具有電池和超級電容器的混合動力汽車動力源SebastienWasterlain*,AlcicekGuven*,HamidGualous*,JeanFranFauvarque**,RolandGallay***瑞士，巴黎街孔戴75003Montena65架CH-1728Rossenshamid.gualous@univ—fcomte.fr摘要本文提出了一種用電池和超級電容器實(shí)現(xiàn)混合動力源。超級電容器是按所需求的串聯(lián)電路來使用電池來提供電源的瞬態(tài)動力。能量電池是按并聯(lián)放置，這種電池是在在穩(wěn)定狀態(tài)下提供動力。1簡介車輛的舒適度的增加，決定于動力和電池目前需求的顯著增長。這種電流的增高主要來自于電池的升溫。這種升溫會產(chǎn)生許多不同的影響。首先，會嚴(yán)重減少電池的使用壽命，其次會對電容產(chǎn)生重大影響。更成問題的是，在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)啟動時，相比于電池的額定電流而言，由起動器咬流發(fā)電機(jī)組所需的電流非常重要，這樣終究會嚴(yán)重減少電池的使用壽命和電容的容量。最后，電池的最后—個問題是制動能量的休養(yǎng)。確保電池正確充電，并且使電容保留在最大容量是十分必要的。必須保證電池電壓低于最大電壓，一般而言，這個電壓大約是每單元2.35伏，而且相對于其其額定電流而言，它是一個比較低的電流。但是，在移動應(yīng)用和電動汽車領(lǐng)域更確切地說，這種情況是不會出現(xiàn)的。這些問題已經(jīng)拖延了電動汽車技術(shù)的進(jìn)步。為了解決這些問題，最便宜和最簡單的解決方案，就是將電池的電壓升到42V。這種解決方案將會使，在同等電能的情況下降低電流成為可能但是會有9焦耳的損失。，他與電流的平方成正比。同時減少了部分的電纜的使用量。其中涉及車輛的總重量減少，特別是就工作效率、性能和成本而言。但是，如果我們不考慮超載問題，這將會有另一個問題，就是汽車電子產(chǎn)品的完全改變，當(dāng)電壓無法達(dá)到42V時，將導(dǎo)致產(chǎn)生額外的費(fèi)用。由制造商開發(fā)的動力電池能夠提供動力車所需的必要的動力，對許多電池而言，價格將不會上漲。對于鉛酸蓄電池而言，他具有物理極限，根據(jù)它的循環(huán)次數(shù)，尤其是放電的深度，它的壽命是有限的。停止&運(yùn)行的技術(shù)，用來降低消耗，將會呈現(xiàn)在在混合動力汽車之前。這項(xiàng)技術(shù)將涉及到很多未知領(lǐng)域。如果放電深度很高，鉛酸動力蓄電池將無法支持這種循環(huán)次數(shù)。使用的功率器件去提供強(qiáng)大的動力和協(xié)助車輛加速，是非常必要的。這種能量存儲設(shè)備的生命周期必須充分掌握的停止&運(yùn)行的技術(shù)。把超級電容器運(yùn)用于能量的應(yīng)用，使工業(yè)化成為現(xiàn)實(shí)。在發(fā)達(dá)的起源對市場的記憶是在使用公共電子，超級電容器技術(shù)適用在公共范圍內(nèi)，花費(fèi)了相當(dāng)長的一一段時間戰(zhàn)勝對工業(yè)過程的缺乏和考慮經(jīng)濟(jì)的可行性。因此新概念的應(yīng)用和產(chǎn)品正在開發(fā)之中。在車?yán)餃p少消費(fèi)，達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)42V,而在混合車?yán)锸?00V。在公共交通之中，回收火車和地鐵的制動過程產(chǎn)生的能量。發(fā)展沒有電話架空線路的電車。在工業(yè)場所，開發(fā)發(fā)電設(shè)備。提供瞬時力量的需求。更換逆變器電池，降低電池的回收的成本。環(huán)境代價是重要的，超級電容在對電網(wǎng)的優(yōu)化中有十分重要的作用。尤其是在在開展系統(tǒng)的能效提高和在電池更換的減少這兩個方面。事實(shí)上超級電容器不會被用來作為源純能量，因?yàn)樗麄兊娜跄苜|(zhì)量，而是電池的補(bǔ)充，對能源有強(qiáng)烈的需求。作為超級電容器的電源解決方案顯然非常值得關(guān)注。但是，而每千瓦小時的成本仍然比鉛酸蓄電池高，然而它的重量和體積比較小。