超級(jí)電容器改善汽車啟動(dòng)性能

1 蓄電池存在的問題

蓄電池是汽車中的關(guān)鍵的電器部件，其性能直接影響汽車的啟動(dòng)。現(xiàn)在的汽車啟動(dòng)無一例外地采用啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式。在啟動(dòng)過程中特別是在啟動(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)電流為：1=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、RB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12V、45Ah的蓄電池啟動(dòng)安裝1.9升柴油機(jī)的汽車，蓄電池的電壓在啟動(dòng)瞬間由12.6V降到約3.6V！啟動(dòng)過程的蓄電池電壓波形如圖 1；啟動(dòng)瞬時(shí)的電流達(dá)550A，約為蓄電池的12C的放電率！啟動(dòng)過程的蓄電池電流波形如圖2，（電流傳感器的電流/電壓變換比率：100A/V）。盡管車用蓄電池是啟動(dòng)專用蓄電池，可以高倍率放電，但在圖1中可以看出，10倍以上的高倍率放電時(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)備的“掉電”，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程結(jié)束后重新上電，計(jì)算機(jī)在這個(gè)過程中非常容易死機(jī)。因此，無論從改善汽車電氣設(shè)備的電磁環(huán)境還是改善汽車的啟動(dòng)性能和蓄電池的性能、延長(zhǎng)使用壽命來考慮，改善汽車電源在啟動(dòng)過程的性能是必要的。

問題的解決方案可以加大蓄電池的容量，但需要增加很多，使體積增大，這并不是好的解決方案。將超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)可以很好地解決這個(gè)問題。

2 超級(jí)電容器原理及特點(diǎn)

2.1 超級(jí)電容器原理

超級(jí)電容器是一種電容量可達(dá)數(shù)千法拉的電容量極大的電容器。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，超級(jí)電容器盡可能地縮小電極間距離、增加電極表面積。為此采用了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。雙電層介質(zhì)在電容器兩電極施加電壓時(shí)，在靠近電極的電介質(zhì)界面上產(chǎn)生與電極所攜帶電荷相反的電荷并被束縛在介質(zhì)界面上，形成事實(shí)上的電容器的兩個(gè)電極，如圖4，很明顯，兩電極的距離非常小，僅幾納米，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200m2/克。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)電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。

當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。

2.2 主要特點(diǎn)

盡管超級(jí)電容器能量密度是蓄電池的5%或是更少，但是這種能量的儲(chǔ)存方式可以應(yīng)用在傳統(tǒng)蓄電池不足之處與短時(shí)高峰值電流之中。相比電池來說，這種超級(jí)電容器有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

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，兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過1F，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)5000F。

充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)500000次，或90000小時(shí)，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次；可以提供很高的放電電流，如2700F的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A，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的使用壽命將大大縮短。

可以數(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)的或是幾乎不可能。

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低溫環(huán)境下工作；超級(jí)電容器用的材料是安全和無毒的，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)使用來增加電容量，如采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。

3 超級(jí)電容器與蓄電池組合改善汽車啟動(dòng)性能

3.1 電性能的改善

采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)啟動(dòng)過程的電壓波形如圖5，電流波形如圖6。與圖1、圖2相比啟動(dòng)瞬間電壓跌落由僅采用蓄電池時(shí)的3.2V提升到7.2V；啟動(dòng)電流從560A提高到1200A；啟動(dòng)瞬時(shí)的電源輸出功率從2kW提高到8.7kW；啟動(dòng)過程的平穩(wěn)電壓由7V提高到9.4V；啟動(dòng)過程的平穩(wěn)電流由 280A提高到440A；啟動(dòng)過程的電源平穩(wěn)輸出功率從2.44kW提高到4.12kW。

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（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)啟動(dòng)安裝1.9升柴油機(jī)的汽車，在 10攝氏度時(shí)平穩(wěn)啟動(dòng)，盡管在這種情況中，當(dāng)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得好。由于電源的輸出功率的提高，啟動(dòng)速度由僅用蓄電池時(shí)的啟動(dòng)速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高汽車在冷天的起動(dòng)性能（更高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）上，超級(jí)電容器是非常有意義的，在零下20攝氏度時(shí)，由于蓄電池的性能大大下降，很可能不能正常啟動(dòng)或需多次啟動(dòng)才能成功，而超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)則僅需一次點(diǎn)火。其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。

3.3 對(duì)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1200A啟動(dòng)電流中的800A電流由超級(jí)電容器提供，蓄電池僅提供400A的電流。明顯低于僅采用蓄電池的560A，有效地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)過程的平穩(wěn)電壓得到提高。最主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。