超级电容与电池配合模式

超级电容器与锂电池进行组合超级电容器与锂电池进行组合 随着电动汽车电池的技术难题被逐一攻克 电动汽车的产业化步伐正渐渐逼近 由于新能源汽车日益红火 在 2011 年 12 月 7 日至 10 日召开的法兰克福汽车配 件展也融入了新能源元素 在 10 日举办了第二届中国新能源汽车及配套产业发 展论坛 与业内鼓吹新能源弯道超车无望的悲观派相比 全球最大电动车专业制造 商 ZAP 大中华区业务发展执行副总裁聂天心和上海瑞华 集团 有限公司上海瑞华 集团 有限公司 简 称瑞华 副总经理陆政德均表示非常看好未来新能源汽车的发展 聂天心在会上说到 其实新能源汽车并不是一个新的概念 早在 1890 年在 美国电动汽车与汽油车的销量比是 10 1 美国上流人士都是使用电动汽车 并作为一种身份的象征 数据显示 美国传统内燃机的原油转化效率最理想的状态可达 40 目前 市场上最好的汽油机只有 30 多 而市场上的电动汽车能源转化率已有 80 乐观估计应该能达到 94 与对中国电动汽车前景持怀疑态度的悲观派相比 目前电动汽车乐观派大有 占据上峰态势 中国电动汽车产业化步伐也渐渐逼近 因为电动汽车的技术难 题正在被一群疯狂痴迷电动汽车的专业人群攻克 陆政德就是其中一位 陆政德在接受中国产业园区网记者采访时表示 目前电动汽车发展主要有 两大技术瓶颈 一是电池的续驶里程不稳定 电动汽车续驶里程不稳定主要表 现在续驶里程会逐渐减少 二是纯电动汽车续驶里程有限 目前这两大瓶颈都不再是问题 陆政德对记者说道 电池续驶里程不稳 定问题可以通过能量转移解决 纯电动汽车续驶里程有限可以通过加装小型燃 油发动机系统 即增呈式电动车 解决 电池续驶里程不稳定主要是由于单体电池性能不一致造成 陆政德形象地 说道 不同单体电池的性能差好比姚明和潘长江身高差 如何让他俩的个头一 样高 就需要将性能优良的电池能量转移到性能差的电池上 保持两者能量的 一致性 这样就可以做到电动车后期续驶里程能稳定 另外 瑞华已经成功实现将超级电容器与锂电池进行组合 以延长续驶里超级电容器与锂电池进行组合 以延长续驶里 程和增强电池的寿命 程和增强电池的寿命 超级电容器好比一个具有超强爆发力的短跑运动员 而锂电池好比一个耐 力很强的长跑运动员 将两者结合起来 将会同时兼具两者的优点 超级电容器与锂电池组合后 超级电容器能将电动汽车刹车时产生的能量 储存起来 并传导到锂电池内 延长电动汽车的续驶里程 由于电动汽车刹车对锂电池会有损伤 但从超级电容器内获取电量进行刹 车 就不会对锂电池造成损伤 还可以延长锂电池的寿命 为降低电动汽车自燃概率 随时检测电池在电动汽车运行中的状态 瑞华 已经成功开发出一整套电子监控系统和数据中心系统 登录瑞华电动汽车数据 中心可查询各个时段电池运行的详细情况 来源 新能源新材料 2012 5 新型电极都有 4 至 5 纳米宽的孔隙 高孔隙率具有高概况积 可以存储海量的 电荷 有一家新创公司名为纳米屯公司 这家公司说 它的超级电容器手艺可 以使电动汽车更廉价 而且延迟行驶里程 该公司位于加州山景城 公司开发 出一种体例 用以制备电极 制成的超级电容器具有 5 至 7 倍的存储能力 这 是对比传统超电容器而言 能量海绵 显微镜图像 显示多孔结构的新电极材料 有助于提高尚尊贵级电 容器存储容量 可是 辛达尔说 纳米屯公司可能达不到很是高的能量方针 但仍然可以改良 有竞争力的电动汽车和同化动力汽车 有了耐用的超级电容器 甚至可使能源 存储达到每千克 100 瓦时 这就接近锂浪子电池 那就太棒了 级电容器是在 19 世纪 60 70 年代率先在美国出现 并于 80 年代实现市场化的 一种新型的储能器件 具有超级储电能力 它兼具普通电容器的大电流快速充 放电特性与电池的储能特性 填补了普通电容器与电池之间比能量与比功率的 空白 超级电容器被称为是能量储存领域的一次革命 并将会在某些领域取代 传统蓄电池 超级电容器性能超级电容器性能 超级电容器的能量密度是传统电容器的几百倍 功率密度高出电池两个数量级 很好地弥补了电池比功率低 大电流充放电性能差和传统电容器能量密度小的 缺点 图 