电动汽车驱动系统中的超级电容原理及应用

一般都比较短，需求的能量并不高。

　　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、燃料电池或其它APU的寿命。

　　但如果使用比功率较大的超级电容，当瞬时功率需求较大时，由超级电容提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率，那么就可以减轻对辅助电池、燃料电池或其它APU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。这样做还可以提高蓄电池（燃料电池）的使用寿命，改善其放电性能。

　　如图2所示为燃料电池汽车的起动过程，由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率，从而使汽车起步过程大大加快。

图2 FC＋C与FC汽车起步加速性能比较

　　除此之外，采用超级电容还能在设计（选择）蓄电池等动力部件时，着重于其比能量和成本等问题，而不用再过多考虑其比功率问题。通过扬长避短，可以实现动力源匹配的最优化。

　　2、典型驱动结构

　　超级电容作为唯一动力源的电动汽车驱动结构较简单，而且目前技术还不成熟。所以一般都是把超级电容作为辅助动力源，与电池、燃料电池或其它APU系统组成多能源的动力总成来驱动车辆。常见的结构组合形式有：B＋C，FC＋C，FC＋B＋C，ICE/G＋C等。（其中B代表电池、C代表超级电容、FC代表燃料电池、ICE代表内燃机、G代表发电机），这些结构都属于串联式混合驱动结构。

　　如图3所示为超级电容应用于电动车的典型结构。

图3 超级电容用于电动车的典型驱动结构

　　UCMS（超级电容管理系统）实现对超级电容的封装，主要作用是管理每个单体电流的大小，防止电压超过电解质的分解电压而造成损坏，限制单体不均匀性的影响。从而使超级电容组稳定可靠的工作，提高超级电容组整体的效率和寿命。

　　超级电容经过一个双向的高频DC/DC后在直流电压总线与电池组进行耦合。为了串联较少的超级电容单体，DC/DC一般为电流型升压变换器，通过控制DC/DC的输出电流来达到控制其输出功率的目的。

　　由于超级电容器存储的能量和电压的平方成正比，所以超级电容器由荷电状态所决定的端电压将在一个很宽的范围内变化。例如，如果超级电容器被放电75％，那么电容器的端电压将减少到初始电压的50％。为了控制电容器的能量输入输出，协调超级电容电压和电池电压，必须要使用DC-DC变换器。

　　3、控制方式

　　对于B＋C形式的电动汽车而言，主要是控制超级电容的电流，以实现作为主动力源的电池与超级电容的功率分配。应该考虑以下几个方面：蓄电池功率输出应该尽可能保持恒定或平滑；超级电容主要起功率调峰作用，提供道路需求功率减去蓄电池功率外剩余的功率，并且回收制动能量；必须保证蓄电池与超级电容都在各自的安全电压范围内工作；系统的整体效率应该尽可能最大。除了以超级电容电流为控制目标外，也可以把电容电压作为控制目标。

　　4、示范样车

在德国巴伐利亚州政府的支持下，MAN 和Siemens 、EPSOS公司合作建立了欧洲第一辆采用柴油－电驱动和双层电容器作为大功率储能装置的城市公交车。与常规柴油机驱动的车辆相比，燃料消耗减少10～15％，而且舒适性提高，噪音和污染减少。该研究项目将来会把超级电容用于燃料电池车的驱动系统中。

图4 "CNG＋C "15吨串联式混合动力大客车

　　瑞士中心应用科学大学（HTA－Luzerne）自1992年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统-SAM（Super Accumulator Module），它是以超级电容和电池为基础组成的。并且在1997年开发的"蓝色天使"轻型混合动力车中仅使用超级电容组就拖动了瑞士联邦铁路公司的80t重的火车头。此项目还实现了储能系统完全由超级电容组成的16座4t的中巴车。

　　Nissan Diesel公司开发了一辆15t的"CNG＋C"串联式混合动力大客车如图4所示，续驶里程比常规CNG大客车提高了2.4倍。超级电容总重200kg，CNG发动机在最优效率点带动一个75kW的发电机工作。

　　另外，本田公司的燃料电池轿车FCX-V3也采用了"FC＋C"的驱动结构。

　　意大利的Roma Tre大学在政府的资助下正在开展"FC＋B＋C"的研究工作。

　　2001年1月，GM宣布将使用Maxwell公司的PowerCacheTM超级电容，作为其针对卡车和巴士混合驱动解决方案--Allison Electric DrivesTM的一部分。

　　5、汽车部件的辅助能源

除了用于动力驱动系统外，超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如，未来汽车设计使用的42V电系统（转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等），如果使用长寿命的超级电容，可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高。另外，还可以减少