1、武漢理工大學碩士學位論文超級電容蓄電池復合電源的研究與仿真姓名：張靖申請學位級別：碩士專業(yè)：車輛工程指導教師：過學迅20050501內(nèi)容摘要混合動力汽車已經(jīng)成為解決環(huán)境污染和能源短缺最具市場的車型。許多國家和政府部門、汽車公司和零部件廠商都投入巨資進行混合動力汽車的研究開發(fā)以及關鍵技術研究，目前已有多種產(chǎn)品問世。混合動力電動汽車的最大優(yōu)點就是可以利用車載電能儲存裝置對整車制動時的動能加以回收，這部分能量還可以用于汽車驅(qū)動，使整車燃油經(jīng)濟性提高。但由于受到電池性能因素的制約，使得攘車制動能量回收效能不佳，同時電池壽命有限，使得整車全壽命使用費用增加。電池技術成為制約混合動力汽車發(fā)展的關鍵技術。超

2、級電容是一種新生電源，具有充電迅速，效率和使用循環(huán)次數(shù)高，短時間內(nèi)放電能量高的優(yōu)點。國外已經(jīng)有越來越多的汽車廠把超級電容器作為混合動力汽車的儲能裝置。本文研究內(nèi)容作為解決混合動力汽車電源技術的初步探索，分析了蓄電池和超級電容組成的復合系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，并對其進行了仿真研究。本論文的重點是：提出復合電源的組成結構，在平臺上，建立超級電容和模型，以保護電池為原則，提出了復合電源的控制策略。第二章中分析了當前蓄電池的發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，介紹了超級電容的儲電原理以及在電動汽車上的應用現(xiàn)狀，提出了復合電源結構，優(yōu)勢和可行性；在第三章中，分析了目前各種電動汽車仿真軟件，著重介紹了自主仿真平臺；第四章和第五章中

3、，對復合電源各個組成元件：電池，電容，轉(zhuǎn)換器進行了分析并建立了相應模型，按照濾波思想提出了復合電源的控制策略；在第六章中，針對并聯(lián)混合動力整車構型方式，選定參數(shù)進行了仿真，對仿真結果進行了分析。對應用復合電源系統(tǒng)的并聯(lián)混合動力車進行了仿真研究，仿真結果表明，由于超級電容在汽車加速時釋放能量，制動時回收能量，避免了電池的大電流充放，對電池起到了保護作用，并具有提高制動回收能量的優(yōu)勢。關鍵詞：超級電容復合電源電動汽車仿真控制策略，：；武漢理工大學碩上論文第章引言電動汽車及電源的發(fā)展概況電動汽車發(fā)展概述電動汽車起源于十九世紀中后期的歐洲，從年英國人首次在馬車基礎上制造出一輛電動三輪車開始，十世紀初期

4、，電動汽車經(jīng)歷了一個較為快速的發(fā)展階段。年美國電動汽車占其汽車產(chǎn)量的，比燃油汽車的多。進入二十世紀，由于大量發(fā)現(xiàn)油田，石油開采提煉和內(nèi)燃機技術的迅速進步，電動汽車則由于電池技術進步緩慢，在性能、價格等方面都難以與燃油汽車競爭而逐步被燃油汽車所取代。到年以后，在美國公路上已看不到電動汽車了。上個世紀七十年代以來幾次石油危機喚起了人們對有限石油資源的關注，目前世界石油資源日趨緊張，石油價格始終居高不下。同時，年代以來，隨著全球經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和保有量急劇增加。這些燃油汽車所排放的廢氣造成空氣質(zhì)量日趨惡化。引起了世界各國，尤其是發(fā)達國家的普遍關注，自年代起，以美歐為主的一些西方國家開始制訂

5、并逐步執(zhí)行嚴厲的汽車尾氣排放標準。無排放或低能耗、無污染的綠色汽車開始成為人們關注的熱點，電動汽車又重新受到重視。各國政府和各大汽車企業(yè)都正在加緊開發(fā)低排放、低油耗的清潔汽車。各種新材料和新技術在電動汽車上不斷被開發(fā)應用，電動汽車進入了新的發(fā)展階段。電動汽車在廣義上可分為類，即純電動汽車）、混合動力電動汽車（）和燃料電池電動汽車（）。目前，這種電動汽車都處于不同的發(fā)展階段，面臨著不同的困難和挑戰(zhàn)。純電動汽車（，）是取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車、滿足零排放的最終選擇，但是目前電池的能量密度、充電時間、價格、壽命等問題仍未得到理想的解決，從而限制著純電動汽車的發(fā)展。近年來燃料電池汽車發(fā)展十分迅速，但在燃料電

6、池汽車起動、成本、氫能源的制備等方面仍存在一些急需解決的問題。同時由于燃料電池不可逆，單純使用燃料電池作武漢理工大學碩十論文為動力源。在制動和減速時無法實現(xiàn)能量回收。混合動力汽車將原動機、電動機、能量儲存裝置（蓄電池）組合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。當前，混合動力汽車的研究與開發(fā)已在世界范國內(nèi)出點向面地擴散，發(fā)展相當迅速。發(fā)達國家的許多研究成果已經(jīng)走出實驗室，并開始進入市場，如豐田的，本田的，已經(jīng)形成小規(guī)模批量生產(chǎn)。許多發(fā)展中國家也已開始籌集資金，組織科研力量進行可行性論證和關鍵技術的攻

