薄膜電容器在電動汽車上的性能測試

2015/10/28

隨著世界各國開始注意生態環境的保護,不可再生能源的高效率利用,電動汽車在能源選擇上、對環境保護上獨有的優勢成為各國紛紛投入大量精力、物力、財力研發的重點。但是混合動力的電動汽車一般都會出現續跑能力不足和能量密度不高的狀況,嚴重限製了綠色電動汽車的進一步發展。有技術可以實現利用電動汽車減速時的製動動能再循環利用,把以前浪費掉的製動動能回收成電能再在電動汽車上繼續使用,提高了電動汽車的續航能力,推動了綠色電動汽車的進步。

一、薄膜電容器對電動汽車的影響

    正常情況下,汽車在城市道路中行駛的時候,會出現頻率比較高的加速和製動的情況,而每次的製動都不會出現很長的時間。這就使得汽車在製動的時候,利用的製度動能產生的電流不是穩定平穩的。一方麵,汽車使用的蓄電池需要穩定電流的充能,所以對於製動產生的電能回收利用效率不高。另一方麵,不穩定的製動電流一般都會比較大,大大超過了蓄電池正常的充電電流,對於蓄電池的使用壽命來說,嚴重減少了蓄電池應有的使用年限。所以,現狀比較流行的做法就是使用大容量的電容器配合蓄電池來使用,這樣能很好的解決製動動能回收的問題。此外大容量的電容器還能幫助電動汽車在突然啟動和突然提速時放電電流趨於穩定的狀態。現在的市場上使用較為頻繁的是雙電層電容器和電化學電容器,兩者都是擁有大容量的電容器。它們都是用電解質和電極之間自然形成的雙電層的結構和電極氧化還原的形式儲藏能量,單體工作電壓小,電容量可達數千法拉,擁有極好的儲能性。一般實際使用中需要把多個大容量電容器串聯起來,以增大整個電容器的工作電壓。為保證大容量電容組中各單體能均衡地充放電,需要一套大容量電容組管理係統來進行控製。這些都使大容量電容器的成本輸出很高,製造工藝繁瑣。薄膜電容器是一種用金屬鍍層作為電極,用聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯等塑料薄膜與電極一起做成圓筒形的電容器。單體電容器的工作電壓就可以達到幾千伏,並聯幾個電容器能夠提高總的電容量,不需要通過充放電平衡控製,所以這種大容量電容器的成本比較低,應用量大。

二、大容量薄膜電容器的性能試驗

    金屬化聚丙烯薄膜電容器是典型的大容量薄膜電容器,金屬化蒸鍍用的光膜厚度為3-6μm,使用了先進的防爆金屬化鍍膜工藝,一般是不鏽鋼的殼。電容器裏有若幹小型電容器單元,小型電容器單元中都有金屬內熔絲提供安全保障。如果某個小型電容器單元由於故障被擊穿,整體的電容器容量不會有較大的改變。全世界範圍內,還沒有形成對電動汽車裏大容量電容器試驗的統一規範。超級電容器的試驗手冊是由美國能源部在2004年的一個試驗項目中起草的。該手冊基於FreedomCAR能量儲存試驗中所使用的方法,規定了應用於混合動力電動汽車上的超級電容的一係列試驗。本文通過參考手冊進行了儲能電容器靜電容量、等效串聯內阻的試驗來測試電動汽車裏大容量電容器的性能。

    2.1 靜電容量試驗。利用儲能電容器進行多次的充放電,充放電電壓上限是800V,充放電電壓下限是100V。根據相應容量大小的薄膜電容器選擇不同的恒值電流進行充放電,本文選擇了20A的恒值電流進行重放電的試驗。通過試驗我們得到完成一個充放電的循環電容器兩個極板之間的電壓值與時間的關係,測試得知平均每一個充放電的時間是0.3s,這樣我們就能得出電容器的靜電容量:

                                       (1)

    2.2 等效串聯電阻測試。導線、介質、電極和接頭之間的總阻抗值是所謂的等效串聯電阻測試。因為串聯電阻的原因,電容器在充放電的時候會造成一定的動態損失。等效串聯電阻的測量可采用交流阻抗法或直流中斷法。其中直流中斷測定法是根據電容器在斷開恒流充電電路10ms內,電壓的突變來計算等效串聯電阻的。用恒流值20A的電流來對電容器進行充電,充電到800V以後,等待8s,再斷開充電電路, 用功率分析儀記錄斷電後10ms內的電容器電壓從800V變化為798. 3V,據此可計算該電容器的等效串聯電阻值為:

                                  (2)

2.3 絕緣電阻測試。測量電容器漏電的方法是向被測的電容器施加一個固定的電壓,然後測量所產生的電流。泄漏電流隨時間呈指數衰減,所以通常需要在一個已知的時間期間內施加電壓(浸潤時間,即預充電時間),然後再測量電流。               

  1. 4 實驗結果。從實驗的結果可以看到:首先,本文所用到的薄膜電容器靜電容量是7.5mF,額定的工作電壓是800V。由此還可以得知電容器的存藏電能為:

                                        (3)                 

我們可以看到目前該薄膜電容器樣機係統可吸收的製動再生能量很少。為了有效增加電動汽車製動產生的動能能量再循環使用的效率,我們可以把薄膜電容器的靜電容量和額定的工作電壓加以提高,從而提高製動動能的再循環的質量。其次,該薄膜電容器係統的等效串聯電阻很小,在大電流的充放電時動態損失比蓄電池要低,因此可作為電動汽車在加速和爬坡時提供短時大功率的輔助動力源。最後,測試的薄膜電容器係統電能再生率不高,隻可能在電動汽車的輔助動力源方麵加以利用。

三、結論

    3.1 薄膜電容器充放電效率很高。由於薄膜電容器充放電效率高我們可以進行大電流的快速充電來充分利用外來的能量,提高回收製動動能的使用效率。

    3.2 薄膜電容器結構簡易,成本低。薄膜電容器的小型電容器單元工作電壓比較高,並聯使用後,可以提高工作需要的電能容量。所以結構簡易,成本低。

    3.3 薄膜電容器靜電容量小。目前薄膜電容器係統還存在靜電容量不高的問題, 需要相關研發單位進一步的利用先進技術來解決,一步一步的實現薄膜電容器的市場化占有率的提高,推動綠色電動汽車在全世界的發展和應用。