综述：集成超级电容器的电动汽车：拓扑结构、技术经济分析及未来发展路线图

《Applied Energy》：Supercapacitor-integrated electric vehicles: Topologies, techno-economic analysis, and future roadmap

　　Md Shohan Parvez|Md Mustafizur Rahman|Izan Izwan Misnon
马来西亚彭亨苏丹阿都拉大学机械与汽车工程技术学院汽车工程研究组，26600 彭亨州佩坎市，马来西亚

**摘要**
电动汽车作为一种更清洁的交通方式，其全球吸引力日益增强。尽管电动汽车市场有望快速发展，但仅依靠电池的能源系统仍存在诸多缺陷，包括充电时间过长、对温度敏感、循环寿命较短，以及在高峰功率需求下——尤其是快速加速或上坡行驶时——供电速度不足。超级电容器则为这一问题提供了另一种解决方案，它具有极高的功率密度（高达10,000 W/kg）、快速充电能力（0.1–30秒）、极长的循环寿命（超过500,000次）以及出色的功率管理功能。然而，要实现超级电容器的广泛应用，还需在提高能量密度、优化电池单元平衡以及实现大规模生产等方面取得更具成本效益的技术进步。本文综述了电池驱动电动汽车面临的基本问题，探讨了通过多种混合储能系统架构整合超级电容器的前景、应用方式及最新进展。同时强调了超级电容器在峰值功率管理、防止热失控、延长电动汽车续航里程、加快充电速度以及确保低温环境下的正常运行方面的关键作用。此外，文章还分析了当前存在的诸多问题，如能量密度、电容值和工作电压之间的权衡、自放电问题，以及超级电容器与现有电池系统的整合难题。同时，也提到了先进材料配置、基于仿真的智能能量管理算法、适合电网的快速充电技术，以及目前用于电动汽车的超级电容器所取得的进展。文中还讨论了双储能结构带来的协同升级效果，这种结构可使电极材料的能量密度大幅提升，同时还进行了简短的生命周期评估。最后，本文旨在明确相关挑战与研究方向，并从技术经济角度为通过整合超级电容器推动汽车产业变革提供重要见解。

**引言**
目前，电动汽车被视为可持续交通系统中的标杆[1]。然而，传统汽车工业仍严重依赖内燃机车辆，而这些车辆是二氧化碳和温室气体排放的主要来源，分别占全球排放总量的24%和14%。令人担忧的是，预计到2030年，这些数字还将翻一番[2][3]。欧盟已采取积极措施应对这一问题，规定从2035年起市场上只能销售零排放的轻型和中型车辆[4]。电动汽车通过减少尾气排放、利用可再生能源、降低对化石燃料的依赖以及推动城市可持续发展，为减少温室气体排放提供了极具前景的解决方案[5][6][7]。得益于这些优势，全球电动汽车市场的销量呈现出前所未有的增长势头，2022年的年销量已超过1000万辆，相比2012年增长了十余倍[8]。此外，各国政府还通过提供税收优惠、关税减免和通行费免除等政策，进一步推动电动汽车的销售，提升其经济可行性[9]。尽管前景广阔，但电动汽车的广泛应用仍面临当前能源存储系统存在的诸多挑战，包括可靠性不足、续航里程有限、难以满足高峰功率需求、充电时间过长、电池寿命短、充电基础设施匮乏以及电池处理问题等。电动汽车中常用的电池类型包括铅酸电池、钠硫电池和镍基电池。不过，由于锂离子电池具有较高的标称电压（3.6–3.7 V）、较低的自我放电率以及较高的能量密度，能够在相对较小的空间内储存大量能量并提供充足的动力，因此被广泛使用[10][11][12][13]。然而，在快速加速、频繁制动、启动或上坡行驶时，尤其是当同时需要高功率和高能量时，纯电池电动汽车难以仅靠单一能源系统满足高峰功率需求。虽然增加电池单元的数量可以满足功率需求，但过大的电池单元会影响到车辆的空气动力学性能、充电时间、成本以及整个能源系统的效率[14][15]。现有的电池管理系统难以有效应对充放电电流的急剧变化，而这种变化对于再生制动系统而言至关重要，从而导致电池寿命缩短以及电池更换成本上升[16]。此外，电动汽车的工作温度通常在20°C至45°C之间，甚至在零下环境中也能正常工作[17]。如此宽泛的工作温度范围会导致车载电池系统频繁进行充放电循环，进而造成电池严重老化，电池健康状态会下降约20%[18]。这种老化最终会降低电动汽车的续航里程，影响整个能源存储系统的使用寿命，从而引发关于可靠性、维护成本以及长期使用可持续性的严重担忧[19][20]。此外，纯电池电动汽车在零下温度环境下难以正常工作，预热操作可能会使续航里程减少30–40%[21]。再考虑到充电时间和续航里程，这些问题就更加突出。传统内燃机的续航里程一般在600公里左右，而电动汽车的续航里程则通常在300至500公里之间[22]。此外，持续的充放电循环产生的放热反应、频繁的电流变化以及不良的热散射现象都可能引发热失控，进而限制电池的效率与寿命[23][24]。另外，根据电池容量的不同，为电动汽车充满电可能需要数小时，且如何确保充电在安全范围内始终是一个亟待解决的问题[25]。因此，要找到一种能够兼具电动汽车所有期望特性的单一能源解决方案难度极大。因此，寻找可靠的可替代和可再生能源解决方案显得尤为重要。

