超级电容器在电动车辆的应用
——城市公共交通现代化最佳方案

来源:王嘉善 高级工程师      2008/7/8   浏览7058次   

超级电容器电动大客车是城市公共交通现代化的最佳方案——环保、节能、成本低!

一、超级电容器的技术特点

超级电容器的研制成功是储能设备(蓄电池)的一次革命:其他储能设备,都是由电能转变成化学能,再由化学能转变成电能,两次转变能量有损失,超级电容器直接充电,再直接放电,能量形式没有转变,能量也没有损失;充放电效率高达98%,经济价值大,只有铅酸电池的70%。

超级电容器是上个世纪七十年代末,出现的一种产品,它突破了传统的电容器设计思想,电容器由微法拉级提高到法拉级(1法拉=106微法拉),创造出1000法拉级超级电容器;到上个世纪末,又先后出现了10,000-100,000法拉的牵引型超级电容器,从此超级电容器开始进入电池应用市场,出现了超级电容器电动车的新概念,它以其优异的性能,改变了人们的传统认识,建立了全新的交通运输电动车的设计思想。

超级电容器比功率大,其特性是:充电时,充电量大,充电量快;放电时,放电量大,放电量快。在电动车辆运行时,起步快,加速快,爬坡有力,比铅酸电池大30多倍,这是电动车能用得上最重要的性能。

超级电容器比能量小,其特性是:同等重量超级电容器续驶里程,仅为铅酸电池的1/3,这是超级电容器一大缺陷。超级电容器续驶里程短,跑不远;但充电速度快,可以弥补续驶里程短的缺陷,补救的方法是在城市交通线路的两头建立充电站,这样超级电容器电动车的续驶里程,可以不受限制。

二、超级电容器的优点:

1、超级电容器是绿色能源(活性炭),不污染环境。

2、超级电容器寿命长(1-10万次);铅酸电池寿命短(500次),易损坏,难管理,是铅酸电池的20~200倍,可以与设备同命运。

3、超级电容器充电速度快(0.3秒~15分钟);铅酸电池充电时间长(5~8小时),很多电池就是充电时间长,续驶里程短。

4、超级电容器充放电效率高(98%);铅酸电池充放电效率低(70%);

5、超级电容器功率密度高(10.000W/kg);铅酸电池功率密度低(300W/kg),差30多倍。

6、超级电容器彻底免维护,工作温度范围(-40~50);铅酸电池电动车在-40℃续驶里程减少90%,超级电容器只减少10%。

7、超级电容器电动大客车能量回收强,紧急制动能量回收高达75%;铅酸电池能量回收仅为5%,这点对公共大客车太重要了,可以节约大量的燃料。

8、相对成本低。超级电容器价格比铅酸电池高一倍在大量生产后价格还会下降;但超级电容器的寿命比铅酸电池高10倍,这点对公共大客车产业化非常重要。

三、二元动力超级电容器电动车为什么能省油?为什么能减少污染?

二元动力超级电容器电动车,其中最大的优点,就是充分发挥超级电容器在低转数,大负荷情况下,能量基本不受损失;在减速、下坡、刹车情况下,其能量能回收。避开内燃机在低转速、大负荷;高转速、高负荷费油的状态下运行,使发动机永远在最佳状态下运行,即省了油,又减少了污染,二元动力超级电容器电动车能节油30%~50%,减少污染70%~90%。

——起步阶段:转数低、负荷大、费油;这个阶段内燃发电机组在最佳状态运转,这时要用超级电容器启动、加速,并向超级电容器充电。

——正常运转阶段:这时内燃发电机组是在最佳状态运行,并向电动机输出动力,这时公共大客车负荷最小,也最省油,并向超级电容器充电。

——高速运转阶段:内燃发电机组向电动机输出稳定的动力,超级电容器也向电动机输出动力。这个阶段电动机转数高、负荷也大,公共大客车车速也最快。

——刹车、停车、减速、下坡阶段:这时发电机组、超级电容器停止向电动机输出动力,这时大客车所储备的动能,电动机转变成发电机向超级电容器充电,能吸收70%的动能,尤其城市公共交通,能节省大量的燃料。

四、我国在超级电容器技术方面处于领先地位

我国黑龙江、哈尔滨巨容公司,经自主研究开发超级电容器,在技术上在国际上处于领先地位,拥有独立的知识产权,产品的技术水平与俄罗斯同类产品相近(见表3)。俄罗斯的产品被17届国际电动车年会(EVS-17)评价为目前国际上最先进的超级电容器,知识产权价值2亿美元。

我国哈尔滨巨容公司的超大电容VC系列产品是采用国内各种成熟技术,以优化组合而制成的,所以具有成熟的技术基础和产业基础。产品经过几年的运行试验,性能指标完成符合设计要求,产品已列入了国家的863项目,并出口到美国、加拿大等国家。

以上情况证明该产品的技术具有一定的先进性和成熟性,具备了装备各种电动车的基本条件。

五、建立城市公共交通现代化新模式

1.城市公共交通的特点:公共交通线路站点固定,长度一般在8-11公里,最长线路一般不超过13公里。车辆运行速度一般在20公里/小时左右;调整行驶一般在40公里/小时左右。车辆启动、停止、刹车、变速频繁,车辆在终点停留时间长,通常停留时间约在15-30分钟。

2.建立超级电容器电动大客车专线:线路两头设立充电站,每台充电站可以同时充3-5辆超级电容器电动大客车,充电时间约在15-30分钟。

3.超级电容器电动大客车性能:用超级电容器装备能乘坐50人的公共大客车,超级电容器重量约为800-900公斤,一次充电可行驶15公里,最高速度约为40公里/小时。

4.超级电容器电动大客车优点:

⑴超级电容器电动大客车优点——环保、节能、成本低!

