基于新型超级电容技术的电动车动力系统摘要：本文叙述了一种新型超级电容的研发、制备和测试。

并且将这个技术应用于电动车动力系统及相关衍生产品的解决方案。

关键词：超级电容纳米MnO2混合动力一、研究背景情况能源是一切系统得以运行的基础。

所以在任何设备的设计流程中，能量的供给速率、恒定稳定性、持久度都是第一要考虑的问题。

这一点在移动、便携设备上更为突出，几乎成为了其发展的瓶颈。

可以说能量供给的质量直接影响着移动、便携设备功能、性能的发展。

小到手机、随身听大到电车、潜艇都有一个电力供给的问题。

其中电池是核心问题，由于其能量密度大（可达20~100Wh/kg）、成本较低、技术成熟几乎成为了大量存储电荷的唯一手段，有着不可替代的地位。

但由于种种原因，电池容量得不到大幅的提高。

所以，各界都在研究着如何提高能量利用效率的问题。

上世纪九十年代，各国军事领域都出现了混合动力的战车、战舰。

即用柴油机发电给电池充电，再以电为动力驱动其运行。

这种看似二战中的老式潜艇的动力方式在如今却有着突出的优势。

由于柴油机的特性，运转速度越慢效率越高。

但功率难以保证。

在高速运转时功率大而效率低。

尤其在加速过程中能量浪费很严重。

所以就让柴油机以经济功率运转发电，给电池充电。

通过电池来驱动其运行。

同时电机变速效率比机械变速效率高得多，整体可以节能近30%。

可以说电驱动是如今的发展趋势。

但是由于电池的特性，瞬间放电功率有限。

同时，也有与柴油机相似的缺点——输出功率越大效率越低——虽然比柴油机已经强得多了。

但综合来看，电池驱动的瞬间加速能力仍不如常规动力。

于是，就要求在电池驱动的瞬间放电功能有所改善。

其中，在电池上并联一个超级电容是最可行、最成熟的解决方案。

所以，超级电容的研发成了一个热点技术。

从1957年Becker申请了活性炭做电极材料的双电层电容器专利到现在，超级电容器已有半个世纪的发展历史。

其中研究工作主要集中在电极活性物质的研究上。

此间许多物质被用作电极材料，大致可分三类：碳材料，过渡金属化合物以及掺杂的导电聚合物。

碳材料是最早用作超级电容活性物质的材料，并且其应用一直延续到现在。

目前玻璃碳、碳纳米管等材料用于超级电容的电极材料受到越来越多的关注，利用碳纳米管制成的电容器单体，测得其比容量可达到104F/g，在100HZ时还有49F/g，这个转变频率远远大于活性炭的1Hz，说明碳纳米管具有更优良的频率响应。

各种金属氧化物用作超级电容器电极材料是目前研究的较多的课题，其中钌的氧化物因具有很高的比容量而受到广泛的重视，也有不少研究者将钌的氧化物与碳材料组合制备成复合材料用作超级电容电极材料，也体现出了良好的效果。

即使如此钌的高昂价格却是限制其应用的最大障碍，不少研究者致力于寻找这种性能优良的金属氧化物的替代物，于是就出现了NiO的水化物，氧化钴干凝胶，多孔V2O5的水合物以及MnO2水化物等做电极活性物质的研究方法。

导电聚合物具有良好的导电性，内阻很小，在超级电容方面的应用今后会有很大发展。

超级电容器1957年在美国取得专利，到1985年日本NEC公司已将其产业化，推出了百法级电容器商品。

很多国家将其应用于军事领域，十几年前苏联就将超级电容器应用于坦克车的启动，近年转为民用，和铅蓄电池组成复式电源用于地铁控制系统，照明和应急。

1996年安装在莫斯科地铁上的复式电源运转良好，据称现在莫斯科街头已可见到电容车运行。

日本，美国的一些大公司如NEC,ELNA,MAXWELL等都有不同型号的用作各种小型用电器的超大容量电容器商品。

目前西方国家对电动汽车混合驱动系统的研究日益深入，在超级电容器的基础研究方面已取得突破性进展，对于电容器成批量生产的工艺研究也逐步深入，可望在不久的将来就会有混合驱动的轿车投放市场。

