利用超級電容延長交通運(yùn)輸和移動應(yīng)用中的電池壽命

電池壽命逐漸成為系統(tǒng)性能和可靠性的最關(guān)鍵因素之一，而超級電容的引入將在兩個主要應(yīng)用領(lǐng)域幫助延長電池壽命。首先，它們能夠戲劇性地降低卡車、轎車、輪船和電動發(fā)電機(jī)等車輛中的電池更換成本。其次，它們能夠?qū)⒅悄苁謾C(jī)和平板電腦等移動設(shè)備的運(yùn)行時間延長400%.

超級電容具有無限次的再充電能力和很高的能量密度，可以在寬溫度范圍內(nèi)甚至電池發(fā)生故障的情況下為汽車、重型運(yùn)輸車輛、船舶和牽引機(jī)車提供有保證的發(fā)動機(jī)啟動功能。

在移動電子系統(tǒng)中，超級電容能夠在多種不同的應(yīng)用使用場合控制峰值電流。由于能夠更好地控制放電，電池能夠更長時間地保持它們的峰值電能，并延長設(shè)備的運(yùn)行時間。

研究這兩大應(yīng)用領(lǐng)域的市場需求展示了增加超級電容的好處，但是方式完全不同。

發(fā)動機(jī)啟動

交通運(yùn)輸領(lǐng)域中最關(guān)鍵的因素是發(fā)動機(jī)的啟動可靠性。鉛酸電池每啟動一次發(fā)動機(jī)，距終了壽命就更近一步。點(diǎn)火系統(tǒng)使用超級電容組可以使電池擺脫通常會減少壽命的惡劣發(fā)動機(jī)啟動放電。典型的鉛酸電池可以在特定應(yīng)用中通過使用超級電容延長70%的有用壽命。另外，用超級電容啟動發(fā)動機(jī)可以在更冷的溫度下實現(xiàn)更高的可靠性。

在貨車運(yùn)輸行業(yè)，超級電容的使用在多個方面有助于改善日常操作。一般來說，18個車輪的拖掛車和公交車會配置3至4個電池。當(dāng)其中一個電池失效時，車輛就要求相對昂貴的搭線啟動，一次啟動的價格高達(dá)600美元。

另外，電池更換成本約為每個200美元，正因為此，市場研究人員發(fā)現(xiàn)貨車和公共汽車中的電池偷竊是一個很大的問題。另外，當(dāng)溫度低于零下10華氏度時，鉛酸電池的啟動可靠性會急劇下降。而超級電容可以將這個范圍擴(kuò)展到零下40華氏度，從而在寒冷氣候條件流行的地區(qū)進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)啟動的可靠性。

Cooper Bussmann公司開展的市場調(diào)查表明，通常在沒有電網(wǎng)的建筑場所使用的電動發(fā)電機(jī)中，60%至80%的發(fā)動機(jī)故障是由于電池問題引起的。報告還指出，電池偷竊在這里也是一個嚴(yán)重的問題。

機(jī)車必須能夠在所有條件下可靠地工作，以便滿足非常嚴(yán)格的火車調(diào)度要求。寒冷天氣是機(jī)車最廣泛的工作條件之一，超級電容可以在零下40華氏度幫助發(fā)動機(jī)啟動，而鉛酸電池在零下10華氏度就不能可靠工作了。

船舶的發(fā)動機(jī)啟動很關(guān)鍵，因為它們工作在無法搭線啟動的條件下，而且像風(fēng)暴或大潮等環(huán)境條件要求很高的可靠性。另外，船舶上用于電子設(shè)備（探魚器和導(dǎo)航）的其它電氣系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)不運(yùn)行時將給鉛酸電池帶來不小的負(fù)載。

