毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
一、超级电容基本结构
超级电容其实就是容量超大的电容。小型的一般是用在后备电池上，这种器件在十几年前就有，录像机上好多就在采用，特别是日产机。 另外现在还有一种超级电容器是新发展起来的大型储能器件，现在的清洁能源公交车就有使用超极电容的，像北京的104路电车就是，还有上海有一条绿色试验线，都是用的这种车。 它的特点是可以大电流的充放电，而且充放次数远超过普通的铅酸电池，所以可以利用公交靠站的短暂时间迅速充满电。它在输出电能时特性与普通的电容类似。充电的电源应有较大的电流输出能力，否则电容很难在短时间内充满电。 当然为了能更充份的利用超级电容中的电能，应该输出部分有一套控制电路来控制电流的输出，一般是宽输入的DC变换，以获得稳定的直流输出电压[1]。
二、超级电容的工作原理及发展趋势
1.基本原理:
根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器，EDLC)和赝电容器。碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容;而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。双电层电容的大小与电极电位和表面积的大小有关。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孑L碳材料组成。碳材料具有优良的导热和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，可以通过不同方法制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。赝电容是在电极表面或者体相的二维或准二维空间上，电活性物资进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于赝电容不仅发生在表面，而且可以深入内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极面积下，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。
2.与传统电容器、电池的区别:
电化学电容器和电池的运行机理从原理上就不同。对于双电层型超级电容器，电荷存储是非法拉第过程，即理想的没有发生通过电极界面的电子迁移，电荷和能量的存储是静电性的。而对电池而言，实质上发生了法拉第过程，即发生了穿过双层的电子迁移，结果是发生了氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化。总的来说，电荷存储过程有如下重要的区别：对于非法拉第过程，电荷的聚集靠静电方式完成，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上。中间为真空或分子绝缘体，如双层、电解电容中的云母膜、空气层或氧化物膜。对于法拉第过程，电荷的存储靠电子迁移完成，电活性材料发生了化学变化或氧化态变化，这些变化遵守法拉第定律并与电极电势有关在某种情况下就能产生准电容。这种能量的存储是间接的。在比能量和比功率两个性能参数上超级电容器位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远远高于电池[2]。由于使用寿命长通常都超过了使用其设备的寿命，所以，超级电容器终身无需维护，加之使用完后，对环境要求宽松，无污染，因而又称其为绿色能源。;超级电容器车用贮电装置的优点超级电容器是绿色能源不污染环境化学电池对环境有2次污染。循环使用寿命长(约l0万次);化学电池的循环使用寿命短(20o～1000次)，易损坏。充电速度快(0.3s～15min);化学电池的充电时间长，一般要3～l0h充放电效率高(98%);化学电池的充放电效率低(70%)功率密度高(1OOO～IO000W/Kg);化学电池功率密度低(300W/Kg)。超级电容器彻底免维护，工作温度范围宽一40～ 70～C)，容量变化小;铅酸电池电动车在一℃时，续驶里程减少90%，而超级电容器只减少10%。超级电容器电动大客车刹车再生能量回收效率高，常规制动时回收高达70%，化学电池能量回收效率仅为5%。相对成本低。超级电容器的价格比铅酸电池高一倍，但由于超级电容器的寿命比化学电池高～100倍，所以超级电容器电动车的综合运营成本大大低于化学电池。超级电容器在电动车上的应用。全球每年通过公交系统在固定线路上出动的运输车辆约是5000亿次，其中人们最普遍使用的运输工具仍是公交车辆。2000年的销售量为l8-3万辆，今后5年里，每年销售达到22。0万辆。美国达4.0万辆。