7、關。我國是一個發(fā)展中國家，人口眾多、密集，勞動力成本較工業(yè)發(fā)達國家低很多，發(fā)展汽車工業(yè)有廣闊的國內(nèi)市場和極大的國際市場競爭力，是符合我國國情的。但是，我國汽車排放造成的大氣污染己不容忽視。特別是在大城市，據(jù)調(diào)查我國一些大城市的大氣中約的污染物來自汽車排放，多項大氣污染指標大大超標。我國石油資源比較缺乏，石油被認為是影響我國遠期經(jīng)濟發(fā)展短缺礦產(chǎn)資源的首位。我國汽車行業(yè)把眼光投向電動汽車，還考慮到了我國的電動汽車技術，起步相對不晚，距離世界電動汽車技術發(fā)展只有到年，在我國大力發(fā)展電動汽車，迎頭趕上世界先進技術，更好地搶占汽車工業(yè)的世界市場份額，促進國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展。年，科技部將電動汽車確定為“

8、十五”國家個重大科技專項之一，年月，電動汽車重大專項第一批課題正式啟動，個整車課題中混合動力占個，充分體現(xiàn)了國家對電動汽車發(fā)展的重視。電動汽車用電源的發(fā)展概況蓄電池作為電動汽車的動力源而成為電動汽車發(fā)展的關鍵，其主要性能指標是比能量（）、能量密度（）、比功率（）、循環(huán)壽命（）和成本（）等。能量密度決定了電動汽車一次充電的續(xù)駛里程，功率密度則決定了電動汽車的加速性能和最高車速，在某種意義說電動汽車的成敗首先取決于電池技術。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。美國三大汽車公司于年月成立先進電池聯(lián)合會，制定中長期研究開發(fā)先進電池技術性能指標，見表

9、。中期目標使電動汽車用動力電池在各項性能上有明顯提高，在年前實現(xiàn)動力電池的商業(yè)化；長期目標是動力武漢理工人學碩士論文電池在性能和價格上最終使電動汽車與燃油汽車具有競爭性。表蓄電池的性能目標性能指標比能量（放電率）（培。）能量密度（放電率）（）比功率（）（。）功率密度（矽上）使用壽命年循環(huán)壽命（）次中期（期望達到長期（）一（期望達到）價格（￥工作溫度充電時間巧快速充電時間一）效率（放電，充電），自放電，維護誤用電阻（、免維護允許，（月）熱損耗（高溫電池）（一。）到目前為止，電動汽車用電池經(jīng)過了代的發(fā)展，已取得了突破的進展。第代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池（），由于其比能量較高、價格低和能高

10、倍率放電，因此是目前唯一能大批量生產(chǎn)的電動汽車用電池。第代是堿性電池，主要有、和，等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。第代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽芰哭D(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的汽車用電池。目前阻礙燃料電池汽車走向市場的主要原因有成本，安全，布置，設備建設等問題。還有目前的燃料電池系統(tǒng)難以很快提供汽車啟動時牽引電機所需的大電流，制動能量不能回收，通常需要動力電池或超級電容來混合驅(qū)動。超容量電容器（）是近年來國際上出現(xiàn)的

11、一種新型元件一種高能量的儲能元件。超大電容容量是同等體積下的普通電容器容量的武漢理大學碩士論文倍，可從幾法拉到幾百法拉，放電電流可達幾千安培，能量密度高于傳統(tǒng)電容器近百倍，瞬時放電功率比蓄電池高十倍以上。充放電效率高，不需要維護和保養(yǎng)，壽命長達十年蛆上，同時工作溫度范圍廣，是一種介于傳統(tǒng)靜電電容器和化學電源之間的新型儲能元件。超容量電容器的比功率鎘鎳蓄電池數(shù)倍，壽命為鎘鎳蓄電池的倍，與一般蓄電池結合使用，可增強電動汽車加速及爬坡能力，并對蓄電池起保護作用，極有發(fā)展前途。目前，超容量電容器作為一種新型的儲能裝置，各國正加緊開展對它的研究。美國、日本已有商品問世，國內(nèi)也在組織研究。本課題研究的內(nèi)容

12、和國內(nèi)外相關研究現(xiàn)狀將超級電容作為輔助電源與動力電池組成聯(lián)合體共同工作，可以將蓄電池的高比能量和超級電容的高比功率的優(yōu)點結合到一起。讓電容器在電動汽車啟動和爬坡時快速提供大功率電流；在正常行駛時由蓄電池快速充電；在剎車時快速儲存發(fā)電機產(chǎn)生的瞬間大電流。這可以降低電動車輛對蓄電池大功率放電的限制要求，使系統(tǒng)同時滿足動力性、經(jīng)濟性的要求，并對蓄電池起保護作用，大大延長蓄電池循環(huán)使用壽命，提高電動汽車的實用性，極有發(fā)展前途。同時，復合電源中由于有了超級電容的加入，全部的能量或功率不是由一個部分來提供，不僅可以減少電池的使用數(shù)量，而且還可以優(yōu)化輸出能量，提高每個部分的工作效率，系統(tǒng)的尺寸和重量以及成本