2 超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的基本結(jié)構(gòu)如下，有一個鋁質(zhì)外殼，由活性炭組成的電極放在在有機(jī)電解液或水浸漬之中。插入一個分隔器兩個電極之間分隔，并使之絕緣(圖1)。裝配的單元被分離作為傳統(tǒng)的電容器[1-5].Electrodes圖1 超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器的工作原理是基于通過離子分布存儲能量。該能量來自中的兩個電極表面附近電解質(zhì)。事實(shí)上，當(dāng)一端提供了超級電容器的端電壓，一端在接口電極電解質(zhì)之中產(chǎn)生一個空間電荷區(qū)域。這就是那一端被稱為雙電層。因此，對于電池而言，能量的貯存是通過靜電作用而不是法拉第電磁感應(yīng)，因?yàn)闆]有電化學(xué)反應(yīng)。超級電容器具有含有活性炭的陽極陰極結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的電容器而言，它允許有一個相當(dāng)高的表面激活，從而取得非常高價值的能力(1到5000F)。這使得電容器具有潛在的輔助存儲元素的能力，最理想的情況是互補(bǔ)的燃料電池或細(xì)胞。電容器采用的類似于許多平行細(xì)胞結(jié)構(gòu)的使用使達(dá)到電壓和電流的高輸出成為可能。圖2給出了等效電容和等效串聯(lián)電阻根據(jù)頻率所繪制的麥克斯韋MC2600F。這些結(jié)果利用電化學(xué)交流阻抗法給出了評價。這些曲線表明低頻時電容比較高(fv100mHz),即fv100mHz是超級電容的容量隨著頻率的增大而下跌，例如，當(dāng)頻率等于一赫茲時，電容位于1400F，在動態(tài)模式下，非常必要考慮頻率的差異。另一方面，由于阻力系列變化所導(dǎo)致的頻率差值可以忽略不計(jì)。

亠L(fēng)L】@11410慶弗UFrequencyJHz)% U.LTUU 亠L(fēng)L】@11410慶弗UFrequencyJHz)% U.LTUU —knncriwimFrwmFrw inif加I.ODtfl!I.OCMC1.(]OE+<]11.00&02K0D&02LD0M3FrequencyJHz)圖2麥克斯韋MC2600F電容和等效串聯(lián)電阻作為頻率的函數(shù)（V=2.7V）3實(shí)驗(yàn)結(jié)果這個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果包括把一個能量電池（具有較高的電容）在并行超級電容器的模塊和一個低能量電源（具有低電容）。這種連接的目的是降低初始電流和當(dāng)汽車加速時進(jìn)入能量電池（具有高高電容）的電流。為了保證能量電池（高電容）最好的周期性運(yùn)行。HvhriN^imnlvFnert>vbntrei'vFlectiicslMornrnfveliicleHvhriN^imnlvFnert>vbntrei'vFlectiicslMornrnfveliicle圖3 實(shí)驗(yàn)裝置的原理將被選擇的電池1的容量低于電池2的容量。與此同時，被選擇的超級電容模塊的容量也是如此。這樣以便保證更好的運(yùn)行溫度（尤其在低溫的情況下）,同時更好地保證電容運(yùn)行時間的變化。電池2將是一個具有大容量的能量電池。這樣不但提供能源的分配，而且提供電子設(shè)備（頭燈、空調(diào)、電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行）的尺寸。這種新尺寸將使減小電池的容量成為可能，所以，價格就像體積一樣。但是，這種電池的電阻必須高于混合供應(yīng)的電阻。超級電容模型必須具有提供較高電能的需求。同時，超級電容必須能夠限制電池排放的深度，而且還要能夠精確通知我們費(fèi)用的狀態(tài)地多少，依據(jù)真在使用的電池（依靠自放電，內(nèi)阻，老化）。超級電容必須能夠確保在制動階段能量緩沖的部分，改變能量的儲存并迅速將其轉(zhuǎn)移到電力負(fù)荷?；蛘呔徛膶⑵滢D(zhuǎn)移到電源2，如果電源2沒有完全充電。最后，超級電容必須能夠確保能量源的部分,如果這個能量電池面臨著崩潰。在圖4對的第一個研究結(jié)果得出以下配置。超級電容模型（12V）和12V的電源串聯(lián)。常用的負(fù)荷是適用于一個摩托車，呼吸機(jī)應(yīng)用車輛的組合。結(jié)果表明當(dāng)電機(jī)啟動超級電容器模塊以一個穩(wěn)定的狀態(tài)提供所需要的電能。因此，電池的最大電流值相比于超級電容器的電流值來說是非常低的。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電池電流