估计到2010年公交车辆的拥有量将达65万辆。这么多车辆若不进行改造，仍然采用柴油或汽油，那需要的油料量将成为沉重的负担，造成的空气污染也很明显圈。据估计燃料电池在最近十年内还不可能达到规模化生产嘲。撇开成本昂贵的燃料电池不说，我国已在使用或即将推广的车用乙醇汽油、天然气车的项目，也摆脱不了高成本的困扰：由于燃料乙醇的生产成本高于汽油，国家有关部门正在制定补贴方寨，以使车用乙醇汽油的价格与同号汽油持平;研究与探讨然气发动机价格比同排量柴油机成倍增，在全国率先批量装备天然气发动机北京市公交总公司有关人士承认，目前天然气车主要满足长安街一线的运营需要。而超级电容器正好解决了这一难题，超级电容器的容量有足够大，成本很低，对环境又无污染[3]。大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极其重要的意义：在汽车启动和爬坡时快速提供大功率电流;在汽车正常行驶时由蓄电池快速充电;在汽车刹车时快速存储发电机产生的大电流，这些可以减少电动汽车对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性。鉴于电化学超级电容器的重要性，各工业发达国家都给予了高度重视，并成为各国重点的战略研究和开发项目。在纯电动车上的应用及发展超级电容对整车动力性能的影响主要在于对续驶里程的影响。超级电容的容量、能量密度、放电深度、功率密度等性能参数都会影响车辆行驶的能量消耗和续驶里程川。哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所研究出用超级电容器做储能器件的电动客车，这是一种只需充电I5分钟便能连续行驶25公里，而最高时速可达52公里的电动客车。据悉，由该所承担的省十五科技攻关重大项目以电容为能源的电动车等3个项目，已通过省科技厅鉴定。该项研究在以电容为能源的电动车续驶里程、最高车速等方面达到了国际先进水平。这种超级电容电动客车的研制为国内首创，其性能指标达到了国际同类产品的先进水平。该项目在整车控制技术、电驱动技术、电容管理均衡技术方面实现了突破和创新。据了解，目前在国际上，污染小、节省能源的电动汽车已引起相当高的重视。在电动车的部件中，超级电容器凭借使用寿命长、安全性强等特点，已成为电动汽车开发的重要方向之一。这种以电容为能源的电动客车无污染、零排放、低温特性好，适合于北方城市公交运行，具有良好的市场前景和社会效益I嘲。将超级电容器应用到电动公交车上已经是一个很热门的话题了。由于公交线路站点是固定不变的，超级电容器的充电时间很短，在一分钟之内即可完成，所以可以利用公交车进站的时间充电，这样既不影响乘客的乘车时间，又不会像现在的有轨电车那样车顶上必须有两个辫子，这样也省去了电车轨道设置的费用，看起来也更美观一些。超级电容器有个缺点就是能量密度小，充电一次只能跑很短的路程，但它的充电速度快，充完就可以接着跑。跟铅酸电池比较这一点要好很多，铅酸电池充一次电得要58小时，所以只要在线路上合适的地方建立一个超级电容器电动大客车充电站就可以了，而投资建设一个这样的充电站的费用比建一个加油站小得多，也比建设一个同样规模的加气站或铅酸电池充电站省钱。在混合动力车上的应用纯电动汽车尽管具有上述优点，但由于电池容量的限制，致使车辆在续驶里程和爬坡、加速性能上不及通常的汽车。虽然人们在蓄电池的研究开发上做了多方努力，也难以达到通常轿车那样，加满油后可行驶4OO一500公里的里程。要充分满足用户的欲望，目前仅靠现有蓄电装置的性能是难以实现的，于是就有了混合电动车的出现。混合动力车是专门为城市公共交通设计开发的，既可用电又可用油，是短期内电动汽车最现实的产业化产品。这种车与同类型的传统汽车相比尾气排放可减少50p%，降低燃油消耗30%以上，能够满足日益严格的环保要求，既有电动车的节能和低排放的特点，又具有燃油汽车的方便性能[4]。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式两种。在串联式混合动力系统中，由发动机驱动发电机，利用发出的电能由电动机驱动车轮。即发动机所发出的动能全部要先转换成电能，利用这一电能使车辆行驶。并联式混合动力系统采用的是发动机与电动机驱动车轮，根据情况来运用这两个动力源，由于动力源是并行的，故称为并联式混合动力系统。此外，还存在混联式，也称串并联式，它可以最大限度地发挥串联式与并联式的各自优点。
就目前所制造的混合电动车来看，它的动力系统是以燃油发动机作为主要动力，其电力能量贮藏系统通常是二次电源，而目前所应用的二次电源存在很多的缺点有待大幅度改进，而这些问题都可以用超级电容器代替解决，在内燃机车的电起动系统中采用超大容量电容器辅助起动装置，显示了较突出的优势，其表现在[5]：
1.由于起动功率的增加，缩短了柴油一发电机组的起动时间。柴油机旋转加速度增加，提高了燃油点燃质量。