13、都會有大幅度的降低。用蓄電池和超級電容器組成的復合電源系統(tǒng)可以使系統(tǒng)的能量利用率提高以上，降低廢氣排放。超級電容器與蓄電池組成的復合電源系統(tǒng)被認為是解決未來電動汽車電源問題的最佳途徑。因此本文將針對超級電容器與蓄電池的復合電源系統(tǒng)，從結構，模型，參數(shù)選擇等方面進行研究。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于超級電容技術的快速發(fā)展，世界各國的科技工作者都開始提高對這種技術的關注。國外許多研究機構已經(jīng)開展了超級電容和電容的聯(lián)合研究。鑒于現(xiàn)階段超級電容的價格依然十分很昂貴，但在預計在不久的將來就會有長足的發(fā)展。武漢理工大學碩士論文使用公司的鉛酸電池（，）和超級電容器（，）組成了電池超級電容的儲能器并進行了性能測試、在個

14、改變整個儲能系統(tǒng)的總質(zhì)量的前提下，模擬計算的結果顯示，對市區(qū)和郊區(qū)行駛工況可分別節(jié)能和，并且在完整的行駛循環(huán)條件下可節(jié)能。電力公司和豐田公司研發(fā)中心合作在上裝了超級電容器的混合儲能系統(tǒng)進行性能測試，該儲能系統(tǒng)使用的超級電容器（），用超級電容作負載均衡裝置使得閥控鉛酸電池可以更好地應用于電動汽車。在文獻【】和【】中將車的驅(qū)動系統(tǒng)擴展，以多輸入的轉(zhuǎn)化器連接動力電池，高峰值功率的超級電容和發(fā)動機發(fā)電機組。圖即為這種多輸入混合動力車的示意圖。額定功率，電壓的系統(tǒng)，由的發(fā)電機，、電池，的超級電容器組合而成。電池能以放電，超級電容能以放電。多輸入轉(zhuǎn)化器由單個額定電流為的門組合而成，連接到牽引電機的轉(zhuǎn)化器上

15、。驅(qū)動能量流的算法是：在發(fā)動機正常工作時實現(xiàn)最小燃油消耗，并使電池與電容的值維持平衡。除了能量流以外，還控制每個供能裝置的工作時間。發(fā)電機負責慢速響應，電池中速響應，電容快速響應。圖多輸入混合動力車在國內(nèi)，年北京理工大學與北方華德尼奧普蘭客車股份有限公司共同研制純電動旅游客車”。該車使用安裝了鋰離子電池組、超級電容儲能系統(tǒng)以及先進的多能源管理控制系統(tǒng)、交流驅(qū)動系統(tǒng)，已通過整車型式認證試驗，主要技術指標達到或超過預定要求。清華大學與多家單位共同承擔的武漢理大學碩論文國家燃料電池城市客車研制課題，采用的就是（燃料電池）（蓄電池）（超級電容器）結構。但國內(nèi)目前對蓄電池一超級電容組成的復合電源的設計及

16、控制基本還屬空白。復合電源系統(tǒng)的仿真研究概況近年來，許多實驗室都對超級電容的模型以及在混合電動車上與其它電源共同工作時的控制策略進行了研究與仿真。在現(xiàn)有的電動汽車仿真軟件中，很少有軟件涉及超級電容的仿真應用。在中雖已包含了超級電容器的仿真模型，但是此模型僅僅能作為電動車的唯一電源，不能實現(xiàn)對超級電容與其他電源部件聯(lián)合使用的仿真研究。在文獻中，介紹了超級電容的不同物理模型和相應的參數(shù)獲取方法。在文獻【】【】【】中介紹了復合動力源的仿真方法和有關結果分析。等人對超級電容加變化結構和其控制法策略作了仿真和試驗研究鶇。近期，等人在復合動力源的仿真及優(yōu)化方面作了不少工作，提出了復合動力源選型和基于的優(yōu)化

17、的一般方法。本文的主要工作和意義本文的主要工作是：）分析蓄電池和超級電容的特性，以及目前的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，研究與單一蓄電池相比，復合系統(tǒng)在充放電性能方面的優(yōu)勢。）分析介紹復合電源結構形式、控制策略，并在自主開發(fā)的仿真軟件的平臺上，對復合電源系統(tǒng)的各個部件及策略進行了建模。）分析了復合電源部件選型原則，進行復合電源系統(tǒng)設計，根據(jù)選擇的各部件的參數(shù)，對并聯(lián)整車模型進行了仿真分析。指出了復合電源系統(tǒng)混合動力汽車對電池的保護和提高制動回收能力方面所具有的優(yōu)勢。本文的意義是：在自主開發(fā)的電動汽車仿真軟件中建立了超級電容和變換器的模型，擬定了一種電源的控制策略，實現(xiàn)了應用復合電源整車系統(tǒng)的仿真，從仿真結果上證

