薄膜电容器在电动汽车上的性能测试

2015/10/28

随着世界各国开始注意生态环境的保护,不可再生能源的高效率利用,电动汽车在能源选择上、对环境保护上独有的优势成为各国纷纷投入大量精力、物力、财力研发的重点。但是混合动力的电动汽车一般都会出现续跑能力不足和能量密度不高的状况,严重限制了绿色电动汽车的进一步发展。有技术可以实现利用电动汽车减速时的制动动能再循环利用,把以前浪费掉的制动动能回收成电能再在电动汽车上继续使用,提高了电动汽车的续航能力,推动了绿色电动汽车的进步。

一、薄膜电容器对电动汽车的影响

    正常情况下,汽车在城市道路中行驶的时候,会出现频率比较高的加速和制动的情况,而每次的制动都不会出现很长的时间。这就使得汽车在制动的时候,利用的制度动能产生的电流不是稳定平稳的。一方面,汽车使用的蓄电池需要稳定电流的充能,所以对于制动产生的电能回收利用效率不高。另一方面,不稳定的制动电流一般都会比较大,大大超过了蓄电池正常的充电电流,对于蓄电池的使用寿命来说,严重减少了蓄电池应有的使用年限。所以,现状比较流行的做法就是使用大容量的电容器配合蓄电池来使用,这样能很好的解决制动动能回收的问题。此外大容量的电容器还能帮助电动汽车在突然启动和突然提速时放电电流趋于稳定的状态。现在的市场上使用较为频繁的是双电层电容器和电化学电容器,两者都是拥有大容量的电容器。它们都是用电解质和电极之间自然形成的双电层的结构和电极氧化还原的形式储藏能量,单体工作电压小,电容量可达数千法拉,拥有极好的储能性。一般实际使用中需要把多个大容量电容器串联起来,以增大整个电容器的工作电压。为保证大容量电容组中各单体能均衡地充放电,需要一套大容量电容组管理系统来进行控制。这些都使大容量电容器的成本输出很高,制造工艺繁琐。薄膜电容器是一种用金属镀层作为电极,用聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯等塑料薄膜与电极一起做成圆筒形的电容器。单体电容器的工作电压就可以达到几千伏,并联几个电容器能够提高总的电容量,不需要通过充放电平衡控制,所以这种大容量电容器的成本比较低,应用量大。

二、大容量薄膜电容器的性能试验

    金属化聚丙烯薄膜电容器是典型的大容量薄膜电容器,金属化蒸镀用的光膜厚度为3-6μm,使用了先进的防爆金属化镀膜工艺,一般是不锈钢的壳。电容器里有若干小型电容器单元,小型电容器单元中都有金属内熔丝提供安全保障。如果某个小型电容器单元由于故障被击穿,整体的电容器容量不会有较大的改变。全世界范围内,还没有形成对电动汽车里大容量电容器试验的统一规范。超级电容器的试验手册是由美国能源部在2004年的一个试验项目中起草的。该手册基于FreedomCAR能量储存试验中所使用的方法,规定了应用于混合动力电动汽车上的超级电容的一系列试验。本文通过参考手册进行了储能电容器静电容量、等效串联内阻的试验来测试电动汽车里大容量电容器的性能。

    2.1 静电容量试验。利用储能电容器进行多次的充放电,充放电电压上限是800V,充放电电压下限是100V。根据相应容量大小的薄膜电容器选择不同的恒值电流进行充放电,本文选择了20A的恒值电流进行重放电的试验。通过试验AG亞遊體育得到完成一个充放电的循环电容器两个极板之间的电压值与时间的关系,测试得知平均每一个充放电的时间是0.3s,这样AG亞遊體育就能得出电容器的静电容量:

                                       (1)

    2.2 等效串联电阻测试。导线、介质、电极和接头之间的总阻抗值是所谓的等效串联电阻测试。因为串联电阻的原因,电容器在充放电的时候会造成一定的动态损失。等效串联电阻的测量可采用交流阻抗法或直流中断法。其中直流中断测定法是根据电容器在断开恒流充电电路10ms内,电压的突变来计算等效串联电阻的。用恒流值20A的电流来对电容器进行充电,充电到800V以后,等待8s,再断开充电电路, 用功率分析仪记录断电后10ms内的电容器电压从800V变化为798. 3V,据此可计算该电容器的等效串联电阻值为:

                                  (2)

2.3 绝缘电阻测试。测量电容器漏电的方法是向被测的电容器施加一个固定的电压,然后测量所产生的电流。泄漏电流随时间呈指数衰减,所以通常需要在一个已知的时间期间内施加电压(浸润时间,即预充电时间),然后再测量电流。               

  1. 4 实验结果。从实验的结果可以看到:首先,本文所用到的薄膜电容器静电容量是7.5mF,额定的工作电压是800V。由此还可以得知电容器的存藏电能为:

                                        (3)                 

AG亞遊體育可以看到目前该薄膜电容器样机系统可吸收的制动再生能量很少。为了有效增加电动汽车制动产生的动能能量再循环使用的效率,AG亞遊體育可以把薄膜电容器的静电容量和额定的工作电压加以提高,从而提高制动动能的再循环的质量。其次,该薄膜电容器系统的等效串联电阻很小,在大电流的充放电时动态损失比蓄电池要低,因此可作为电动汽车在加速和爬坡时提供短时大功率的辅助动力源。最后,测试的薄膜电容器系统电能再生率不高,只可能在电动汽车的辅助动力源方面加以利用。

三、结论

    3.1 薄膜电容器充放电效率很高。由于薄膜电容器充放电效率高AG亞遊體育可以进行大电流的快速充电来充分利用外来的能量,提高回收制动动能的使用效率。

    3.2 薄膜电容器结构简易,成本低。薄膜电容器的小型电容器单元工作电压比较高,并联使用后,可以提高工作需要的电能容量。所以结构简易,成本低。

    3.3 薄膜电容器静电容量小。目前薄膜电容器系统还存在静电容量不高的问题, 需要相关研发单位进一步的利用先进技术来解决,一步一步的实现薄膜电容器的市场化占有率的提高,推动绿色电动汽车在全世界的发展和应用。