超級電容的機理與特點

超級電容是近期發展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈動功率的物理二次電源，它與常規電容器不同，其容量可達數萬法。超級電容按儲能機理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產生的雙電層電容;②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發生氧化還原反應而產生可逆化學吸附的法拉第電容;③由導電聚合物作為電極而發生氧化還原反應的電容。

由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環次數高，充電過程快，因此比較適合在電動車中應用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置，其原理結構如圖l所示。當向電極充電時，處于理想化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于超級電容與傳統電容相比，儲存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個超級電容單元的電容量就高達幾法至數萬法。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達蓄電池的50～100倍，可達到10kW/kg左右，這個特點使超級電容非常適合于短時大功率的應用場合。

超級電容具有極其優良的充、放電性能，在額定電壓范圍內，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時則可以放出所存儲的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級電容還具有不污染環境及機械強度高、安全性好(防火、防爆)、使用過程中免維護、使用壽命長(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～ 45℃)等優點，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統較為穩定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。

純超級電容電動車

直接以超級電容作為電動車的惟一能源，此方法結構簡單、實用、成本低，而且實現了零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區域，例如火車站或者飛機場的牽引車、學校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動公交車等。

復合電源電動車

超級電容與蓄電池、燃料電池等配合可以組成復合電源系統，但燃料電池因為成本較高，現在還不能得到實際應用。因此，國內外對超級電容一蓄電池復合電源系統的研究更多，其拓撲結構概括如圖2所示。圖2a結構最簡單，但由于沒有DC/DC變換器，蓄電池和超級電容將具有相同的電壓，以致超級電容僅在蓄電池電壓發生快速變化時輸出和接收功率，從而減弱了超級電容的負載均衡作用。圖2b與圖2c都采用了雙向OC/OC變換器，圖2b中雙向DC/DC跟蹤檢測蓄電池的端電壓，以調控超級電容的端電壓使兩者匹配工作。由于蓄電池端電壓的變化比超級電容的端電壓平緩，因此對于DC/DC，圖2b比圖2c易于控制。圖2d理論上雖然具有更高的靈活性，但對DC/DC的控制策略要求非常精確復雜且不易維護。

復合電源系統的控制策略

1、速度約束控制策略

當車輛起步時，超級電容中應當儲存較多的能量，需要超級電容放電，保證電動車的加速性能，而當車輛在高速行駛的情況下，超級電容應當儲存比較少的能量，以便在制動過程中接收較多的能量。超級電容儲存的能量與其端電壓的平方成正比，由于超級電容的端電壓變化范圍比較大，因此放電時如何控制其放電深度，以備在行駛過程中二次放電或進行再生制動回收充電，但需要在實驗中反復進行測試才能獲得。

2、電流約束控制策略

電動車在行駛過程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負載電流變化比較大，當負載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時，為了避免電池組過放電或過充電，需要由超級電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態，延長其使用壽命。電池組的工作電流為：

為了避免過大的回饋電流對蓄電池造成損害，可采用恒定充電電流的制動方式，即以蓄電池充電電流為被控對象。這是一種比較實用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統的電動車。由于蓄電池電壓在再生制動過程中不會發生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會太大。在超級電容一蓄電池復合電源系統中，由于超級電容端電壓在單次再生制動過程中就會發生很大的改變，隨著制動過程中超級電容端電壓的上升和電機反電動勢的下降，電樞電流將急劇上升，有可能對功率器件甚至電機造成損害，因此對超級電容充電時可采用恒功率的策略，即對再生制動過程中超級電容的充電功率進行控制。

在超級電容電壓低的時候，采用大電流充電，當電容電壓上升時，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統器件保護。

3、綜合控制策略

采用速度約束控制策略可使車輛的動力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時蓄電池的電流可以工作在規定的范同內，對蓄電池有保護作用。這2種控制策略各有優缺點，采用綜合控制策略。即將速度約束控制策略和電流約束控制策略進行綜合應用，可以兼顧它們的優點，既能對蓄電池起到保護作用，延長電池的使用壽命，又能提高整車的動力性能。