为了解决这些现有问题，近期的一些研究致力于开发结合电池与超级电容器的混合储能系统。超级电容器，也被称为超电容器或电化学电容器，通过与电池系统相结合，能够有效克服现有的能源限制，提供了一种高效的储能方案[26]。作为一种创新的储能装置，超级电容器因其极高的功率密度和比电容而备受关注。它具有出色的充放电性能和较长的循环稳定性，能够提供高效的储能能力，并且可在较宽的温度范围内正常工作[27][28]。与依靠能量转换机制工作的电池不同，超级电容器则是通过静电电荷分离来工作。这一根本差异使其在电荷存储和循环使用方面具有独特优势，使其成为作为混合储能系统集成到电动汽车中的理想选择。一旦与电动汽车结合，超级电容器已展现出其即时供能、从再生制动系统中回收更多能量（可多回收53%的能量）、加速车辆，以及能在几分钟内为车辆充电而非像普通电动汽车电池那样需要数小时等优势，进而提升了电池的整体使用寿命[29][30]。此外，超级电容器还能帮助稳定来自可再生能源（如太阳能或风能）的其他电能波动[31]。它可以反复充放电而不会导致电池老化。而且，超级电容器无需监测即可判断是否充满电——当电容器充满时，电流会自动停止流动。因此，目前锂离子电池组所需的昂贵电池管理系统可能对超级电容器来说并非必需。另有研究指出，保持电池组中的电流稳定可以减轻电池的负担。将超级电容器与电动汽车电池系统结合使用，可以在功率与能量之间实现平衡。

尽管人们一直担心超级电容器的能量密度较低，但其全部潜力仍有待发掘。通过对先进材料的持续探索、前沿的集成技术的研发，以及超级电容器的广泛应用，有望克服各种长期存在的障碍。本文重点分析了当前电池技术存在的问题，并探讨了超级电容器在解决现有能源存储技术所面临挑战方面的潜力。此外，本文还将深入研究超级电容器的作用、混合储能系统的架构以及那些可能对电动汽车产业产生深远影响的各项技术因素。通过有效连接电池的高能量密度与电容器的高功率密度，超级电容器为开发更高效、更耐用且更可持续的电动出行解决方案提供了可行路径。

**节选内容**
**电动汽车中的功率管理概述**
电动汽车的性能在很大程度上取决于车辆各核心部件对电能的有效转换与管理[32]。在传统的纯电池电动汽车中，牵引电池组是主要的动力来源。需要注意的是，电网提供的电流通常是交流电。为了使牵引电池组成功充电，必须将这种交流电转换为直流电[33]。这一转换是通过车载设备实现的。

**当前电动汽车电池管理中存在的挑战**
电动汽车的电力生成与利用已经经历了多代能源存储技术的演变，每代技术都有其独特的优点和局限性。其中，电池是电动汽车中最重要且成本最高的组件，约占制造成本的30–40%[42]。然而，除了成本问题之外，电动汽车电池还面临着性能、可持续性以及功率管理等方面的诸多挑战。

**电动汽车市场中的超级电容器**
预计到2026年，电动汽车用超级电容器的市场规模将达到5.936亿美元，2021年至2026年的复合年增长率预计为18.1%[57]。2022年全球汽车用超级电容器市场的价值为20.2亿美元，预计到2030年这一数值将从25.1亿美元增长到100.2亿美元，期间的复合年增长率将达到21.8%。2022年，亚太地区在汽车用超电容器市场中占据了50.99%的份额。

