡有力，比铅酸电池大30多倍，这是电动车能用得上最重要的性能。
（二）、超级电容器比能量小，其特性是：同等重量超级电容器续驶里程，仅为铅酸电池的1/3，这是超级电容器一大缺陷。超级电容器续驶里程短，跑不远；但充电速度快，可以弥补续驶里程短的缺陷，补救的方法是：1、与燃料电池或蓄电池连用；2、在城市交通线路的两头建立充电站，这样超级电容器电动车的续驶里程，可以不受限制。
（三）、超级电容器是当前汽车蓄电池的好伴侣和保护神，也是绿色环保型高科技产品。当车辆安装了超级电容器，既为使用车辆带来了方便也减少了蓄电池的使用量，为中国大地也减少了一分铅的污染。用实际行动为中国的环保事业做出了贡献，为我们的子孙后代做了功德无量的好事。
所以，超级电容器作为一种快速储能元件，具备发动机和蓄电池的优点，单独使用不一定能满足设计者需要，但可以和其它储能元件联合起来使用，满足设计要求。北京申办2008年奥运会取得成功，其倡导的绿色奥运必将促进电动汽车的发展。在这样的背景下，大力开展超级电容器的研究是非常必要的。随着我们对超级电容器性能和结构的不断改善，超级电容器在今后必定会有一个非常广阔的发展空间。