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鍵的電器部件，其性能直接影響汽車的啟動。現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，由于啟動電動機轉速為零，不產生感生電勢，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，可以造成電氣設備的“掉電”，迫使電氣設備在發電機啟動過程結束后 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備的電磁環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千法拉的電容量極大的電容器。根據電容器的原理，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，超級電容器的結構如圖3。雙電層介質在電容器兩電極施加電壓時，在靠近電極的 電介質界面上產生與電極所攜帶電荷相反的電荷并被束縛在介質界面上，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。因而這種結構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的電容器與電池之間。

當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（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。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，沒有化學反應。因此性能是穩定的，與利用 化學反應的蓄電池是不同的。

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用在傳統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，它的出現使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3～4個數量級，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。

可以數十秒到數分鐘內快速充電，而蓄電池在如此短的時間內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正常工作（-40℃～+70℃），而蓄電池很難在高溫特別是低溫環境下工作；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使用來增加電容量，如采取均壓措施后，還可以串聯使用。

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；啟動過程的平穩電壓由7V提高到9.4V；啟動過程的平穩電流由 280A提高到440A；啟動過程的電源平穩輸出功率從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應用可以提高機車的啟動性能，將超級電容（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池并聯啟動安裝1.9升柴油機的汽車，在 10攝氏度時平穩啟動，盡管在這種情況中，當不連接超級電容器，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時則僅需一 次點火。其優點是非常明顯的。

3.3 對蓄電池應用狀態的改善

超級電容器與蓄電池并聯時，由于超級電 容器的等效串聯電阻（ESR）遠低于蓄電池的內阻，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，阻止了蓄電池內阻的上升使啟動過程的平穩電壓得到提高。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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