我国在80年代开始研究超级电容器，电子部49所制出用于电子电路的容量为法拉级产品，已实现工业生产。

近几年来，国内一些研究机构开始了对于超级电容的研究，清华大学，上海交通大学，北京科技大学等也开展了相关的研究工作，有一些厂家也在关注相关项目。

2004年7月19日我国首部“超级电容公交车”在上海张江投入试运行。

由上海市交通管理局、上海奥威科技开发公司、上海交大等十多家单位联合攻关完成。

结构上采用的是单纯的以超级电容为储能设备。

他充分利用了超级电容的快速充电的性能。

在每个公交站点上安设充电设施，每次只须充电几秒，就拥有了足以到达下一站的能量。

同时，也是因为快速充电性，使回收刹车的能量成为可能。

但是这种解决方案也使超级电容的缺点更加突出了——能量密度低。

所以这种解决方案离实用还有一定距离的。

二、研发目的及应用我们研发的目的就是将新型的超级电容技术应用于一种电动车的供电系统中。

改善其工作性能，并打向市场。

节能不仅对能源充分利用有重要的社会效益，而且对于用户来说是降低运行成本提高产品竞争力的一项措施。

据统计工业用电大约占发电量的70%，而大多数工业用电花在电动机上的，在民用电中家用电器所耗的电量也占很大比例，所以电机效率提高1%就全国而言大约可节约一个三峡电站的发电量，因此将这种技术得到应用是有重要社会和经济效益的。

三、作品功能、性能及实现整车电路由一片51型8位单片机来控制。

电路方框图如下：行驶时分以下几种工作模式：（一）、慢速模式电源由蓄电池完全提供，单片机输出PWM信号来驱动电机并调速，这样的电能利用效率最高。

在上坡或加速过程中，单片机将限制一定的驱动电流，以保证电力不在电池内阻上过度消耗。

但是这也使加速过程较慢。

此模式适合于长距离公路的行驶和一般的不要求速度的场合。

（二）、巡航模式这时候蓄电池和超级电容并联，同时向电机提供电力。

单片机也不再限制驱动电流。

当加速和上坡时，超级电容将直接提供大电流。

这样充分体现出了这种车的优势，可以在瞬间将速度加得很大。

（三）、越野模式这时，蓄电池通过电荷泵向超级电容充电。

使电容电压比电池电压高10%~20%，这样就可以在加速中有了更多的能量储备。

有需要加速时，电池与电容自动并联（有单向导通装设防止电流回灌）。

这样很适合崎岖路面的行驶。

但因为电荷泵的升压，电力效率有一定降低。

（四）、超速模式这种模式只能短时间使用。

这时超级电容直接驱动电机，并且电池通过电荷泵以最大电流对其充电。

这样效率虽然最低，但是却可以瞬间达到最大功率。

以适应某些紧急情况。

刹车也有两种模式：（一）、慢刹车这时，车轮与一个发电机相连，并对其作功。

将机械能转变为电能，直接存储进电容以便再次利用。

（二）、急刹车这时，发电机与刹车片相时在车轮接触。

这时，大部分动能将被磨擦力消耗掉，以快速完成制动。

在刹车过程，模式与力度都由刹电把操作，并且有力反馈功能，使操作更加直观方便。

我们的充电模式也很独特，充电时电池与电容处于并联状态。

对它们同时充电，由于电容内阻极小很快就能充满电（为保护电容不至于过流烧毁，附有保护电路，充电可在十几秒内完成。

）然后电池将在数小时后充满电。

这样的优势是在充电开始的十几秒内将容到满客量的10%左右，足以使车再往前走数公里。

这在应急情况下，很有用。

在长时间运行时，如果附近有220V交流电网（充电时只需往插座里插一下），就可以几乎不间断的行驶。

如果在以后全面普及时在每个十字路口都开设充电站。

我们的电动车就可以在城市里畅通无阻了。

五、核心技术及优势（一）、研发背景由于金属氧化物在电极/溶液界面反应所产生的法拉第准电容要远大于碳材料的双电层电容，已引起了不少研究者的兴趣。

目前的工作主要围绕以下四个方面：（1）使用各种方法制备大比表面积的贵金属氧化物R u O2做电极活性物质；（2）把R u O2与其他金属化合物混合以达到同时减少R u O2用量同时又提高电极材料的比容量的目的；（3）寻找其他的廉价材料代替R u O2以降低材料成本。

