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东京大学,超级电容器在电动汽车上的应用

发布时间:2019-09-22 17:20编辑:汽车新闻浏览(194)

    堀 洋一

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    1983年获得东京大学大学院工学系研究科博士学位,2000年就任东大电气工学系教授。2002年起任东大生产技术研究所教授。研究方向为控制工学和机械电子,长年从事电动汽车控制技术研究。

    现在,城市污染气体的排放中,汽车已占了70%以上,世界各国都在寻找汽车代用燃料。由于石油短缺日益严重人们都渐渐认识到开发新型汽车的重要性,即在使用石油和其它能源的同时尽量降低废气的排放。

    日经BP社:随着汽车电子的发展,未来10~20年汽车将发生怎样的变化?

    超级电容器功率密度大,充放电时间短,大电流充放电特性好,寿命长,低温特性优于蓄电池,这些优异的性能使它在电动车上有很好的应用前景。在城市市区运行的公交车,其运行线路在20公里以内,以超级电容为唯一能源的电动汽车,一次充电续驶里程可达20公里以上,在城市公交车将会有广阔的应用前景。电动汽车属于新能源汽车,包括纯电动汽车,BEV)、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车(FuelCellElectricVehicle,FCEV)三种类型。它集光、机、电、化各学科领域中的最新技术于一体,是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车与传统汽车在外形上没有什么区别,它们之间的主要区别在于动力驱动系统。电动汽车采用蓄电池组作储能动力源,给电机驱动系统提供电能,驱动电动机,推动车轮前进。虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车,但在行驶过程中不排放污染,热辐射低,噪音小,不消耗汽油,结构简单,使用维修方便,是一种新型交通工具,被誉为“明日之星”,受到世界各国的青睐。超级电容器简介超级电容器又称为电化学电容器,是20世纪年代末出现的一种新产品,电容量高达法拉级。以使用的电极材料来看,目前主要有3种类型:高比表面积碳材料超级电容器、金属氧化物超级电容器、导电聚合物超级电容器。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(Pesudocapaeitor)。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。

    堀 洋一:最大的变化是超越汽车电子的范畴,实现依靠电力驱动的汽车。与其说是电和软件改变了汽车,不如说是汽车成为电器。换句话说,未来的汽车将与电力系统相连接。传统的汽油发动机车变为混合动力车和插电式混合动力车,最终发展为纯电动汽车的发展蓝图越来越现实。

    当然,其他发展蓝图也在实现之中。比如还有清洁柴油车和生物燃料车。燃料电池车有些唱配角的感觉。只要供电基础设施足够完善,电动机可以说是较为理想的交通工具的驱动致动器,火车已经在100年前证明了这一点。

    如此考虑的话,即便是在所有发展蓝图中进行比较,混合动力车经由插电式混合动力车阶段,最后向纯电动汽车发展的推测极具竞争力。这其中当然存在原油价格暴涨带来的推进作用,随着北海道洞爷湖峰会的临近,这种发展方向也愈发明确。

    汽车与电力系统相连之后,汽车的性能也会发生变化。汽车将成为“短时多次充电行驶的、类似于轻轨的交通工具”。火车和汽车的区别是什么?火车是边行驶边从外部获得能量的交通工具,而汽车则是带上大部分能量行驶的交通工具。

    传统的汽车加满汽油可连续行驶400k~500km,时速高达160km。因为汽车厂商的目标是实现“无论何时何地何人”都能驾驶的汽车。但现在,是不是所有汽车都需要这种水平的性能呢?考虑到现实用途,其实有很多人认为,汽车只需要1天行驶20km左右,时速最高达到100km左右即可。

    具备连续行驶400k~500km的汽车是即使在撒哈拉砂漠中心也可冲出沙漠的性能配置。在城市驾驶这类汽车简直是浪费。每当谈到低蓄能汽车的话题时,总有人说“万一能源耗尽抛锚了怎么办”,但是有多少人会在抛锚时跑到一个不能充电的地方呢?人们只需要按照自己的需要进行选择就可以了。

    日经BP社:在上述汽车的进化过程中,哪项电子技术将起到关键作用?

    堀 洋一:如果汽车接入电力系统,实现“短时多次充电行驶”,那就到了电容器一展身手的时候了。汽车采用电驱动时,不能像火车那样依靠轨道沿线的架线随时供电。也不能像汽油发动机车那样储存可供行驶400k~500km的能源。因此,需要配合建设能够少量供应能源的供电基础设施。汽车只需装载少量能够快速充放电的能量源即可。

    那么,这种能量源是充电电池还是电容器呢?我个人觉得电容器更好。电容能够大电流快速充电这一点极具魅力。充电电池虽然放电速度快,但充电时间过长。

    以使用充电电池的插电式混合动力车为例,回家后需要充电1~2小时。虽说在不久的将来可能会减少到15~20分左右,但依然很长。而电容器只需30秒即可完成充电。但是,如果累积太多的电容器,充电也需要较长的时间,因此应该少量装载。

    电容器还有其他特性:充放电中无化学变化,产品的寿命较长;可通过端子电压正确判断剩余电量;不使用重金属,对环境影响小等。能量密度虽然不如锂离子充电电池,但是随着电容器技术开发的进展,之后有可能迎头赶上。

    我本人的研究室目前正在制作单纯利用电双层电容器驱动的单人电动汽车“C-COMS”,以此来探寻未来汽车的形态。

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