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超级电容器将因新能源汽车迎来大发展

 “超级电容”将成为推荐目录中继动力电池之后又一重要动力系统,2017年1-4批推荐目录中已有6家企业13款客车搭载了超级电容,其中不乏郑州宇通、中通客车、厦门金旅等领头羊,而超级电容和新能源汽车究竟有什么关系呢?

什么是超级电容器

超级电容器(Supercapacitors,ultracapacitor),是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是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。

突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。

超级电容器将迎来发展机遇

于新能源客车的应用

新能源客车是公共交通工具的主体,在新能源客车领域,超级电容器最为广泛的应用于城市混合动力客车制动能量回收系统。由超级电容器模块组成的制动能量回收系统能够吸收并存储车辆在制动时产生的全部动能,当客车启动或加速时将这些能量释放出来,从而使车辆节省油耗,减少排放。

国家863计划“节能与新能源汽车”重大项目监理咨询专家组组长王秉刚表示,超级电容器的功率密度较大,具有快充快放特性,作为混合动力客车的一种技术路线,超级电容器非常适合城市公交车的示范运行。

从整个技术体系发展来说,储能器件存在能量密度和功率密度两方特性的博弈,通常能量密度特性好,功率密度特性就差些。常规锂电池能量好,功率差,适合长时间的输出;而超级电容功率好,适合短时间高功率的输出。

此外,超级电容应用温度范围广,以数码设备为例,人们在东北地区-10℃以下的露天环境,发现手机很快就没有电了,这是由电池的温度特性决定,但是超级电容的耐低温性能非常好。

2016年初,国家在三元锂电应用到公共交通工具时,就特别明确了安全问题。从电化学体系来讲,超级电容产品内部没有活泼的金属离子,热透性好,无论是从热失控还是穿刺、燃烧方面的安全性能都相对比较高,在公共交通领域比较适合。

值得关注的是,超级电容的寿命长,家用汽车电池的寿命普遍在两三年左右,超级电容则不存在这个问题,甚至超过汽车的寿命。据了解,宇通客车首批在2009年采用超级电容体系的新能源公交车将于2016年底完成了8年的营运使命。

尴尬中求发展

超级电容器的研发工作一直笼罩在电池(主要为镍氢电池、锂电池)的阴影之下。镍氢电池和锂电池的开发因为可以获得来自政府和大投资商的巨额资金支持,技术交流获得极大推动,也更容易聚焦全世界的目光。相比之下,超级电容器却很难得到雄厚的资金支持,技术的进步和发展也就受到很大程度地制约。另外,超级电容器成本高、能量密度低的现状也与锂电池形成鲜明对比,这使它在很多领域备受冷落,在实际应用上却总被电池取代。然而,超级电容器在技术上一旦取得突破,将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。

同时值得庆幸的是,2016年12月份由我国超级电容领域50多家单位联合发起的“中国超级电容产业联盟”正式成立。据了解,中国超级电容产业联盟将在主管部门支持下,为所有致力于超级电容和相关电源的政府部门、企业、高校、科研单位提供一个共同议事,共同发展的平台,势必推动我国超级电容产业发展。

超级电容器优缺点

优点:(1)充电速度快,充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上;

(2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达1~50万次,没有“记忆效应”;

(3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%;

(4)功率密度高,可达300W/KG~5000W/KG,相当于电池的5~10倍;

(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源;

(6)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;

(7)超低温特性好,温度范围宽-40℃~+70℃;

(8)检测方便,剩余电量可直接读出;

(9)容量范围通常0.1F–1000F 。

缺点:(1)如果使用不当会造成电解质泄漏等现象;

(2)和铝电解电容器相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路;

发展与机遇

目前,国内超级电容生产企业集中度较高。一部分厂商面对超级电容器技术上发育不完全的现状,不敢轻易投资,采取观望策略,期待市场能出现一个涉足此领域并获得成功的例子。另外一部分厂商则坚信,只要超级电容器的生产成本实现大幅下降,仅以当前它的快速充放电特性,就可实现快速普及。

在汽车工业中,随着碳排放的严格控制,碳积分政策的迅速推进,智能启停控制系统的应用为超级电容器提供了广阔的舞台,在插电式混合动力汽车上的表现尤为突出。

由于电动汽车频繁启动和停车,使得蓄电池的放电过程变化很大。在正常行驶时,电动汽车从蓄电池中汲取的平均功率相当低,而加速和爬坡时的峰值又相当高。在现有的电动汽车电池技术条件下,蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡,而难以在一套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和长寿命。为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾,可以考虑采用两套能源系统,其中由主能源提高最佳的续驶里程,而由辅助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。辅助能源系统的能量可以直接取自主能源,也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能,选用超级电容做辅助能。短期内,超级电容极低的比能量使其不可能被单独用作电动汽车能源系统,但用做辅助能量源具有显著优点。在电动汽车上使用的最佳组合为电池-超级电容混合能量系统,对电池的比能量和比功率要求分开。超级电容具有负载均衡作用,电池的放电电流减少使用电池的可利用能量、使用寿命得到显著提高;与电池相比,超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能。超级电容的早和均衡和能量回收作用使车辆的续驶里程得到极大的提高。但系统要对电池、超级电容、电动机和功率逆变器等做综合控制和优化匹配,功率变换器及其控制器的设计应用充分考虑电动机和超级电容之间的匹配。

从目前各厂商的产品来看,超级电容器企业在转型发展的风口浪尖,虽然在风电方面有无法取代的地位,但在新能源行业却缺少企业支撑,而未来随着市场的不断细分,行业技术的不断成熟,各车企在面临双积分和排放量的压力下,超级电容器的应用将会迎来市场的新爆发点。