18、實了應用復合電源系統(tǒng)的優(yōu)勢。為以后對超級電容和蓄電池并聯(lián)系統(tǒng)的仿真及優(yōu)化工作奠定了初步基礎。武漢理工大學碩士論文第章電動汽車電源特性分析目前有多種能量源可用于電動汽車，主要考慮的幾種類型為：可充電的電化學蓄電池簡稱為蓄電池）、燃料電沲、超級電容和超高速飛輪。其中，蓄電池、電容器和飛輪為能量存儲系統(tǒng)，通過外界的充電過程實現(xiàn)儲能，而燃料電池為能量生成裝置，電能通過化學反應產(chǎn)生。由于技術成熟、價格合理，蓄電池仍是目前和近期電動汽車能量源的主要選擇。目前，燃料電池和電容也引起足夠重視，顯示出良好的應用前景，成為電動汽車能量源選用的中期目標。就長遠來看，使用飛輪作電動汽車能量源也將成為可能。電動汽車對動

19、力電池的要求作為運載工具，汽車的運行工況復雜多變，因此電動汽車用能量源的動力電池，有著不同于普通電池的特殊要求：（）體積小、重量輕、貯存能量密度高，使電動汽車的一次充電續(xù)駛里程長；但）功率密度高，使電動汽車的加速性能和爬坡性能好：鰳能夠快速啟動和運行，可靠性高：（）循環(huán)次數(shù)高，使用壽命長；巧）環(huán)境適應性強，能在一定濕度下正常工作，抗振動沖擊性能好；印環(huán)保性能好，無二次污染，并有可再生利用性；（）維修方便，保養(yǎng)費用低；（）安全性好，能夠有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸；（外價格低，經(jīng)濟性好；（燃料儲存、處理和輸送方便，能夠利用現(xiàn)有的燃油加油系統(tǒng)。這些要求不僅是滿足電動汽車動力的需要，而且是讓

20、電動汽車能夠與燃油汽車相競爭。相對于純電動汽車，混合動力電動汽車對電源的要求有所區(qū)別。由于燃油發(fā)動機或燃油發(fā)電機在最大效率區(qū)經(jīng)濟運行，輸出功率相對穩(wěn)定，燃油（汽油或柴油提供了運行所需的大部分能量來源，而動力電池通過電機使具有更好的動力性和經(jīng)濟性，加速或爬坡時輸出能量，制動時存儲能量，要求具有武漢埋工大學碩士論文經(jīng)常性瞬時放電或充電能力，因此需具有適當能量的高功率電池或超高功率電池，相對而言，對容量的要求卻不高，另外，電池放電循環(huán)要遠遠高于電池，一般要求循環(huán)壽命指標在萬次。目前，世界各國都在加緊研究各類先進的能量存儲技術，開發(fā)各種高比能量，）、高比功率（，）、長循環(huán)使用壽命、價格低廉并具有良好的

21、工作環(huán)境溫度、自放電性、使用安全性和無污染等優(yōu)點的動力電池。電動汽車用蓄電池現(xiàn)狀目前，蓄電池依然是電動汽車和混合動力電動氣車的首選電能儲存裝置。按照電極與電解液的不同，目前應用于電動汽車的莆電池為五個種類，如表所示：表蓄電池分類分類鉛酸電池鎳基電池子類金屬空氣電池鈉電池地心“常溫鋰電池鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池已有多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源它也是成熟的電動車輛蓄電池，目前約有的采用率。它可靠性好、原材料易得、價格便宜。鉛酸電池比能量約為，比功率約為。比功率基本上能滿足驅(qū)動車輛的動力性要求。但它有兩大缺點：一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，

22、使用成本過高。鎳鎘電池目前鎳鎘電池的應用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池，其比能量可達，武漢理工大學碩十論史比功率超過，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達到多次，但價格為鉛酸蓄電池的倍。它的初期購置成本雖高，但由于其在使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬造成成環(huán)境污染。鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池和鎳鎘電池一樣，也屬于堿性電池，其特性和鎳鎬電池相似，不過鎳氫電池不含銹、銅，不存在重金屬染問題。鎳氫電池比能量達比功率達，循環(huán)使用壽命超過次。這種蓄電池曾裝在幾種電動汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛。有一輛車一年中行駛了萬多公里。估計隨著

23、鎳氫蓄電池技術的發(fā)展，其比能量可超過，循環(huán)使用壽命可超過次。通用汽車公司己把它作為今后幾年優(yōu)先考慮動力蓄電池。但是價格昂貴成為鎳氫電池快速發(fā)展的障礙。鈉硫蓄電池鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車電池，美國福特汽車公司的電動汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國先進電池聯(lián)合體（）列為中期發(fā)展的電動汽車蓄電池，德國公司生產(chǎn)的型鈉硫蓄電池，其質(zhì)量為，比能量達，循環(huán)使用壽命次。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴熏，電池壽命較短。性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問題。金屬空氣電池金屬空氣電池組雖然比能量高達，但是其比功率小，僅為。，將其用于電動汽車，車輛的加速性能不好。同時它們不能回收能量，無法實現(xiàn)再生制動。