增長時，超級電容的電流降低。所以，在剛開始的時候，電池電壓和超級電容電壓是相等的。電池電流取決于超級電容器的充電狀態(tài)。很明顯，這個組合允許減少暫態(tài)時電池的峰值功率。因此，這樣就使得延長電池的使用壽命成為可能。同時提高系統(tǒng)能量使用效率。 Vscap^V}1J IImola<jr(A}J 11VJ Vscap^V}1J IImola<jr(A}J 11VJ iI/—iIjVII1i1204U508Clc2C1--Iscap(A) lbaI(A}1111Ii3JJ|Ai二一-、-12D 4060￡0100Time(s)505<)圖4超級電容器和電池電壓以及電流變化關(guān)于時間的函數(shù)常用的負(fù)荷是一個汽車呼吸機(jī)結(jié)論具有電池和超級電容器的混合動力汽車動力源所展現(xiàn)在本文中的可以用來啟動內(nèi)燃機(jī)，同時運(yùn)用于停止和啟動的應(yīng)用和微觀混合動力汽車。參考文獻(xiàn)：A.F.Burke'Ultracapacitor:why,how,andwhereisthetechnology?JournalofPowerSources91(2000)37—50M.Hahn,A.Wursig,R.Gallay,P.Novak,R.Kotz“Gasevolutioninactivatedcarbon/propylenecarbonatebaseddouble-layercapacitors”ElectrochemistryCommunications7(2005)925—930.⑶R.Kotz,M.Carlen'Principlesandapplicationsofelectrochemicalcapacitors5ElectrochimicaActa45,(2000)2483—2498.HahnM.,BaertschiM.,BarbieriO.,SauterJ.-C.,KotzR.,GallayR.,“Interfacialcapacitanceandelectronicconductanceofactivatedcarbondouble-layerelectrodes”,Electrochem.SolidSt.,7(2)(2004),A33-A36.E.J.DowgialloandA.F.Burke,'UltracapacitorsforElectricandHybridVehicles5.ElectricVehicleConference.Florence,Italy.1993AlfredRufer,DavidHotellier,PhilippeBrade,“Asupercapacitorbasedenergystoragesubstationforvfoltagecompensationinweaktransportationnetworks,”inIEEEtransactiononpowerdeliveryvol19,N°2,21004.J-N.Marie-Frangoise,H.Gualous,R.Outbib,A.Berthon?42VPowerNetwithsupercapacitorandbatteryforautomotiveapplications'JournalofPowerSourcesVol.143,issue1-2,pp.275-283(2005).R.Kotz,M.Hahn,R.Gallay,“Temperaturebehaviourandimpedancefundamentalsofsupercapacitors,”，JournalofPowerSources154(2006)550—555.L2ESLaboratoryUFC-UTBMBatF,UTBL2ESLaboratoryUFC-UTBMBatF,UTBMMRueThieryMieg90010BelfortFranceL2ESLaboratoryUFC-UTBMBatF,UTBMSebastienWasterlain*,AlcicekGuven*,HamidGualous*,JeanFran