中心議題：

• 蓄電池存在的問題
• 超級電容器原理及特點
• 超級電容器與蓄電池組合改善汽車啟動性能

解決方案：

• 電性能的改善
• 啟動性能的改善
• 對蓄電池應用狀態的改善

1 蓄電池存在的問題

蓄(xu)電(dian)池(chi)是(shi)汽(qi)車(che)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)的(de)電(dian)器(qi)部(bu)件(jian)，其(qi)性(xing)能(neng)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)汽(qi)車(che)的(de)啟(qi)動(dong)。現(xian)在(zai)的(de)汽(qi)車(che)啟(qi)動(dong)無(wu)一(yi)例(li)外(wai)地(di)采(cai)用(yong)啟(qi)動(dong)電(dian)動(dong)機(ji)啟(qi)動(dong)方(fang)式(shi)。在(zai)啟(qi)動(dong)過(guo)程(cheng)中(zhong)特(te)別(bie)是(shi)在(zai)啟(qi)動(dong)瞬(shun)間(jian)，由(you)於(yu)啟(qi)動(dong)電(dian)動(dong)機(ji)轉(zhuan)速(su)為(wei)零(ling)，不(bu)產(chan)生(sheng)感(gan)生(sheng)電(dian)勢(shi)
，故(gu)啟(qi)動(dong)電(dian)流(liu)為(wei)：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。

由於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幹擾，可以造成電氣設備的“掉電”，poshidianqishebeizaifadianjiqidongguochengjieshuhouzhongxinshangdian，jisuanjizaizhegeguochengzhongfeichangrongyisiji。yinci


，wulunconggaishanqichedianqishebeidediancihuanjinghaishigaishanqichedeqidongxingnenghexudianchidexingneng、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。 

圖1  啟動過程的蓄電池電壓波形

圖2  啟動過程的蓄電池電流波形

問wen題ti的de解jie決jue方fang案an可ke以yi加jia大da蓄xu電dian池chi的de容rong量liang，但dan需xu要yao增zeng加jia很hen多duo，使shi體ti積ji增zeng大da，這zhe並bing不bu是shi好hao的de解jie決jue方fang案an。將jiang超chao級ji電dian容rong器qi與yu蓄xu電dian池chi並bing聯lian可ke以yi很hen好hao地di解jie決jue這zhe個ge問wen題ti。
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2 超級電容器原理及特點

2.1 超級電容器原理
超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)電(dian)容(rong)量(liang)可(ke)達(da)數(shu)千(qian)法(fa)拉(la)的(de)電(dian)容(rong)量(liang)極(ji)大(da)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)。根(gen)據(ju)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)原(yuan)理(li)，電(dian)容(rong)量(liang)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)極(ji)間(jian)距(ju)離(li)和(he)電(dian)極(ji)表(biao)麵(mian)積(ji)，為(wei)了(le)得(de)到(dao)如(ru)此(ci)大(da)的(de)電(dian)容(rong)量(liang)
，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di) 縮小電極間距離、增加電極表麵積。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。shuangdiancengjiezhizaidianrongqiliangdianjishijiadianyashi
，zaikaojindianjidedianjiezhijiemianshangchanshengyudianjisuoxiedaidianhexiangfandedianhebingbeishufuzaijiezhijiemianshang，xingchengshishishangdedianrongqidelianggedianji，rutu4，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麵積，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並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於傳統的電容器與電池之間。

圖3 超級電容器的結構                                        圖4 電容器的電極形成

當兩極板間電勢低於電解液的氧化還原電極電位時，電解液界麵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。由於隨著超級電容器放電，正

、負極 板上的電荷被外電路泄放
，電解液的界麵上的電荷響應減少。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huo是shi更geng少shao，但dan是shi這zhe種zhong能neng量liang的de儲chu存cun方fang式shi可ke以yi應ying用yong在zai傳chuan統tong蓄xu電dian池chi不bu足zu之zhi處chu與yu短duan時shi高gao峰feng值zhi電dian流liu之zhi中zhong。相xiang比bi電dian池chi來lai說shuo
，這zhe種zhong超chao級ji電dian容rong器qi有you以yi下xia幾ji點dian優you勢shi：

dianrongliangda
，chaojidianrongqicaiyonghuoxingtanfenyuhuoxingtanxianweizuoweikejihuadianji，yudianjieyejiechudemianjidadazengjia，genjudianrongliangdejisuangongshi，liangjibandebiaomianjiyueda

，zedianrongliangyueda。yin 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範圍驟然躍升了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 放電電流不低於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。

可以數十秒到數分鍾內快速充電，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。可以在很寬的溫度範圍內正常工作（-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並聯使用來增加電容量，如采取均壓措施後，還可以串聯使用。
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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並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。

圖5   采用超級電容器與蓄電池並聯時啟動過程的電壓波形

圖6  采用超級電容器與蓄電池並聯時啟動過程的電流波形

3.2 啟動性能的改善
超級電容器與蓄電池並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的蓄電池並聯啟動安裝1.9升柴油機的汽車
，在10攝(she)氏(shi)度(du)時(shi)平(ping)穩(wen)啟(qi)動(dong)，盡(jin)管(guan)在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)中(zhong)，當(dang)不(bu)連(lian)接(jie)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)，蓄(xu)電(dian)池(chi)也(ye)可(ke)以(yi)啟(qi)動(dong)，但(dan)采(cai)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)與(yu)蓄(xu)電(dian)池(chi)並(bing)聯(lian)時(shi)啟(qi)動(dong)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)速(su)度(du)和(he)性(xing)能(neng)都(dou)非(fei)常(chang)得(de)好(hao)。            

由於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20sheshidushi，youyuxudianchidexingnengdadaxiajiang
，henkenengbunengzhengchangqidonghuoxuduociqidongcainengchenggong
，erchaojidianrongqiyuxudianchibinglianshizejinxuyicidianhuo。qiyoudianshifeichangmingxiande。

3.3 對蓄電池應用狀態的改善
超級電容器與蓄電池並聯時，由於超級電 容器的等效串聯電阻（ESR）遠低於蓄電池的內阻，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。 明顯低於僅采用蓄電池的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 不僅有利於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。