張玉龍，王銀山，賈同國(guó)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222）

環(huán)境污染和能源緊缺使電動(dòng)汽車技術(shù)在世界范圍內(nèi)被高度重視，而超級(jí)電容器具有很高的功率密度，非常短的充放電時(shí)間，極長(zhǎng)的循環(huán)壽命以及高可靠性，因此，超級(jí)電容作為混合動(dòng)力改善蓄電池的動(dòng)力源有著廣闊的應(yīng)用前景，這將是未來電動(dòng)汽車開發(fā)的重要方向之一。

1 超級(jí)電容具有適用于混合動(dòng)力車的特性

超級(jí)電容壽命長(zhǎng)，持久力更強(qiáng)，如圖1，相比鉛酸電池超級(jí)電容充放電迅速，沒有化學(xué)反應(yīng)所帶來的污染，沒有蓄電池的記憶問題。超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于用作短時(shí)間的功率輸出源 ，而且它還具備比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)能有效地改善運(yùn)動(dòng)特性，顯示出了較突出的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在：提供優(yōu)越的動(dòng)力性能，能較好地滿足電動(dòng)汽車在起動(dòng)、加速、爬坡時(shí)對(duì)功率的需求。超級(jí)電容器高充放電效率持久的循環(huán)壽命非常適合用于制動(dòng)過程中能量回收再生。優(yōu)化貯能設(shè)備性能，超級(jí)電容器妥善解決了貯能設(shè)備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾［1］。超級(jí)電容具有極好的低溫性能，能在低溫情況下保持大電流充放電能力，有利于改善寒冷地區(qū)蓄電池電動(dòng)動(dòng)力使用狀況。超級(jí)電容器輔助性能，不僅可以用做混合能源電動(dòng)汽車的輔助動(dòng)力系統(tǒng)，還可用在汽車一些電器部件的自動(dòng)開關(guān)上。

超級(jí)電容的特性正好滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的特殊要求。利用超級(jí)電容瞬時(shí)高功率特性，避免了要求發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)和蓄電池提供瞬間大功率的不利影響，同時(shí)還可以對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，從而可以節(jié)約能源、減少排放污染，尤其適合經(jīng)常在城市行駛的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。靜電電容、超級(jí)電容和蓄電池性能比較見表1。

2 超級(jí)電容在混合動(dòng)力車發(fā)展中的應(yīng)用狀況

日本是將超級(jí)電容運(yùn)用于混合動(dòng)力上較早的國(guó)家，本田FCX燃料電池—超級(jí)電容器混合動(dòng)力車是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，在日本和美國(guó)加州上市時(shí)間早在2002年。第5代FCX采用超級(jí)電容器加燃料電池的電能供應(yīng)方式，這使FCX能快速達(dá)到較大的輸出功率，改善燃料電池車啟動(dòng)和加速性能，并縮短啟動(dòng)時(shí)間。同時(shí)由于超級(jí)電容器與燃料電池同樣具有軟特性［2］，取消了DC／DC變換器，降低了系統(tǒng)質(zhì)量。超級(jí)電容器電量不足時(shí)則由燃料電池帶動(dòng)電機(jī)利用輸出的多余電功率來補(bǔ)充。燃料電池組帶動(dòng)的超級(jí)電容器只提供車輛加速和爬坡時(shí)所需的峰值功率，同時(shí)制動(dòng)能量回收。在以內(nèi)燃機(jī)作主能源的混合動(dòng)力電動(dòng)車方面，日產(chǎn)汽車公司推出了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電容器的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車，由額定功率為152kW的CIDl發(fā)動(dòng)機(jī)和55kW的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝有日產(chǎn)公司開發(fā)的新型電容器“超級(jí)電力電容器（ECaSS）”，具有6.3kW的比功率，功率能量比高達(dá)80。該卡車使用384個(gè)單元組成三串，每串由28個(gè)1 500F 2.7V單元并聯(lián)，共583W·h。該車制動(dòng)能量的功效高于其他電池供電的混合動(dòng)力車。

