新能源汽车超级电容器综述
新能源汽车超级电容器综述
超级电容器是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能装置，具有高功率密度、快速充电、长循环寿命等特点，在新能源汽车领域有着广泛的应用前景。本文将为您详细介绍超级电容器的工作原理、结构特点及其在汽车上的具体应用。
超级电容器的定义与工作原理
超级电容器是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它主要利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存。
超级电容的结构
超级电容电池是由电极、集电板、隔膜及电解液组成，如图所示。电极材料与集电板之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。
超级电容的工作原理
- 充电过程
充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子在固体电极上电荷引力的作用下从溶液体相中分离并分别移动聚集到两个固体电极的表面，形成双电层；充电结束后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。
- 放电过程
在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。
超级电容器的特点
超级电容器具有以下优点：
- 高功率密度：超级电容器的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍。
- 充电速度快：可以用大电流给超级电容器充电，充电10S～10min可达到其额定容量的95%以上。
- 工作温度范围宽：超级电容器能在-40℃～60℃的环境温度中正常工作。
- 循环寿命长：超级电容器具有至少十万次以上的充电寿命，没有“记忆效应”。
- 简单方便：超级电容器充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。
- 绿色环保：超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害化学物质，因而在生产、使用、储存及拆解过程中均没有污染，是一种新型的绿色环保电源。
超级电容器除了上述优点外，自身还存在以下缺点：
- 低能量密度：目前超级电容器可储存的能量比化学电源少得多。
- 低电压：超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。
- 高自放电：它的自放电速率比化学电源要高。
- 线性放电：超级电容器线性放电的特性使它无法完全放电。
超级电容在汽车上的应用
目前超级电容器被广泛应用到新能源汽车中，用作起动、制动、爬坡时的辅助动力。汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线变化很大，在城市路况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16 : 1，但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短，需要的能量并不高。对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言，这就意味着要么汽车动力性不足，要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流，这无疑会大大损害电池、燃料电池或其他辅助动力装置的寿命。如果使用比功率较大的超级电容器，当瞬时功率需求较大时，由超级电容器提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率，那么就可以减轻对电池、燃料电池或其他辅助动力装置的压力，从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出，而且可以高效地回收大功率的制动能量，这样做还可以提高电池的使用寿命，改善其放电性能。