1 超级电容器性能优势图 超级电容器与铅酸 镍氢和锂电池相比 在自放电 能量密度和能量成本方面 显现不足 但在效率 快充特性 温度范围 安全性 功率成本 功率密度 寿命方面 超级电容器有着其他电池不可超越的优势 超级电容器是一种无污染的新型储能装置 寿命超长 1 50 万次 安全可靠 储能巨大 是一种理想的储能装置 具体特性如下 1 高循环寿命 循环寿命可达 50 万次以上 合计 10 年 远超电池理论上的最 大循环 2000 5000 次 2 快速充电特性 由于不存在电能转化化学能的化学反应 充电 10 秒 10 分 钟 可达到其额定容量 95 以上 3 高功率密度特性 具有优越的动力特性 可达 300W kg 5000W kg 相当于 电池的 5 10 倍 能较好地满足车辆在启动 加速 爬坡时对瞬间大功率的要求 4 大电流放电能力超强 过程损失小 大电流是电池的几十倍 5 超低温特性好 温度范围宽 40 70 而一般电池是 20 60 6 无污染 安全可靠 超级电容器是绿色能源 活性炭 不污染环境 是理想 的绿色环保电源 7 全寿命免维护 超级电容器采用全密封结构 没有水分等液体挥发 在使用 过程中全寿命不需要维护 8 相符成本地 超级电容器价格比铅酸电池高 1 倍 但寿命比电池高 10 倍 超级电容器的结构超级电容器的结构 超级电容器结构和电池结构一样 主要由极化电极 电解质 隔膜 端板 引 线和封装材料等几部分组成 超级电容器的性能主要由制造技术 电解液的组 成 隔膜质量和组装工艺等决定 其中电极的制造技术包括电极材料和电极的 制备 是超级电容器最关键的技术之一 根据电解液分 超级电容器分为有机体系和水溶剂体系 有机体系比水溶剂体 系具有较高的工作电压 天津力神生产的超级活性炭双电层超级电容器是有机 体系 随着超级电容器的市场不断扩大和整个市场需求的日益增长 将会出现 两个大的方向 高能量型超级电容器和高功率型超级电容器 天津力神研发的超级电容器模块 超级电容器的应用超级电容器的应用 超级电容器产品由于其具有特殊的优点 全球需求量迅速扩大 已成为化学电 源领域内新的产业亮点 应用领域非常广阔 它的应用领域涉及运输业 风能 储能和工业用 UPS 等各个领域 不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位 置 也将改进风能 太阳能等间歇性能源利用的可能性 在满足人们对能源需 求的同时 减少了对石油的依赖 此外 超级电容器还在包括税控机 数码相机 掌上电脑等微小电流供电的后 备电源等消费性电子产品及众多领域有着巨大的应用价值和发展潜力 被世界 各国广泛关注 行业前景可期 一 超级电容器在运输业的应用 首先是纯电动汽车领域的应用 就在上海世博会期间 某公司研制出一款去掉 辫子的超级电容器纯电动汽车 此为上海世博会 零排放 公交车 这款公交 车每隔 2 3 公里就会在指定的充电站 兼具公交车站功能 进行充电 充电时间 仅需几分钟 位于公交车座位下的超级电容器就完成了全部充电任务 超级电容器的公交车充电方式灵活多样 可以从刹车系统中获取能量 这类公 交车时用的电力比无轨电车少 40 能耗仅为燃油车的三分之一 图为世博会上零排放的超级电容器公交车 超级电容器还应用在混合电动车上 混合电动汽车采用多能源系统提供动力 以燃油发动机作为主要动力 以二次电源作为辅助动力 混合电动汽车最大的 优点就是在加速期间或爬坡时 要从有电池和超级电容器组成的能量储存系统 吸取电力 当车辆的动力需求较低时 该能量储存系统被充电 这样不仅增加 了能量效率 而且车辆能够通过再生制动 在减速时能量重新回收 加速时付 出 既节省了油又减少了污染 混合电动汽车能节油 30 50 减少污染 70 90 将蓄电池与超级电容结合起来 他们的优点可以互补 成为一个极佳的贮能系 统 此还可用于卡车低温起动 中型和重型卡车 陆上和地下的军事用车 它 在大电流以及高低温条件下工作 都会有很长的寿命 超级电容器混合电动汽车 此外 超级电容器与蓄电池并联应用 可以提高机车的低温启动性能 就是对 于提高汽车在冷天的启动性能 更高的启动转矩 