表1 靜電電容、超級(jí)電容、蓄電池性能比較

美國(guó)加州早在20世紀(jì)90年代頒布零排放汽車近期規(guī)劃，普遍認(rèn)為超級(jí)電容汽車滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。瑞士等國(guó)也在超級(jí)電容的應(yīng)用方面做了一些研究，美國(guó)的Maxwell公司和Exide公司正聯(lián)合開發(fā)這種復(fù)合電源系統(tǒng)，用于卡車低溫起動(dòng)、中型和重型卡車、陸上和地下的軍用車，它在大電流以及高低溫條件下工作，都會(huì)有很長(zhǎng)的壽命。

在我國(guó)，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等也在開展電動(dòng)車用超級(jí)電容的研究開發(fā)工作，國(guó)家“十五”計(jì)劃“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)攻關(guān)中已將超級(jí)電容的開發(fā)列入發(fā)展計(jì)劃。目前國(guó)內(nèi)的北京、煙臺(tái)和上海已經(jīng)試驗(yàn)使用超級(jí)電容器動(dòng)力公交車。國(guó)內(nèi)廠商煙臺(tái)中上公司自主生產(chǎn)的超級(jí)電容器公交車一次充電行駛距離已經(jīng)可以達(dá)到12km，首次充電時(shí)間180s，中間站充電時(shí)間15～30s，最高行駛速度60km／h，最大爬坡度不小于25%，剎車工況下能實(shí)現(xiàn)能量再生回饋，運(yùn)行情況良好。中上汽車已研發(fā)出第三代超級(jí)電容器車，續(xù)航能力提升至25km，最高行駛速度70km／h，理論上已經(jīng)能夠滿足任何城市的公交要求。2010年上?！笆啦?huì)”穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的36輛超級(jí)電容器客車——高等級(jí)低地板“申科號(hào)”超級(jí)電容器車已吸引了眾多觀光者的眼球。

以發(fā)動(dòng)機(jī)為主，超級(jí)電容電源電機(jī)為輔的電機(jī)輔助控制策略是超級(jí)電容混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)的一種典型控制策略。主要設(shè)計(jì)思路如圖1所示。當(dāng)汽車起步時(shí)，速度低于所設(shè)定值，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車；當(dāng)車速達(dá)到所設(shè)定值，電機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車，富裕功率向超級(jí)電容充電；當(dāng)汽車在加速、爬坡及大負(fù)荷情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)整車；當(dāng)汽車在制動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，盡可能地回收能量。在此控制策略基礎(chǔ)上，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電機(jī)、傳動(dòng)比等均可相匹配地選定［3］。

圖1 超級(jí)電容混合動(dòng)力能源管理流程圖

混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、扭矩輸出控制精度差，而電機(jī)瞬間動(dòng)力驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快，扭矩輸出控制精度高，因此在啟動(dòng)、加速、爬坡的時(shí)候，可以較好地避開發(fā)動(dòng)機(jī)的低效率工作區(qū)和提高汽車的動(dòng)力性。基于超級(jí)電容的并聯(lián)式混合動(dòng)力公交車起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：起動(dòng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，沒有高的超調(diào)，過渡平滑，起動(dòng)性能良好。