24、鋰離子電池鋰離子電池是年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池。其優(yōu)點是比功率和比功量高，比功率達，比能量達，是當前比能量最高的蓄電池。年，索尼公司又開發(fā)成功用于電動車的鋰離子蓄電池，共分兩種類型。一種是用于純電動車容量為的圓柱形單體電池，只串聯(lián)成一個電池模塊；另一種是用于混合動力車，容量為，只串聯(lián)成電池模塊，其輸功率為前者的倍。用于純電動車的電池稱為高能型鋰離子蓄電池，用于混合動力車的電池稱為高功率型鋰離子電池。高能型電池已于年裝在日產(chǎn)汽車公司開發(fā)的第一輛鋰離于電動汽車上（日產(chǎn)），在北武漢理工大學碩士論文京第一屆國際電動車展覽會上展出。各類動力蓄電池的優(yōu)缺點和技術發(fā)展?jié)摿θ绫硭荆罕硇铍?/p>

25、池的優(yōu)缺點和技術發(fā)展?jié)摿﹄姵仡愋统褂弥饕膬?yōu)缺點技術成熟，成本低廉，可實現(xiàn)快速充電、比功率高比能量低發(fā)展?jié)摿谀繕藵摿薮蠼谀繕思夹g成熟、可實現(xiàn)快速充電、比功率高成本高、比能量低比能量高，壽命長潛力大中期目標潛力低中期目標潛力大維護困難比能量高、比功率高、成本低。循環(huán)壽命短比能量高，比功率高、可實現(xiàn)快速充電成本高近期目標潛力巨大中期目標，機械式充電成本低廉，非常高的比能量比功率低，不能接受再生能量潛力巨大中期目標潛力低中期目標機械式充電、成本低，非常高的比能量非常低的比功率，不能接受再生能量比能量高，比功率高成本高，安全問題，需要熱能量管理比能量高潛力一般中期目標潛力大中期目標潛力大成本

26、高，需要熱能量管理系統(tǒng)非常高的比能量，高的比功率低溫性能差非常高的比能量，非常高的比功率成本高聚合物中期目標潛力巨大從表中不難看出，每種電池都各有利弊，沒有任何一種電池能夠同時達到的各項指標。但通過比較分析，可以發(fā)現(xiàn)、和的性能基本滿足近期要求，具有極大的潛力。因為鉛酸電池已有多年的歷史，技術比較成熟、成本低廉、可靠性好，仍將得到廣泛的應用，而電武漢理工夫?qū)W碩士論文池基本上已被電池代替，電池性能比較優(yōu)越，也具有很大的吸引力。、和電池的技術參數(shù)比較接近中期目標，其中電池也是近期普遍看好的電動汽車電池，而電池的比能量、放電率、充放電壽命及密封性均可以滿足制定的中期目標。因此，只要能采用廉價材料，電動

27、汽車用電池盛能獲得長足的發(fā)展，目前關鍵是要降低批量化生產(chǎn)的成本、提高電池的可靠性、一致性及壽命。實際上較為適合應用于電動汽車且已經(jīng)商業(yè)化和成熟的蓄電池技術仍舊是鉛酸電池。美國新近開發(fā)的水平鉛酸電池的比功率和比能量均超過了常規(guī)鉛酸電池，循環(huán)壽命也比普通鉛酸電池長。目前，蓄電池作為汽車的動力源或輔助動力源存在有以下幾個方面的缺陷：二次電源在寒冬臘月的工作性能較差，給使用著帶來諸多不便；二次電源的有限循環(huán)壽命，增加了使用者更換電源的費用：廢舊電源的環(huán)保問題。最重要的是不能滿足混合電動車短時間功率的要求，例如加速、剎車能量回收以及冷啟動。以鋰離子電源為例，從上面的表格可以知道，鋰離子電源的比能量很大，

28、但充放電電流很小，不能滿足短時間內(nèi)大電流充放的要求，一旦用于混合電動車，只能為汽車勻速駕駛提供功率，這樣使用就不會影響鋰離子電源的壽命，同樣它也就很難回收剎車時的能量，難于滿足車迷對車加速性能的要求。如果想通過增加電源的個數(shù)來彌補功率，勢必增加混合電動車的費用，同時，大電流充放還會影響電源的壽命，例如，在的放電深度（）下，作峰值功率循環(huán)，鉛酸電源只有次壽命，電源也只有次壽命，而對一輛汽車而言，像這種情況，一般可達幾十萬次以上。如果在混合電動車上用鉛酸電源或者用電源的話，一到二年的費用大約是美元到美元。超級電容原理及特性超級電容器的儲電原理超級電容是近期發(fā)展起來的一種新型儲能元件，它即像靜電電容

29、一樣具有很高的放電功率，又像電池一樣具有很大的電荷儲存能力，使得這兩神元件之間找到了一個最佳的結合點。由于其放電特性與靜電電容更為接近，所以仍然稱之為“電容”。目前超級電容器的名稱尚不統(tǒng)一，有超級電容器（），武漢理工大學碩士論文超電容器（）、電化學電容器但），超大容量電容器等名稱，也有稱為雙電荷層電容器（，）或雙電層電容器（，）的。從儲電原理上，超級電容器可以分為兩類：）雙電層電容雙電層電容器是基于高比表面積碳材料與溶液問界面雙電層原理的電容器。它可以用的雙電層模型來說明。該模型認為電極表面的靜電荷從溶液中吸附部分不規(guī)則分配的離子，它們在電極溶液界面的溶液一側(cè)離電極一定距離排成一排，形成一個電

