摘要：据相关数据显示，汽车尾气排放量占城市污染气体总量的70%。石油作为不可再生资源，工业革命以来，大量石油被开采和使用，造成石油存储量和总量不断下降。为了保护生态环境，减少废气的排放，近年来，国家大力发展电动汽车。电动汽车的动能主要来自充电蓄电池，因此对电池容技术要求很高。大容量超级电容器性能优于普通电池，因此广泛应用在电动汽车领域。本文就大容量超级电容器在电动汽车中的应用及维护进行分析。
关键词：大容量超级电容器；电动汽车；应用；维护
随着环境污染和能源危机的日益加重，环保和节约能源成为当今社会的重要主题。电动汽车的研究在环境保护问题及能源问题日益受到关注的情况下兴起。在电动汽车性能提高并逐步迈向产业化的过程中，提高能量的储备与利用率是迫切需要解决的两个问题。常规汽车在城市工况行驶时，制动器所消耗的能量占总驱动能50%左右，因此实现制动能量回收可以大大提高能量利用率。而超级电容器能在汽车起动或制动时快速向负载释放或吸收能量，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，可以有效的延长电动汽车的行驶距离，所以超级电容器已成为电动汽车开发的重要方向之一。
1 超级电容器的结构原理
超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器、黄金电池、法拉电池，是一种介于蓄电池和传统电容器之间的储能装置。与电池结构相似，超级电容器单体主要由电极、电解质、集电极、隔膜等、连接线柱等组成。
大容量超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外部电源接通超级电容器正负极板时，超级电容器极板的正负电极分别存储正负电荷。同时，为了平衡电解液的内电场，在电场力的作用下，正、负极板界面上产生负、正电荷，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷间极短间隙排列在相反的位置，所以会产生很大的电容。此外，当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，超级电容器为正常状态。大容量超级电容器在运用时没有出现化学反应，只是物理过程发生了变化，因此它的性能是非常稳定的。
2 大容量超级电容器的优点
2.1 与传统的电容器相比，大容量超级电容器的性能比较稳定，超级电荷存储的电能面积大，电容量高，等效电阻小，比功率高，是蓄电池的100倍。
2.2 超级电容的充、放电能力强，在额定电压值内，超级电容器可以快速充电到任一电压值，并将存储的电能一次性放完，同时不会对蓄电池充电和放电功能造成任何的影响。
2.3 大容量超级电容器具有环保效果明显的优点。超级电容器在使用过程中不会污染环境，具有防火防爆的功能，能够连续使用几万甚至十万次，并能进行回收利用，对环境不会产生危害。
3 电动汽车概述
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。这里指的是纯电池驱动车，而更广义的燃料电池和插电式混合动力车均不算在内。
电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。
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4 电动汽车中超级电容器的应用
4.1 车辆起步时，电容控制速度
电动汽车起步时，超级电容器中存储了较多的电能。但是当电动汽车加速运动时，超级电容器中存储的容量比较小，才能确保制动过程中接收更多的能量。因此需要超级电容器进行放电，确保电动汽车加速行进。超级电容器蓄电能力与电容器端电压平方成正比，如果超级电容端的电压发生很大变化，电容器控制器放电深度，从而便于汽车在行驶过程中进行二次放电或者再生制动回收充电。
4.2 控制约束电流
电动车在行驶过程中，会根据路况进行加速、减速等不同速度行进，这个时候电动汽车的负载电流变化比较大，如果负载电流过大，超过了蓄电池所承受的最大放电量或者充电量时，则可能造成电池的损坏。因此，为了避免电池组过度放电或者充电，则需要超级电容进行放电和充电，从而延长电池的使用时间。因此，超级电容器应用在电动汽车上，必须合理控制荷载电流，可以采取恒定充电电流的方式，也就是控制蓄电池的充电电流。蓄电池电压再生制动过程中电压不会发生太大变化，但是超级电容蓄电压在单次制动过程中电压会发生剧烈变化，电枢电流急速上升，给电机以及功率器件造成巨大的损害。因此，使用恒定充电电流的方法，能够有效控制再生制动过程中电容器的充电功率。当电容器电压升高时，充电电流下降；如果电容器的电压低，则采用大电流充电的方式。
4.3 作为汽车辅助电源
目前超级电容器作为辅助电源的应用主要有三类：一是替代高功率电池应用在混合电动汽车上；二是作为燃料电池电动车的辅助动力电源；三是与高能量电池组成混合电源应用在纯电动汽车上。超级电容器作为汽车的辅助电源，与动力蓄电池配合使用，则可减少大电流充放电对电池的损害，延长电池的使用寿命。超级电容器的使用可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线，使车辆的稳定性得到提高。另外，汽车转向、空调、音响、电动座椅等电系统，若使用超级电容，性能将会大大地提高。
5 大容量超级电容应用中存在的问题
大容量超级电容器虽然在应用中有着明显的优势，但依然存在着一些问题。与蓄电池相比，其能量密度偏低，寻找新的电极活性材料，提高超级电容器的能量密度成为根本也是难点所在。另外就是超级电容的一致性检测问题。大容量超级电容的额定电压很低，在应用中需要大量的串联。由于应用中需要大电流充放电，而过充则对电容的寿命有严重的影响，因此，串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。如果能在超级电容器分组组装前进行一致性检测，将充放电性能最接近的超级电容器分成一组，这将能够在很大程度上解决超级电容组的均压问题。
6大容量超级电容器在电动汽车中的维护
大容量超级电容器具有固定的极性，使用前应先确认极性，并且应该在标称电压下工作。同时，大容量超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，否则会导致电容器发热，容量衰减，使其使用性能下降。虽然超级电容器的内阻很小，但与电解电容器相比内阻还是较大，所以大容量超级电容器可以在没有外负载电阻的情况下直接进行充电。大容量超级电容器在使用和维护时一是要注意极性，防止出现接错现象出现；二是要防止连续施加过电压，保证它的工作电压不应该超过额定电压，主要是因为过电压会导致电流急剧变大，会损坏器件；三是要注意使用温度，杜绝超级电容器在连续高温下工作，保证正常的使用寿命。主要因为电解质蒸发的速度和电容器的温度密切相关，高温下电流的高幅值会明显缩短其使用寿命。
结束语：
大容量超级电容器以其优异的功率特性在电动汽车行业的应用日益受到重视。但是超级电容器在能量密度、功率密度方面还有待大幅度提高，特别是要提高价格竞争力。随着对超级电容器研究的不断深入，其性能将不断提高，大容量超级电容器必将在电动汽车的发展过程中发挥重要作用。
参考文献：
[1]超级电容器在电动汽车中的应用及维护[J].魏家沛.机械研究与应用，2016，29，（6）
[2]超级电容器中的物理问题[J].倪江锋.物理教师，2014，35，（11）
[3]浅析超级电容器在新能源汽车中的应用[J].张鹏.电子测试，2016，（10）
论文作者:游桂章
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/14
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