在汽車工業(yè)中，城市公交車啟動(dòng)制動(dòng)頻繁，超級(jí)電容可以高效率地回收制動(dòng)能量并且輔助公交車啟動(dòng)。因此，超級(jí)電容獨(dú)有的特性非常適合用于制動(dòng)過程中的能量回收，而且成本較低，應(yīng)用前景廣闊。座位20的小型超級(jí)電容公交客車，重約2.5t，遇到紅燈停下，在這個(gè)過程中，運(yùn)動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化成電能并存儲(chǔ)到超級(jí)電容器中。開始剎車時(shí)車的時(shí)速為60km／h，使用了12s停止下來。如下面的計(jì)算所顯示的，產(chǎn)生了100.5kJ的剎車動(dòng)力，剎車中在25 V到46V之間，以充電電流196A存儲(chǔ)到了112F的電容中（假設(shè)能有效回收為30%的能量）。車的運(yùn)動(dòng)能E1＝0.5mv2，這里m＝2 500kg。開始剎車時(shí)的車速v＝60km／h＝16.67m／s。計(jì)算得E1＝335kJ。設(shè)有30%能量得到回收，則需要存儲(chǔ)的能量為E2＝E1×30%＝100.5kJ。超級(jí)電容儲(chǔ)存能量E2′＝0.5C（Umax2－Umin2）。充電開始時(shí)電容電壓Umin＝25V，充電結(jié)束時(shí)電容電壓Umax＝46V。這些值與汽車動(dòng)力單元提供的42V電壓的－40%／10%一致。取根據(jù)E2＝E2′經(jīng)計(jì)算得C＝140F。確定充電電流：Q＝C ×ΔU，I＝Q／Δt，這里C＝140F，Δt＝12s，ΔU＝21V，計(jì)算得I＝245A。需要超級(jí)電容參數(shù)為：電容112F，最高電壓為46V。它可按如下獲得：使用Maxwell單體參數(shù)為2 700F，2.5V的超級(jí)電容，把25個(gè)電容器串聯(lián)在一起。這些超級(jí)電容總重為16.5kg，體積為15L。如果用以上回收的能量使汽車起動(dòng)加速持續(xù)的時(shí)間是10s，超級(jí)電容的電壓從46V降到25V，放電電流是245A，則效率是70%，能提供的加速功率是14kW；如加速持續(xù)時(shí)間是20s，超級(jí)電容的電壓從46V降到25V，放電電流是546A，則效率是78%，能提供的加速功率是7.5kW。注意由于超級(jí)電容在充電過程中電壓越來越高，而制動(dòng)過程中輸出電壓是越來越低的，因此有必要設(shè)計(jì)升壓裝置，沒有升壓裝置，在制動(dòng)輸出電壓過小時(shí)，制動(dòng)能量是不能夠回收的［4］。

智能啟?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用為超級(jí)電容器提供了廣闊的舞臺(tái)，充分體現(xiàn)出超級(jí)電容器性能上的效率在汽車啟停系統(tǒng)中得到了絕好的應(yīng)用，汽車智能啟停控制系統(tǒng)的工作原理如圖2，大致如下：當(dāng)汽車在減速或短停車時(shí)，智能啟?？刂葡到y(tǒng)可暫停發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在電容器里；當(dāng)汽車再次前進(jìn)時(shí)，電容器則將剛剛儲(chǔ)存起來的電能瞬間輸出給智能啟停控制系統(tǒng)中的電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傳送帶，直接帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。這樣，整個(gè)啟停過程，汽車沒有油耗，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，其中，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電的儲(chǔ)能設(shè)備就是關(guān)鍵。因此，具有此特性的超級(jí)電容器成為汽車啟停系統(tǒng)的最佳選擇，也是智能啟停控制系統(tǒng)最重要的組成部分。

圖2 汽車智能啟?？刂葡到y(tǒng)工作原理圖

如哈爾濱巨容公司開發(fā)研制的電動(dòng)車用超級(jí)電容器組件在煙臺(tái)中上公司研制的電動(dòng)公交車上的應(yīng)用，在12km的公交線路上，共有48個(gè)車站，當(dāng)公交車?？寇囌緯r(shí)，超級(jí)電容元件在30s內(nèi)完成對(duì)公交車的充電。頻繁的制動(dòng)啟動(dòng)工況為超級(jí)電容智能啟停系統(tǒng)提供充分的發(fā)揮空間，此外，經(jīng)低溫啟動(dòng)試驗(yàn)，在－40℃仍可正常啟動(dòng)［5］，解決了北方地區(qū)的寒冷季節(jié)電車脫線后啟動(dòng)困難問題。上海奧威公司的一個(gè)項(xiàng)目成果超級(jí)電容和柴油機(jī)的油電混合動(dòng)力客車，擺脫了充電站的束縛，在啟動(dòng)、加速、爬坡超級(jí)電容與柴油機(jī)協(xié)同工作提供瞬時(shí)強(qiáng)勁動(dòng)力，減速、剎車時(shí)超級(jí)電容制動(dòng)能量回收，具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。