30、荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的晃面層（如圖）。由于界面上存在位壘，兩層電荷都不能越過邊界彼此中和，這樣充電界面由兩個電荷層組成，一層在電極上，另一層在溶液中，因此稱為雙電層。這是一種靜電型能量儲存方式。電容器總電容為正負兩極電容串聯(lián)的結果。吼竹無外加電源電壓有外加電源電壓圖雙電層電容原理圖解）法拉第準電容法拉第準電容的電極中包含二維（如：或一些金屬（、）或準二維（如：多孔過渡金屬氧化物（如、）材料，在充放電過程中，電極表面的發(fā)生電沉積或氧化還原過程。這種電容的儲能方式不再是單純的物理儲能，而是與電池一樣發(fā)生了法拉第電荷傳遞的電化學變化過程。但是其充放電卻具武漢理工大學頒論文有電容

31、特性：兩極電位與電極上施加或釋放的電荷幾乎呈線性關系；如果該系統(tǒng)電壓隨時間呈線性變化，則產(chǎn)生恒定或幾乎恒定的電流，因此也叫電化學電容。法拉第準電容不僅發(fā)生在電極表面，而且可深入電極內(nèi)部，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。相同電極面積下，法拉第準電容可以是雙電層電容量的倍。實際上對于雙電層電容器而言，其電極材料也并非局限于碳材料，而且或多或少的會有電化學反應；另外二維、準二維材料也有很大部分雙電層容量，二者界限并不是非常明晰。現(xiàn)在超級電容這個名稱己廣為采用，許多文獻都沒有對這個概念加以嚴格區(qū)分。超級電容的性能特點與電池相比，超級電容具有許多電池無法比擬的優(yōu)點：（）有非常高的功率密度。

32、圖顯示了各類蓄電池和超級電容的比功率比能量對應關系，從圖中可以看出，超級電容的功率能量比值遠遠高于普通蓄電池。其功率密度可為電池的倍，可達到左右。可以在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個特點使得電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。圖各種儲能原件的功率能量特性（）充電速度快。超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或電極物質(zhì)表武漢理工大學碩士論文面的快速、可逆的電化學過程，可采用大電流充電，能在幾十秒至幾分鐘內(nèi)完成充電過程，是真正意義上的快速充電。電容的電壓與電流不互相關聯(lián)，也就是在任何荷電狀態(tài)值處，超級電容器都可以以滿電流方式放電。）循環(huán)壽命長，半永久性使用無需更換。超級電容器充放電過

33、程中發(fā)生的電化學反應具有很好的可逆性，不易出現(xiàn)類似電池中活性物質(zhì)的晶型轉(zhuǎn)變、脫落、枝晶穿透隔膜等引起的壽命終止的現(xiàn)象，碳基電容器的理論循環(huán)壽命為無窮，實際可達萬次以上，比電池高倍。似）效率高。由于電容的內(nèi)阻非常小，一般只有幾個，所以電容的充電過程與放電過程基本是可逆的，庫侖效率可以達到以上。低溫性能優(yōu)越。超級電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進行，所以容量隨溫度盼衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達。）佰）控制簡單，由于電容電量可以由電壓來反應，電容的控制可以通過簡單的電壓控制來實現(xiàn)。綠色環(huán)保：超級電容所使用的為無污染材料，所以它為綠色環(huán)保產(chǎn)品。）表超級電容器和

34、靜電電容器及電池的特性比較靜電電容放電時間充電時間超級電容鉛酸電池。，。，巧能量密度（）功率密度（）循環(huán)效率（）循環(huán)壽命（次）加），加一超級電容的產(chǎn)業(yè)化情況由于超級電容優(yōu)良的充放電性能，超級電容器與電池聯(lián)用作為電動汽車的動力系統(tǒng)已被公認為是解決電動汽車推動問題的最佳途徑，因此各國都非常重視超級電容的發(fā)展。美國能源部和從年組織國家實驗室（，武漢理工大學磺士論文，）、大學（）和工業(yè)界（，），推出電動汽車用超級電容的可行性研究計劃，近期目標（到年是實現(xiàn)能量密度和功率密度，中期目標是實現(xiàn)能景密度和功率密度，長遠目標是實現(xiàn)能量密度和功率密度。美國三大汽車巨頭成立（）機構，專門主持的研究與開發(fā)。到目前為止

35、，超級電容技術尚未按進度達到要求，如表。表超級電容技術現(xiàn)狀和目標項目計劃年生矩矩功率比能量（“）比能量（脅啦）比能量（砰協(xié)叮）循環(huán)壽命巧，成本（缸。）從年初，歐盟開始超級電容的研究計劃，由公司領導項目，其成員有，和。歐盟超級電容研究計劃的目標是：達到比能量，；比功率，；循環(huán)壽命超過萬次；滿足電化學電池和燃料電池電動汽車要求；為工業(yè)開發(fā)做準備。日本政府部門推選的新太陽能規(guī)劃（）吸引了很多高新技術參加，超級電容的研究與開發(fā)是重要項目之一。俄羅斯在電容研究方面也處于世界前列。目前，在超級電容器產(chǎn)業(yè)化方面，美國、日本、俄羅斯的超級電容器產(chǎn)品在功率、容量、價格等方面各有自己的特點與優(yōu)勢。美國公司的系列產(chǎn)

