超級(jí)電容器在汽車啟動(dòng)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器；汽車啟動(dòng)；蓄電池；應(yīng)用
l 引言
蓄電池是汽車中的關(guān)鍵電器部件，其性能直接影響汽車的啟動(dòng)?，F(xiàn)在的汽車啟動(dòng)無(wú)一例外地采用啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式。在啟動(dòng)過(guò)程中特別是在啟動(dòng)瞬間，由于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢(shì)，故啟動(dòng)電流：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E為蓄電池空載端電壓，RM為啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞電阻，RS為蓄電池內(nèi)阻、RL為線路電阻。由于RM、RB、RL均非常低，啟動(dòng)電流非常大。例如用12 V、45 Ah的蓄電池啟動(dòng)安裝1.9 L柴油機(jī)的汽車，蓄電池的電壓在啟動(dòng)瞬間由12.6 V降到約3.6 V，啟動(dòng)過(guò)程的蓄電池電壓波形如圖1所示。啟動(dòng)瞬時(shí)的電流達(dá)550 A，約為蓄電池的12C的放電率>啟動(dòng)過(guò)程的蓄電池電流波形如圖2所示。電流傳感器的電流/電壓變換比率為100 A/V。盡管車用蓄電池是啟動(dòng)專用蓄電池，可以高倍率放電，但從圖l可以看出，10倍以上高倍率放電時(shí)的蓄電池性能變得很差，而且，如此高倍率放電對(duì)蓄電池的損傷也是非常明顯的。啟動(dòng)過(guò)程的電壓劇烈變化也是極強(qiáng)的電磁干擾，可以造成電氣設(shè)備掉電，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后重新上電，計(jì)算機(jī)在這個(gè)過(guò)程中非常容易死機(jī)。因此，從改善汽車電氣設(shè)備的電磁環(huán)境、改善汽車的啟動(dòng)性能和蓄電池性能或延長(zhǎng)蓄電池使用壽命來(lái)考慮，改善汽車電源在啟動(dòng)過(guò)程中的性能是必要的。解決問(wèn)題的方案之一是加大蓄電池的容量，但需要增加很多，并使其體積增大，這并不是好的選擇。而將超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
2 超級(jí)電容器的原理及特點(diǎn)
2.1 超級(jí)電容器的原理
超級(jí)電容器是一種電容量可達(dá)數(shù)千法拉的極大容量電容器。以美國(guó)庫(kù)柏Cooper公司的超級(jí)電容為例，根據(jù)電容器的原理，電容量取決于電極間距離和電極表面積，為了得到如此大的電容量，要盡可能縮小超級(jí)電容器電極間距離、增加電極表面積，為此，采用雙電層原理和活性炭多孔化電極。
超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。雙電層介質(zhì)在電容器的二個(gè)電極上施加電壓時(shí)，在靠近電極的電介質(zhì)界面上產(chǎn)生與電極所攜帶的電荷極性相反的電荷并被束縛在介質(zhì)界面上，形成事實(shí)上的電容器的二個(gè)電極。如圖3所示，很明顯，二個(gè)電極的距離非常小，只有幾nm．同時(shí)活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積，可以達(dá)到200 m2/g。因而這種結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量。就儲(chǔ)能而言，超級(jí)電容器的這一特性介于傳統(tǒng)電容器與電池之間。當(dāng)二個(gè)電極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上的電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器處在正常工作狀態(tài)(通常在3 V以下)，如果電容器二端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位，那么，電解液將分解，處于非正常狀態(tài)。隨著超級(jí)電容器的放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同。
2.2 超級(jí)電容器的主要特點(diǎn)
盡管超級(jí)電容器的能量密度是蓄電池的5％或更少，但是這種能量?jī)?chǔ)存方式可以應(yīng)用在傳統(tǒng)蓄電池不足之處與短時(shí)高峰值電流中。與電池相比，這種超級(jí)電容器具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
一是電容量大，超級(jí)電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極，與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，二個(gè)極板的表面積越大，電容量就越大，因此，一般雙電層電容器容量易于超過(guò)1 F，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000 F；
二是充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)500 000次或90000h，而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)l 000次；
三是可以提供很高的放電電流，如2700 F的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950 A，放電峰值電流可達(dá)1 680 A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流，一些高放電電流的蓄電池，在如此高的放電電流下，使用壽命大大縮短；
四是可以在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池在如此短的時(shí)間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)或幾乎不可能的；
五是可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作(-40℃～+70℃)，而蓄電池很難在高溫特別是在低溫環(huán)境下工作；
六是超級(jí)電容器的材料是安全和無(wú)毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性，而且，超級(jí)電容器可以任意并聯(lián)使用來(lái)增加電容量，若采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。
3 超級(jí)電容器在汽車啟動(dòng)中的應(yīng)用
3.1 電性能的改善
超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)，汽車啟動(dòng)過(guò)程的電壓波形如圖4所示，電流波形如圖5所示。與圖1和圖2相比，啟動(dòng)瞬間電壓跌落由只采用蓄電池時(shí)的3.2V提升到7.2V；啟動(dòng)電流從560 A提高到l200 A；啟動(dòng)瞬時(shí)的電源輸出功率從2 kW上升到8.7kW；啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓由7 V提高到9.4 V；啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電流由280 A提高到440 A；啟動(dòng)過(guò)程的電源平穩(wěn)輸出功率從2.44 kW提高到4.12 kW。
3.2 啟動(dòng)性能的改善
超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)應(yīng)用可以提高機(jī)車的啟動(dòng)性能。將超級(jí)電容器(450 F/16.2 V)與12 V、45Ah的蓄電池并聯(lián)來(lái)啟動(dòng)安裝1.9升柴油機(jī)的汽車，在10℃時(shí)平穩(wěn)啟動(dòng)。盡管在這種情況下不連接超級(jí)電容器蓄電池也可以啟動(dòng)，但采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度和性能都非常好。由于電源輸出功率的提高，啟動(dòng)速度由僅用蓄電池時(shí)的300 r/m增加到450 r/m。超級(jí)電容器尤其能提高汽車在冷天的啟動(dòng)性能(更高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩)，在-20℃時(shí)，由于蓄電池的性能大大下降，很可能難以正常啟動(dòng)或需多次啟動(dòng)才能點(diǎn)火，而超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)僅需一次點(diǎn)火，其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。
3.3 蓄電池應(yīng)用狀態(tài)的改善
超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)，由于超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)遠(yuǎn)低于蓄電池的內(nèi)阻，因此，在啟動(dòng)瞬間，1 200 A啟動(dòng)電流中的800 A電流由超級(jí)電容器提供，蓄電池僅提供400 A的電流，明顯低于僅采用蓄電池的560 A，有效降低了蓄電池極板的極化，阻止了蓄電池內(nèi)阻的上升，使啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓得到提高。最為重要的是蓄電池極板極化的減輕不僅有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，而且也可以消除頻繁啟動(dòng)對(duì)蓄電池壽命的影響。
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