超级电容器具有非常重要的 意义 通常在 20 时 机动车由于蓄电池的性能大大下降 很可能不能正常启 动或需要多次启动才能成功 而超级电容器可以在 40 与蓄电池并联时 仅需 一次点火 其耐低温性能优点非常明显 超级电容器应用于车辆低温启动 在城市轨道交通工程中 车辆的制动方式为电制动 再生制动 加空气制动 在 运行中以电制动为主 空气制动为辅 运行中的列车由于站与站之间的距离较 短 列车启动 制动频繁 制动能量相当可观 超级电容器在应用于轨道车辆 中时 在轨道车辆制动的时候 回收制动能量 存储于超级电容其中 而当车辆 再加速时 超级电容器将这些能量释放出来 于是节省了 30 的能量 超级电容器应用于轨道车辆能量回收 在航空航天领域中 超级电容器也能够得到很广泛的应用 比如飞机在开启舱 门时 需要特别强的爆发动力 而超级电容器会完成这个功能 它在为飞机开 启门提供爆发动力 使用寿命可达 25 年 140000 飞行小时 已经通过空中客 车公司资质证明 于 2004 年测试 设计产品是 BCAP0140 在地面上 正常操 作和紧急操作时 门必须被打开 在飞行时 门必须被关上并锁紧 滑道必须 在紧急情况被需要的时候膨胀 超级电容器在飞机操作过程中作为爆发动力应用 现在混合动力叉车及电动叉车大都采用由超级电容器作为驱动传动机构 传送 和接收峰值功率 进行能量回收 节省燃料 实现更长工作时间 超级电容的轮胎式集装箱起重机 利用大容量超级电容器 可以短周期大电流 充电和放电 在起动时能迅速大电流放电 下降时能迅速大电流充电 将能量 吸收 起到节能环保的作用 图为超级电容的轮胎式集装箱起重机 二 超级电容器在风能领域的应用 超级电容器的突出特点是 高效率 大电流放电 宽电压范围 宽温度范围 状态易监控 长循环寿命 长工作寿命 免维护 环保等 因此它极为适合在 风力发电机组环境中工作 风力发电变桨利用超级电容器储能电源的基本工作 原理是 平时 由风机产生的电能输入充电机 充电机为超级电容器储能电源 充电 直至超级电容器储能电源达到额定电压 当需要为风力发电机组变桨时 控制系统发出指令 超级电容器储能系统放电 驱动变桨系统工作 超级电容器极适合在风力发电机组环境中工作 三 储能领域应用 现有超级电容器产品 它不仅已经用作光电功能电子表和计算机贮存器等小型 装置电源 而且还可以用于固定电站 在边远缺电地区 超级电功容器可以和 风力发电装置或太阳能电池组成混合电源 使无风或夜间也可以提供足够的电 源 卫星上使用的电源多是由太阳能电池与镉镍电池组成的混合电源 一旦装上了 超级电容器 那么卫星的脉冲通讯能力一定会得到改善 此外 由于它具有快 速充电的特性 那么相对于电动玩具这种需要快速充电的设备来说 无疑是一 个理想电源 近日 充电 10 分钟就能让公交车跑出 200 公里的 超级能量块 在天津研发 成功 在经过上万次的快速充放电 零下 40 摄氏度至 70 摄氏度测试等考验 这种新型动力电源高能镍碳超级电容器克服了动力电池因快速充放电造成寿命 严重缩水的缺点 为纯电动汽车增加了一种较为现实的能量存储技术路径选择 好处多多 有 容 乃大 超级电容器又名电化学电容器 是 20 世纪七八十年代发展起来的一种新型 储能装置 作为介于传统电容器与电池之间 具有特殊性能的电源 超级电容 器主要利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量 因而 不同于传统的化学电源 之所以被称为 超级 在于其在分离出的电荷中存储 能量 用于存储电荷的面积越大 分离出的电荷越密集 其电容量越大 由于具有庞大的表面积及非常小的电荷分离距离 超级电容器较传统电容 器具有惊人的静电容量 同时 由于其储能的过程可逆 超级电容器可以反复 充放电数十万次 并具有功率密度大 容量大 使用寿命长 免维护 经济环 保等优点 业内专家表示 对于锂电池而言 如果进行快速充放电操作 使用 1 2 年 就需更换 高昂的价格让消费者望而却步 此外 锂电池瞬时的能量密度传输 无法达到新能源客车行驶的需求 从而无法在最短时间内推动电机满负荷运转 