36、品體積小、內(nèi)阻低、長方體形結構，產(chǎn)品一致性好，串并聯(lián)容易，但價格較高；日本的公司、松下公司、公司均有系列超級屯容器產(chǎn)品其產(chǎn)品多為圓柱體形，規(guī)格較為齊全，適用范圍廣，在超級電容器領域占有較大市場份額；俄羅斯公司對超級電容器已有年的研究歷史，該公司代表著俄羅斯的先進水平，其產(chǎn)品以大功率超級電容器產(chǎn)品為主，適用于作動力電武漢理工人學碩士論文源，且有價格優(yōu)勢。此外，法國公司，澳大利亞公司、韓國公司等也都在加緊電動車用超級電容器的開發(fā)應用。國內(nèi)在超級電容技術研究及與國外合作方面也取得了很大的進步，主要廠家有中國錦州錦容電容器、北京集星電子科技有限公司及哈爾濱巨容電容器大慶華隆電子有限公司是首家實現(xiàn)超級電

37、容器產(chǎn)業(yè)化的公司，其產(chǎn)品有、等系列；其中錦州錦容電容器廠為一汽解放牌混合動力客車用超級電容器，單體電容已經(jīng)達到、，能量密度蘭，功率密度已經(jīng)達到，內(nèi)阻至，最大工作電流。年月，北京金正科技有限公司和石家莊開發(fā)區(qū)高達科技開發(fā)有限公司共同開發(fā)成功大功率超級電容器產(chǎn)品，已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，其技術水平已與俄羅斯相近。但從整體上來看，我國在超級電容器領域仍明顯落后于世界先進水平。北京申辦年奧運會取得成功，其倡導的綠色奧運必將促進電動汽車的發(fā)展。在這樣的背景下，大力開展超級電容的研究是非常必要的。深入開展基礎理論研究和實際應用研究，早日研制成功實用化的超級電容器，用于各種場合的需要，將會具有非常犬的社會效益和現(xiàn)

38、實意義。超級電容在電動汽車上的應用情況由于超級電容的優(yōu)越性能和近年來超級電容開發(fā)能力的提高，目前世界各國爭相研究，并越來越多地應用到混合動力汽車上。超級電容已經(jīng)成為混合動力汽車電源發(fā)展的新趨勢。日本日本可謂是將超級電容應用于混合動力電動汽車上的先驅(qū)。超級電容器是近年來日本電動車動力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領域之一。其中最值得一提的是。本田的燃料電池一超級電容混合動力車是世界上最早實現(xiàn)商品化的燃料電池轎車。該車已經(jīng)在年在日本和美國的加洲上市。第代采用了新型質(zhì)子交換膜形式的燃料電池模塊，電容所用的零部件數(shù)量減少為原來的一半，功率密度（功率，容積、功率重量的比例）卻比原來提高了倍以上，這種技術所生產(chǎn)電容在世

39、界上是首屈一指的。由于采用了新開發(fā)的芳香型電解質(zhì)膜，使電容實現(xiàn)了在零下到零上范圍內(nèi)的武漢理工人學磺上論文正常工作。用超級電容加燃料電池的電能供應方式能夠讓迅速達到一個較大的功率，彌補了燃料電池車啟動和加速性能差的缺點，測試結果表明啟動時間由原來的縮短到。同時由于超級電容與燃料電池同樣具有軟特性，結構中取消了變換器，減低了系統(tǒng)重量。圖表示的是該燃料電池車內(nèi)部能量流動情況，車載空調(diào)系統(tǒng)是由燃料電池組帶動的，超級電容只提供車輛加速和爬坡時所需的峰值功率，同時回收車輛剎車時的回饋能量，電量不足時則由燃料電池帶動電機利用輸出的多余電功率來補充。表為該車的結構參數(shù)表。圖表配置結構形式超級電容單體超級電容模

40、塊串聯(lián)電電混合及內(nèi)部能量流動示意額定容量內(nèi)阻體積重量個單體串聯(lián)兩組串聯(lián)最高電壓最大輸入輸出功率每組鉀總體在以內(nèi)燃機作主能源的混合動力電動車方面，日產(chǎn)汽車公司于年月日生產(chǎn)了安裝有柴油機、電動機和電容器的并聯(lián)混合動力卡車，如圖）所示，圖（）為該車的布置。（）圖日產(chǎn)公司噸混合動力卡車武漢理工大學碩士論文該車是基于日產(chǎn)柴油機汽車公司噸級的卡車設計而成，由額定功率為千瓦的發(fā)動機和千瓦的永磁電機驅(qū)動，安裝有日產(chǎn)公司開發(fā)的新型電容器“超級電力電容器（）”，具有千瓦的比功率，功率能量比高達。在汽車啟動時使用電動機，在汽車時速穩(wěn)定時使用柴油機。該卡車使用個單元組成三串，每串由個法伏單元并聯(lián)，共瓦時。該車制動能量

