超級電容器改善汽車啟動性能原理分析

超級電容器改善汽車啟動性能原理分析

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?，F(xiàn)在的汽車啟動無一例外地采用啟動電動機啟動方式。在啟動過程中特別是在啟動瞬間，由于啟動電動機轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢，故啟動電流為：1=E/Rm+Rs+Rl

其中：E為蓄電池空載端電壓，RM為啟動電動機的電樞電阻、RB為蓄電池內(nèi)阻、RL為線路電阻。

由于RM、RB、RL均非常低，啟動電流非 常大。例如用12V、45Ah的蓄電池啟動安裝1.9升柴油機的汽車，蓄電池的電壓在啟動瞬間由12.6V降到約3.6V！啟動過程的蓄電池電壓波形如圖 1；啟動瞬時的電流達550A，約為蓄電池的12C的放電率！啟動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的蓄電池性能變得很差，而且，如此高倍率放電對蓄電池的損傷 也是非常明顯的。啟動過程的電壓劇烈變化也是極強的電磁干擾，可以造成電氣設(shè)備的“掉電”，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機啟動過程結(jié)束后 重新上電，計算機在這個過程中非常容易死機。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性能和蓄電池的性能、延長使用壽命來考慮，改善汽 車電源在啟動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。將超級電容器與蓄電池并聯(lián)可以很好地解決這個問題。

2 超級電容器原理及特點

2.1 超級電容器原理

超級電容 器是一種電容量可達數(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，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，形成事實上的電容器的兩個電極，如圖4，很明顯，兩電極的距離非常小，僅幾納米，同時 活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積，可以達到200m2/克。因而這種結(jié)構(gòu)的超級電容器具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量。就儲能而言， 超級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)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容 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，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電，正、負極 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

盡管超級電容器能量密度是蓄電池的5%或是更少，但是這種能量的儲存方式可以應(yīng)用在傳統(tǒng)蓄電池不足之處與短時高峰值電流之中。相比電池來說，這種超級電容器有以下幾點優(yōu)勢：
電 容量大，超級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個數(shù)量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達5000F。

充 放電壽命很長，可達500000次，或90000小時，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的超級電容器額定 放電電流不低于950A，放電峰值電流可達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間內(nèi)充滿電將是極危險的或是幾乎不可能。

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 超級電容器與蓄電池組合改善汽車啟動性能

3.1 電性能的改善

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

3.2 啟動性能的改善

超 級電容器與蓄電池并聯(lián)應(yīng)用可以提高機車的啟動性能，將超級電容（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)啟動安裝1.9升柴油機的汽車，在 10攝氏度時平穩(wěn)啟動，盡管在這種情況中，當(dāng)不連接超級電容器，蓄電池也可以啟動，但采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)時啟動電動機的速度和性能都非常得好。由 于電源的輸出功率的提高，啟動速度由僅用蓄電池時的啟動速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高汽車在冷天的起動性能（更高的起動轉(zhuǎn)矩）上，超 級電容器是非常有意義的，在零下20攝氏度時，由于蓄電池的性能大大下降，很可能不能正常啟動或需多次啟動才能成功，而超級電容器與蓄電池并聯(lián)時則僅需一 次點火。其優(yōu)點是非常明顯的。

3.3 對蓄電池應(yīng)用狀態(tài)的改善

超級電容器與蓄電池并聯(lián)時，由于超級電 容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）遠低于蓄電池的內(nèi)阻，因此，在啟動瞬間1200A啟動電流中的800A電流由超級電容器提供，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 不僅有利于延長蓄電池的使用壽命，而且也可以消除頻繁啟動對蓄電池壽命的影響。

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