⑵超级电容器具备的优点,超级电容器电动大客车都具备。

⑶超级电容器电动大客车制动、减速、下坡的能量可以回收,紧急制动,能量回收率约为50-70%;铅酸电池能量回收率仅为5%。

⑷超级电容器电动大客车不受续驶里程限制,可以和汽油车、柴油车在线路上一样行驶。

六、城市公共交通新模式经济分析

1.基本建设投资小。建立一个超级电容器电动大客车充电站,仅需30-50万元,一条线路的投资在100万元以内;而建设一个加油站需要500-600万元;建设一个同样规模加气站、铅酸电池充电站需要500-1000万元。

2.车辆制造成本低。超级电容器电动车结构简单,利用无轨电车改装,成本就更低了。

3.运营成本低。汽油车运营成本,为修理费+汽油费;铅酸电池电动车运营成本,为修理费+铅酸电池损耗费+电费;超级电容器电动车运营成本,为修理费+电费,没有铅酸电池损耗费。按成本费用高低排列;最高是汽油车,其次是电动车,最低是超级电容器电动车。超级电容器电动车和铅酸电池电动车成本相比较,超级电容器价格比铅酸电池高一倍,寿命比铅酸电池高十倍,算总账成本比铅酸电池低多了。

七、城市交通现代化最佳方案

城市交通现代化有诸多方案,例如减少有害气体的排放;采用无污染燃料;开发混合动力车;开发电动车,电动车是最理想的城市交通现代化车辆。电动车的发展,关键是蓄电池的开发。蓄电池又分铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池,超级电容器(蓄电池)等。最佳电池是超级电容器,用超级电容器装备起来的电动车,也是最完美的电动车。建设新模式的现代化的城市交通体系的措施如下:

1.城市建立充电网络:超级电容器有个缺点,能量密度小,铅酸电池为(20~50Wh/kg),超级电容为(1~12 Wh/kg)。例如,铅酸电池电动自行车能跑50公里;超级电容只能跑20~25公里;超级电容有个优点,能弥补它的缺点,即充电速度快(0.3秒~15分钟),充完电可以继续跑;铅酸电池充电需要(5~8小时),时间太长,快速充电影响铅酸电池寿命,所以充完电无法继续跑,城市建立充电网络这一问题就迎刃而解了。

汽油车现在到处是加油站,天然气汽车、液化石油气汽车需要建加气站,建一个加气站需要投入1000多万元,建一个加油站也需要(500-600万元)。建一个充电站只需要10万元,中等城市建立100多个充电站,有1000多万元也就可以了,该充电网络电动大客车可以用,电动轿车可能用,电动自行车也可以用。

2.用超级电容器装备各种电动车辆:超级电容器的研制成功是储能设备在高新技术方面的重大突破,它和其他电池组合(铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池或燃料电池)可以用到任何电动车型上,例如:

一元动力。一元动力是单纯用超级电容器来驱动电动车,这个方法结构简单、实用、成本低。一元动力,适合用在短距离,电源固定的地方。例如:火车站、飞机场的牵引车上;煤矿的采煤车、运输车上;公园的游览车、游艇上;城市的电动自行车上。

二元动力。二元动力是超级电容器和发动机、铅酸电池(镍氢电池、锂离子电池或燃料电池)结合起来驱动电动车。铅酸电池和超级电容器结合,铅酸电池本身的寿命可以“延长三倍”。二元动力适合用在城市固定线路的公共电动大客车上,该车结构简单、实用、成本低;固定线路两头要建立充电站。

三元动力。三元动力是超级电容器、铅酸电池、金属空气电池或燃料电池三者结合起来驱动电动大客车;三元动力电动大客车结构合理,性能优越,可与汽油车相媲美,是理想的电动大客车。三元动力源都能发挥其独特的作用。

超级电容器:超级电容器在三元动力中,发挥主导作用,起步速度快,爬坡能力强,超车容易,能量回收效率高。超级电容器和铅酸电池相结合,铅酸电池寿命可以“延长三倍”,超大电容器和铅酸电池的电量可以互相补充。超级电容器和充电站相结合,超级电容器从充电站得到的多余能量,不断地向铅酸电池充电。

铅酸电池:铅酸电池在三元动力中,其功能主要是为了延长续驶里程,为了提高车辆速度,当超级电容器电能减少时,铅酸电池给超级电容器补充电能。

金属空气电池:金属空气电池在三元动力中,其主要功能是为了延长续驶进程,因为金属空气电池比能量很高,铅酸电池次之,超大电容最小。

三元

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