（4）寻找合适的电极材料组装混合超级电容器。

1贵金属氧化物超级电容器的研究各种贵金属氧化物用作超级电容器电极材料是目前研究较多的课题。

由于R u O2具有很高的比容量而得到广泛重视，研究主要集中在使用各种方法制备大比表面积的R u O2。

用热分解氧化法制得的R u O2薄膜电极，其单电极比容量为380F/g。

J.p.Zheng、T.R.jow等用溶胶凝胶法制得的无定形的R u O2·xH2O电极，单电极比容量高达768F/g。

分析认为在R u O2变为Ru(OH)2时，如果反应在所用的电位范围0~1.4V内，一个Ru4+和两个H+反应，则R u O2的比容量大约为1000F/g。

用热分解氧化法制得的R u O2不含结晶水，仅有颗烂外层的Ru4+和H+作用，因此，电极的比表面积的大小对电容的影响较大，所得电极比容量比理论值小的多；而用溶胶凝胶法制得的无定形的R u O2·Xh2O，H+很容易在体相中传输，其体相中的Ru4+也能起作用，因此，其比容量比用热分解氧化法制的要大。

在贵金属氧化物电极材料中，用I r O2做电极有着与R u O2电极相类似的法拉第准电容特性，它们都具有较高的比容，良好的电导率，但价格十分高昂，因此，人们在寻找各种方法减少贵金属的用量或寻找性能相当而价格低廉的替代材料。

2 R u O2与其他复合金属氧化物超级电容器的研究在R u O2中添加其他金属制备成复合金属氧化物成了你们研究的热点。

Jai Prakash等制成了Pb2Ru2O6.5放电比能量大于5Wh/kg[8]；A.Manthi-ram等人用沉淀法制备的无定形WO3·xH2O/RuO2、Nao.37WO3·X H2O等复合氧化物，含50% R u O2时，比容量高达560F/g，制备的无定形Ru1-y CR y O2·X H2O复合氧化物比容量高达840F/g；Yoshio Takasu等人用溶胶凝胶法先后制备RuO2与MoOx、VO X、TIO2、SnO2等复合氧化物，都不同程度的减少了RuO2的用量，同时可以加大电极材料的比容量。

3其他金属氧化物超级电容器的研究为寻这种性能优良的金属氧化物，研究较多的金属氧化物是NIO和MnO2等，如采用NIO，其电极体系为NiO/KOH，形成法拉第准电容的氧化还原反应为：NiO+OH-=NiOOH+e闪星等人用络合沉淀法制得Ni(OH)2，经加热分解得到纳米NiO粉末做电极活性物质，其比容量可达110F/g；王晓峰等人用水解法制得Ni（OH）2胶体，经烧结处理得到具有特殊结构及表面的超细NiO粉末做电极活性物质，其比容量达240F/g；Liu和Anderson用溶胶凝胶制得的多孔NiO的水合物做电极活性物质，比容量可达265/g。

另外，不少研究者也对其他的金属氧化物进行了大量的研究。

闪星等人用KMnO4氧化MnSO4制得纳米水合物MnO2粉末做电极活性物质，比容量达177.5F/g；Suh-Cem Pang等用溶胶凝胶法制得MnO2水化物做电极活性物质，比容量达698F/g；Branko N. Popov等用醇盐溶胶凝胶法制得的氧化钴干凝胶作电极活性物质，比容量可达到291F/g;HeeY.Lee等用多孔的V2O5的水合物做电极活性物质，比容量可达350F/g。