这些都是造成纯电动汽车目前尚未大规模商业化的重要掣肘因素之一 相比之下 超级电容器寿命更长 充电时间短 并且没有化学反应所带来 的污染及蓄电池的记忆问题 同时 大功率的超级电容器对于纯电动汽车的启 动 加速和上坡行驶具有极其重要的意义 在纯电动汽车启动和爬坡时快速提 供大功率电流 在纯电动汽车正常行驶时由蓄电池快速充电 在纯电动汽车刹 车时快速存储发电机产生的大电流 此举可以减少纯电动汽车对蓄电池大电流 充电的限制 从而大大延长蓄电池的使用寿命 提高纯电动汽车的实用性 这 些特性都非常契合纯电动汽车的技术和应用要求 中国科学院院士田昭武认为 相对于蓄电池 超级电容器是纯电动汽车理想的高功率提供者 国家能源局原局长张国宝在此前召开的某论坛上也表示 纯电动汽车电池 技术方面还有很多问题待解决 但电容充电快 在电动汽车的发展方向上 还 应有类似超级电容的技术路线 据了解 目前动力电池技术路线主要 3 种 最低档为铅酸电池 污染严重 只用于电动自行车 较低档为镍氢电池 但价格昂贵 续航历程较短 其次是 磷酸铁锂电池 续航里程较远但价格较贵 一次充电可行驶 100 120 公里 为 目前国内大多数纯电动汽车所采用 技术领先 具备商业化雏形 鉴于超级电容器的重要性 许多发达国家都给予高度重视 并作为重点的 战略研究和开发项目 我国 863 计划电动汽车重大专项中也已将电动车用超级 电容器的开发列入发展计划 田昭武表示 在材料成本和制作成本降低 比能量和安全性提高的前提下 我国已经设计出具有自主知识产权的新型超级电容器 新型超级电容器能以十 秒数量级的高倍率充放电 单次充放电能量密度较高 充放电时不涉及固相变 化 循环性能优异 寿命长 并且没有燃烧爆炸危险 电化学活性物质选择余 地大 可以适当选择资源丰富 环境友好且容易回收的电化学活性物质 同时 结构简单 无需追求巨大表面的电极 也无需固相化成步骤 材料成本和制造 成本低廉 从而可大大降低纯电动汽车售价 据了解 在超级电容技术研究方面 我国已不落下风 哈尔滨巨容公司自 主研究开发的超级电容器与被 17 届国际电动车年会 EVS 17 评价为与目前 国际上最先进的超级电容器 知识产权价值 2 亿美元的俄罗斯同类产品性能相 当 目前 哈尔滨巨容公司的超大电容 VC 系列产品采用国内各种成熟技术加 以优化组合制成 具有成熟的技术基础和产业基础 经过几年的运行试验 产 品性能指标完全符合设计要求 已被列入国家 863 计划 并出口到美国 加拿 大等国家 上海奥威科技开发有限公司等企业制造的超级电容公交车已通过国外包括 安全性检测在内的一系列严格测试 目前开始出口到多个国家和地区 在此前 举办的第七届国际节能与新能源汽车创新发展论坛暨展览会上 奥威科技展出 了 60 辆新投入使用的超级电容公交车所载超级电容 该新型储能装置取代了传 统蓄电池 电容车在运营过程中 以 30 秒到 3 分钟时间 利用乘客上下车时间 完成快速充电 一次充电满载运行 带空调 5 8 公里 百公里耗电小于 100 度 能耗费用是普通燃油车的 1 3 据了解 上海 11 路 26 路使用的以无机 超级电容器作惟一电源的近百台超级电容公交车大规模商业化运营最长已近 5 年 状态良好 从未出现重大事故 公交车或成其 归宿 作为一种新型储能元件 超级电容器其出现填补了传统静电电容器和化学 电源之间的空白 业内专家表示 随着对电动汽车研究的深入 超级电容器在 这方面应用的优势将会越来越明显 低成本又决定了其显著的经济效益 市场 前景非常广阔 但知名汽车评论员贾新光表示 超级电容容量有限 体积庞大 上海现有的超级电容公交车行驶两三站就需充电 续航只有数公里 因此难以 在轿车上使用 专家表示 同等重量下 超级电容器续驶里程仅为铅酸电池的 1 3 这意 味着依靠超级电容提供给车辆的动力强劲却不能持久 必须在短时间内频繁充 电 这对于路线和行驶状况多变复杂的私人乘用车而言 显然并不合适 然而 由于公交车的线路站点是固定不变的 只要在停靠站点或者线路上 合适的地方建立超级电容器电动大客车充电站即可 公交车车辆行驶也比较平 稳 满足超级电容对于倾斜角度的限制要求 超级电容器的充电时间很短 所 以可以