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超级电容在电动汽车上的应用总结

核心内容

超级电容作为一种新型储能装置，正在电动汽车领域发挥越来越重要的作用。它具有高功率密度、快速充放电能力、长循环寿命、高安全性等优点，能够有效回收制动能量，提升车辆的能效与环保性能。尽管其比能量较低，但通过与蓄电池的协同使用，可以优化电动汽车的整体性能。

主要观点

• 超级电容的优势：相比传统蓄电池，超级电容具有更高的功率密度（可达数 $\mathrm{kW/kg}$）、更长的充放电循环寿命（可达 500000 次或 90000 小时）、更短的充电时间（10~12 分钟即可充满）、更宽的工作温度范围、以及更高的安全性（无毒材料）。
• 超级电容的应用场景：主要用于制动能量回收、启停系统、电压稳定、辅助启动、提升动力响应等，尤其适合城市工况下的频繁启停和制动回收。
• 超级电容的机理：基于电化学双电层理论，超级电容通过电极表面形成双电荷层来储存电能，具有极高的电容量和快速的充放电能力。
• 超级电容的参数：包括工作电压、充放电电流、时间常数、等效串联电阻（ESR）、放电容量、存贮能量、放电效率等，这些参数对超级电容的性能和使用效率有重要影响。
• 超级电容与蓄电池的配合：超级电容可以快速吸收和释放制动能量，而蓄电池负责长期储能，两者结合可以有效提升电动汽车的续航能力和能量利用效率。
• 仿真分析：通过 ADVISOR 软件对纯电动汽车进行仿真，验证了超级电容在制动能量回收、SOC 变化、电机输出特性等方面的表现，结果与实际试验基本吻合。

关键信息

超级电容器的机理与特点

• 机理：超级电容器利用活性炭粉与活性炭纤维作为电极材料，与电解液接触面积大，形成双电层电容，从而实现高容量储能。
• 特点：
  • 高功率密度：输出功率密度可达数 $\mathrm{kW/kg}$，是蓄电池的数十倍。
  • 长循环寿命：可达 500000 次或 90000 小时，远超蓄电池。
  • 大电流充放电：可提供高达 950A 的额定放电电流，1680A 的峰值放电电流。
  • 长贮存寿命：理论上可视为无限，无化学反应导致材料老化。
  • 高可靠性：无运动部件，维护少，可靠性高。
  • 比能量低：比能量较低，限制了其在长续航方面的应用。
  • 快速充电：可在 10~12 分钟内完成全充，适合频繁启停场景。

超级电容主要参数及充放电时间常数的确定

• 主要参数：
  • 工作电压、充放电电流、时间常数、等效串联电阻（ESR）、放电容量、理想存贮能量、平均放电功率、最大输出功率、放电效率。
• 时间常数：定义为 $ \tau = R_C \times C $，是决定充放电效率的关键因素。时间常数越小，充放电效率越高。

超级电容器与蓄电池性能比较

• 蓄电池的不足：
  • 高温环境下性能下降快，寿命短。
  • 大电流充放电导致寿命缩短。
  • 空间紧凑易导致热量积累。
• 超级电容器的优势：
  • 快速充放电能力，适合制动能量回收。
  • 长寿命和高安全性。
  • 适应性强，可并联或串联使用。

汽车应用案例

• 兰博基尼 Sián 系列：全球首款量产超级电容混动超跑，48V 超级电容集成在变速箱，减轻重量，提高能量回收效率。
• 红旗 H5 混动版：全系配超级电容，用于启停和急加速辅助，延长主电池寿命。
• 沃尔沃 48V 轻混：使用 Maxwell 超级电容，提升启停响应，延长电池寿命。
• 凯迪拉克 ATS/CTS：超级电容用于电压稳定，启停响应快，节油 $8%$。
• 超级电容公交车：如上海、广州等地运营，3~5 分钟快充，跑 20~40km，制动能量回收效果显著。
• 混动/纯电客车：如宇通、金龙、安凯等，超级电容用于制动能量回收，辅助启动，延长电池寿命。
• 轻卡/重卡/工程机械：如三一重工，使用超级电容实现节油和减磨损。
• 国产混动 SUV/轿车：如吉利、长安部分 48V 轻混车型，优化启停与动力响应。

仿真分析

• 仿真方法：结合向前仿真与向后仿真，对电动汽车系统进行性能评估。
• 仿真数据：
  • 最大装载质量：1026 kg
  • 轴距：2512 mm
  • 迎风面积：2.4 m²
  • 轮胎滚动半径：0.2768 m
  • 电容单元最大电压：3 V
  • 电容组单元数量：50 个
  • 电机额定电压：144 V
  • 电机额定功率：16 kW
• 仿真结果：与实际试验数据吻合，显示超级电容在制动能量回收、电机扭矩输出等方面表现良好。

超级电容的未来前景

超级电容电动汽车系统以其高效、洁净、无污染、功率密度大等特点，越来越受到关注。通过优化超级电容的性能和使用方式，可以进一步提高电动汽车的续驶里程、降低整车重量、提升动力响应能力，并减少环境污染。

附图说明

• 图 1：超级电容器工作机理
• 图 2：纯电动汽车系统模型
• 图 3：仿真输出曲线，包括驾驶工况、电能输出、SOC 变化、电机扭矩等
• 图 4：双电层超级电容器结构图
• 图 5：超级电容等效电路图
• 图 6：超级电容 Simulink 模型
• 图 7：充电与放电曲线、电压变化曲线、SOC 变化曲线、电流变化曲线

参考链接

• 文档免费下载链接：www.shinden.com.cn
• 百度搜索：“无锡胜鼎”，页面右上角“技术文档”