3 超級(jí)電容運(yùn)用混合動(dòng)力前景展望

超級(jí)電容的一致性檢測(cè)問題，超級(jí)電容的額定電壓很低，在應(yīng)用中需要大量的串聯(lián)。由于應(yīng)用中需要大電流充放電，而過充對(duì)電容的壽命有嚴(yán)重的影響，因此，串聯(lián)中的各個(gè)單體電容器上的電壓是否一致是至關(guān)重要的。如果能在超級(jí)電容器分組組裝前進(jìn)行一致性檢測(cè)，將充放電性能最接近的超級(jí)電容器分成一組，就能夠在很大程度上解決超級(jí)電容組的均壓?jiǎn)栴}［6］。與蓄電池相比，超級(jí)電容的能量密度偏低，尋找新的電極活性材料，提高超級(jí)電容器的能量密度成為超級(jí)電容的根本也是難點(diǎn)所在。但是，超級(jí)電容比能量低，且受科技發(fā)展水平的制約，其作為單一電源，受繼駛里程短的限制，適合運(yùn)用于電動(dòng)車短距離和路線固定的場(chǎng)所；比功率大可以在汽車啟動(dòng)時(shí)提供強(qiáng)大瞬時(shí)功率，改善電動(dòng)車啟動(dòng)瞬時(shí)功率特性；高充放電效率避免了傳統(tǒng)電池大放電電流、電池壽命短的缺陷，能量可以快速回收并瞬時(shí)釋放；超級(jí)電容混合動(dòng)力可以改善繼駛里程短并保持其獨(dú)有的特性，本文提到的智能啟?？刂葡到y(tǒng)就是其運(yùn)用于混合動(dòng)力車的一個(gè)強(qiáng)有力的切入點(diǎn)，將是超級(jí)電容應(yīng)用于混合動(dòng)力車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。介紹超級(jí)電容混合動(dòng)力車的顯著特點(diǎn)，分析超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略以及在此基礎(chǔ)上發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，并指出其優(yōu)點(diǎn)所在。具體設(shè)定一車型數(shù)字分析超級(jí)電容制動(dòng)能量回收的實(shí)際操作性和應(yīng)用價(jià)值，智能啟停系統(tǒng)便是充分發(fā)揮超級(jí)電容快速充放電特性的應(yīng)用之一。改善傳統(tǒng)汽車啟動(dòng)、加速、爬坡瞬時(shí)高功率輸出的問題，尤其能量回收再生系統(tǒng)不僅節(jié)約能源、提高能源利用率，還滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，相信隨著科技發(fā)展水平的不斷提高，終究會(huì)發(fā)揮其自身諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛發(fā)展運(yùn)用。

［1］尹安東，馮瑞，趙韓.基于超級(jí)電容的混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：481－484.

［2］張杜鵲，歐陽海，胡歡.超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用［J］.城市車輛，2009（5）：36－37.

［3］張輝，尹安東，趙韓.基于超級(jí)電容的并聯(lián)式混合動(dòng)力公交車［J］.汽車科技，2010（3）：38－41.

［4］Moreno，OrtuzarJ，M E，etc.Energy－manage mentsystem for a Hybride letrie vehicle，usingultra－eapacitor sandneural networks［J］.IEEE Transaetions on Industrial Eleetronics，2006，53：614－623.

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［6］張宇.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2010（1）：2－3.