41、的功效高于其它電池供電的混合動力車。與日產(chǎn)柴油機汽車公司以往生產(chǎn)的柴油機汽車相比，該混合動力卡車可減少燃料成本，減少二氧化碳排放量，減少氧化氮排放量。表為該車與原型車對比結果。表經(jīng)濟性實驗結果（工況，半負荷）柴油卡車燃油經(jīng)濟性整車效率（）回收效率（）混合動力卡車裝備電容的混合動力電動公交車已經(jīng)成為日本國家的攻關項目。由于城市工況下，串聯(lián)布置更加高效，日產(chǎn)尼桑公司推出的噸天然氣超級電容串聯(lián)混合動力客車。圖為該車布局形式，發(fā)動機與發(fā)電機組成的電力系統(tǒng)和超級電容系統(tǒng)分別帶動一個電動機，可以分別或者同時驅(qū)動后軸。該車得燃油經(jīng)濟性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的倍。×抽圖日產(chǎn)超級電容串聯(lián)混合動力客車歐美

42、瑞士的研究所按照峰值功率給一輛千瓦的燃料電池車安裝了一個瓦時的超級電容。為了當功率波動大時，如啟動和減速時，電容協(xié)助燃料電武漢理工大學頇十論文池工作以優(yōu)化汽車效率。該車的結構示意圖如所示。超級電容承擔驅(qū)動系統(tǒng)在減速和啟動時的全部瞬態(tài)功率。超級電容在燃料電池瞬態(tài)間隙期間，以千瓦的秒額定脈沖功率工作。牽引電機額定的連續(xù)功率為千瓦，峰值功率為千瓦，直流。以大眾實驗車負載作燃油消耗實驗，油耗少于升。類似重量的系列，油耗則為：升。當啟動時，超級電容以瞬時脈沖功率限放電，當燃料電池功率上升到一個穩(wěn)定值時，超級電容的功率非線性衰減。圖瑞士的研究所實驗車年俄羅斯的公司就已研制出了采用純電容器作電源的電動汽車樣

43、品，采用個電容串聯(lián)，可載人，充電一次可行駛，時速，該車已運行年。美國在超級電容混合動力汽車方面研究也取得了一定進展，美國公司所開發(fā)的超級電容器已在各種類型電動車上都得到良好應用。美國研究中心與工業(yè)和學術界合作研發(fā)的先迸的混合動力客車，該車結構形式為并聯(lián)，采用了超級電容作為主要的能量存儲系統(tǒng)。中國年月我國首部“電容蓄能變頻驅(qū)動式無軌電車”上海張江投入試運行。該公交車利用超級電容比功率大特點和公共交通定時停車的特點，在電車停靠站時秒時間快速充電，充電后就可持續(xù)供能，時速可達公里。而且對制動能量可再生回收，其節(jié)能達。今年一月上海交通大學與山東煙臺市目前簽署協(xié)議，共同投資開發(fā)超級電容公交電車，在煙臺福

44、山區(qū)建一條公里示范線，在福山高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)建立年產(chǎn)萬輛新型環(huán)保超級電容公交車生產(chǎn)基地。武漢理大學碩論文同年，由哈爾濱工業(yè)大學研制的混合動力電動汽車使用超級電容作為輔助電源，實現(xiàn)油電混合，可實現(xiàn)節(jié)油一半。據(jù)悉，哈爾濱市將把此項技術應用在超級電容公交車的研制上，有望在年前投入生產(chǎn)和使用。復合電源系統(tǒng)及其結構蓄電池的比能量和比功率的還不能達到電動汽車的一般要求，而盡管超級電容有著如此眾多的優(yōu)點，過低的比能量卻超級電容成為電動汽車能量源的致命障礙。單選蓄電池和超級電容任何一種能量源，都不能滿足高比能量和高比功率的要求，難于單獨用作電動汽車的能源。復含電源的系統(tǒng)優(yōu)勢我們知道汽車行駛時頻繁啟動和停車，使得

45、功率的需求變化很大。，一輛高性能的汽車的峰值功率與平均功率之比達到：。用于加速和爬坡時所消耗的能量占到總能耗的。比如一輛重噸的汽車，要滿足其順利啟動、加速、爬坡需要功率為，而當它以的速度運行時僅需的功率就可滿足要求，這時大部分儲備功率沒有發(fā)揮作用。如果僅用蓄電池驅(qū)動這樣的汽車，要提供如此高的功率，對電池的要求將很苛刻，而且會造成以上的能量浪費。而如果采用超級電容，那么在同樣的重量下，遠遠不能滿足汽車的續(xù)駛里程的要求。為了解決電動汽車續(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以考慮綜合運用兩種儲能系統(tǒng)的優(yōu)缺點，采用兩套能源系統(tǒng)的復合能源。超級電容與一次電源并聯(lián)使用。一次電源（主電源）的大小可滿足車輛連續(xù)平均功率的要求來選擇，超級電容用來對付起步、加