在轎車應(yīng)用中，排放標(biāo)準(zhǔn)將推動汽車制造商安裝啟停系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測，到2017年將有40%至70%的新車配備啟停系統(tǒng)。要求汽車發(fā)動機(jī)在空閑周期之后自動停機(jī)需要更多的重啟次數(shù)，這將給鉛酸電池帶來更大的壓力，并縮短它們的壽命。今天，大多數(shù)汽車制造商安裝第二塊電池來保證啟停系統(tǒng)的可靠性。

超級電容安裝方法

超級電容可以在所有上述情況下提供諸多好處，它們可以采用以下三種安裝方式之一：

●直接并聯(lián)

●超級電容啟動機(jī)

●智能啟動

直接并聯(lián)方法是將超級電容組安裝在電池和發(fā)動機(jī)電氣系統(tǒng)之間。它提供最簡單和最低價的方式讓超級電容和現(xiàn)有電池一起工作。這種方法的原理圖如下：

利用上面的直接并聯(lián)方法，超級電容可以延長電池壽命，并分擔(dān)系統(tǒng)的大電流負(fù)載。但它仍然受內(nèi)部負(fù)載漏電的影響，因此在發(fā)動機(jī)關(guān)閉后如果大燈還亮著的汽車可能仍然會無法啟動。

在典型工作條件下的電池壽命大概為3至4年。系統(tǒng)中增加超級電容可以顯著延長這個電池壽命，做到很少更換，而且能夠極大地提高發(fā)動機(jī)啟動的可靠性。

超級電容啟動機(jī)方法設(shè)計用于保證發(fā)動機(jī)的啟動，這種方法不容易受內(nèi)部負(fù)載漏電的影響。超級電容直接連接啟動機(jī)，鉛酸電池只給車內(nèi)其它電氣系統(tǒng)供電，如收音機(jī)、照明和空調(diào)。圖2中的原理圖展示了超級電容啟動機(jī)的典型配置。

下面兩張照片展示了用于重型車輛的超級電容設(shè)計。超級電容器上共有3個接線端子，其中一個正極端子只連接啟動機(jī)，另外一個正極端子連接電池用于充電。這種接線方式可以確保最長的電池壽命，因為鉛酸電池不用再承受發(fā)動機(jī)啟動要求的1000安培典型放電電流。

智能啟動方法能夠靈活的用電池或超級電容或同時用兩者啟動發(fā)動機(jī)。因為啟動機(jī)從超級電容接收電量，因此能夠在更低的溫度下工作。用超級電容啟動的溫度可以低至零下40華氏度。智能啟動設(shè)計針對啟動和系統(tǒng)功能進(jìn)行了優(yōu)化。控制器決定從超級電容那里抽取多少能量，它能提供三種安裝方案中最長的電池壽命。啟動同樣不受內(nèi)部負(fù)載的影響。

超級電容與電池的比較

圖4列出了超級電容規(guī)格和電池規(guī)格的比較表。這張表中的電池覆蓋了多種技術(shù)，從最低性能的鉛酸電池到更高性能的鋰離子電池。

超級電容可以顯著延長各種車輛的電池壽命，而且它們能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)工作。車輛電子系統(tǒng)可以針對可靠性、成本和靈活性進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而滿足應(yīng)用領(lǐng)域最迫切的需求，不管它是有18個輪子的拖掛車還是船舶、客車或電動發(fā)電機(jī)。

這些系統(tǒng)的設(shè)計師應(yīng)該選擇超級電容來提供長的壽命和高的可靠性。超級電容設(shè)計中需要考慮的一個關(guān)鍵參數(shù)是ESR性能。對于交通運(yùn)輸需求來說，更低的ESR和長時間的性能意味著更高的可靠性和長期看更低的成本。另外，要仔細(xì)考慮重量、成本和溫度性能。

Cooper-Bussmann公司為發(fā)動機(jī)啟動應(yīng)用提供種類廣泛的超級電容解決方案，從XB系列和XV系列電池到XVM模塊。它們設(shè)計覆蓋交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的各種應(yīng)用，可以根據(jù)電氣系統(tǒng)要求和電池類型進(jìn)行選擇。