摘要：介紹了超級電容器的機理與特點，概述了國內外超級電容在電動汽車中的應用研究現狀，通過分析比較超級電容在電動車中應用的拓撲結構及控制策略，設計了一種新型的超級電容一蓄電池復合電源電動車控制系統(包括一個雙向DC/DC變換器和一個三相全橋逆變器)。實驗結果表明，該復合電源電動車能兼顧蓄電池和超級電容的優點，可以更好地滿足電動車啟動和加速性能的要求，并能提高電動車制動能量回收的效率，增加續駛里程。以超級電容為惟一能源的電動車可以作為固定線路車使用，但配套設施還需要完善，所以發展趨勢并不樂觀。

曹秉剛，曹建波，李軍偉，續慧，許鵬

(西安交通大學電動車研究開發中心，710049，西安)

由于環境污染和石油危機的雙重壓力，電動車已經逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動車的能量源泉，但目前電池技術還不能完全滿足電動車的要求。

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時間的功率輸出源，而且還可利用它比功率高、比能量大、一次儲能多等優點，在電動車啟動、加速和爬坡時有效地改善運動特性。此外，超級電容還具有內阻小，充放電效率高(90%以上)、循環壽命長(幾萬至十萬次)、無污染等獨特的優點，和其他能量元件(發動機、蓄電池、燃料電池等)組成聯合體共同工作，是實現能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動車一次充電的續駛里程。因此，超級電容在電動車領域有著廣闊的應用前景，將是未來電動車發展的重要方向之一。

目前，日本、美國、瑞士、俄羅斯等國家都在加緊超級電容的開發，并研究超級電容在電動車驅動和制動系統中的應用，而我國超級電容的生產和應用還處于起步階段。

1超級電容的機理與特點

超級電容(Ultracapacitor)是近期發展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈動功率的物理二次電源，它與常規電容器不同，其容量可達數萬法。超級電容按儲能機理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發生氧化還原反應而產生可逆化學吸附的法拉第電容；③由導電聚合物作為電極而發生氧化還原反應的電容。

由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環次數高，充電過程快，因此比較適合在電動車中應用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置，其原理結構如圖l所示。當向電極充電時，處于理想化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于超級電容與傳統電容相比，儲存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個超級電容單元的電容量就高達幾法至數萬法。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達蓄電池的50～100倍，可達到10kW/kg左右，這個特點使超級電容非常適合于短時大功率的應用場合。

超級電容具有極其優良的充、放電性能，在額定電壓范圍內，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時則可以放出所存儲的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級電容還具有不污染環境及機械強度高、安全性好(防火、防爆)、使用過程中免維護、使用壽命長(大于10年)和工作溫度范圍寬(一30℃～+45℃)等優點，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統較為穩定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。

2應用研究現狀

2.1國內外的應用研究進展

由于超級電容的優越性能和近年來對超級電容開發能力的提高，因此超級電容在工業領域中得到了廣泛應用。目前，世界各國爭相研究、并越來越多地將其應用到電動車上。超級電容已經成為電動車電源發展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復合電源系統被認為是解決未來電動車動力問題的最佳途徑之一。