**超级电容器在电动汽车中的作用**
超级电容器，也被称为超电容器，是一种先进的电化学储能装置，它由两个多孔电极组成，这些电极通常为碳基材料，浸没在电解质中，并由一种允许离子通过的隔膜分隔开[59]。由于电极表面积较大，且电极与电解质界面处的电荷分离距离很短，超级电容器的能量密度远高于传统的介电电容器[60]。当……

**超级电容器在电动汽车中的集成策略**
将超级电容器技术引入电动汽车电池系统，代表了汽车应用领域在能源存储设计方面的重大突破。超级电容器具有极高的功率密度和快速的充放电能力，这使得它们非常适合与电动汽车电池结合，形成混合储能系统，从而为车辆提供快速的能量供应[92]。通过结合超级电容器与各类电源的优势，混合储能系统能够提供更……

**基于仿真的性能分析**
仿真技术在开发和改进集成超级电容器的电动汽车方面发挥着至关重要的作用，它能够通过利用真实或模拟的驾驶数据创建虚拟原型，为系统设计和控制策略的优化提供一个低成本、低风险的环境[114]。这些模型有助于预测能源需求、车辆的续航里程以及能源消耗情况。仿真结果表明，这种混合方案可将整体能源效率提高9%至……

**峰值功率管理与快速加速**
电池驱动的电动汽车的性能取决于其供电系统，而确保该系统的效率是推动电动汽车发展的一个重要挑战。目前，大多数电动汽车的供电系统依赖于锂离子电池，这类电池的储能机制是基于化学反应的。消费级锂离子电池的能源密度通常在200至300 Wh/kg之间，而高端电动汽车电池的能源密度甚至可达500 Wh/kg[123]。

**维持能量密度、电容值与工作电压之间的平衡**
超级电容器具有极高的功率密度、快速的充放电能力以及较长的循环稳定性；不过，与电池相比，它们的能量密度相对较低[143]。这种差异主要源于两者不同的储能机制：电池依靠电子交换来储存能量，而超级电容器则依靠电极与电解质界面处通过快速、可逆的表面氧化还原反应实现的静电电荷沉积来储存能量[167]。电池能够充分利用所有的活性材料……

**技术经济分析**
超级电容器是一种具有革命意义的储能技术，它填补了电动汽车中传统电容器与电池之间的空白。技术经济分析是一种综合性的研究方法，有助于探讨经济可行性、生产规模扩展性、技术挑战以及市场分析和社会监管因素，从而为制定战略性技术发展路线图提供依据[195]。在后面的“前景与未来发展方向”部分中，对这类重要讨论进行了总结。美国能源部规定，用于电动汽车和混合动力汽车的超级电容器的比能量和比功率分别需超过15瓦时/千克和1600瓦特/千克。然而，传统超级电容器的比能量大约仅为2瓦时/千克[227]。鉴于其强大的充放电能力，超级电容器可应用于多种车辆中，包括用于城市轨道交通列车及大型客车中的制动能量储存。

结论：将超级电容器集成到电动汽车中正在彻底改变汽车行业，提升了能量储存能力，并推动了可持续交通系统的发展。随着材料科学、纳米技术以及智能能源管理系统的快速发展，超级电容器正从辅助能源存储装置转变为下一代混合能源存储架构的核心组件。在超级电容器领域最具前景的发展之一是……

关于科学写作中生成式人工智能的声明：在撰写本文时，作者们利用人工智能工具在人类监督和控制下提升文本的可读性和语言表达效果。使用这些工具后，作者们根据需要对内容进行审阅和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

CRediT作者贡献说明：
Md Shohan Parvez：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法论，形式分析，概念构建。
Md Mustafizur Rahman：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，指导，资金获取，形式分析，概念构建。
Izan Izwan Misnon：写作——审阅与编辑，验证，指导，形式分析，概念构建。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢：作者们衷心感谢马来西亚高等教育部以及马来西亚彭亨苏丹阿都拉大学通过基础研究资助计划（编号FRGS/1/2023/TK08/UMP/01/3）和国际出版研究资助项目（项目编号RDU223301）所提供的慷慨资金支持。这些资助对于他们开展研究工作以及传播研究成果起到了至关重要的作用。