中心議題：

• 汽車電源在啟動過程中性能改善的解決方案
• 了解超級電容器的原理及特點

解決方案：

• 超級電容器與蓄電池並聯

l 引言

蓄xu電dian池chi是shi汽qi車che中zhong的de關guan鍵jian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：I=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，RS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1.9L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所示。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所示。電流傳感器的電流/電壓變換比率為100A/V。盡管車用蓄電池是啟動專用蓄電池
，可以高倍率放電，但從圖l可以看出
，10beiyishanggaobeilvfangdianshidexudianchixingnengbiandehencha，erqie，rucigaobeilvfangdianduixudianchidesunshangyeshifeichangmingxiande。qidongguochengdedianyajuliebianhuayeshijiqiangdedianciganrao，keyizaochengdianqishebeidiaodian，poshidianqishebeizaifadianjiqidongguochengjieshuhouzhongxinshangdian，jisuanjizaizhegeguochengzhongfeichangrongyisiji。yinci，conggaishanqichedianqishebeidediancihuanjing、gaishanqichedeqidongxingnenghexudianchixingnenghuoyanchangxudianchishiyongshouminglaikaolv，gaishanqichedianyuanzaiqidongguochengzhongdexingnengshibiyaode。jiejuewentidefanganzhiyishijiadaxudianchiderongliang
，danxuyaozengjiahenduo，bingshiqitijizengda，zhebingbushihaodexuanze。erjiangchaojidianrongqiyuxudianchibingliankeyihenhaodijiejuezhegewenti。

2 超級電容器的原理及特點

2.1 超級電容器的原理

超級電容器是一種電容量可達數千法拉的極大容量電容器。以美國庫柏Cooper公(gong)司(si)的(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)為(wei)例(li)
，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)
，要(yao)盡(jin)可(ke)能(neng)縮(suo)小(xiao)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)電(dian)極(ji)間(jian)距(ju)離(li)
、增加電極表麵積
，為此
，采用雙電層原理和活性炭多孔化電極。
[page]
超級電容器的結構如圖3所(suo)示(shi)。雙(shuang)電(dian)層(ceng)介(jie)質(zhi)在(zai)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)二(er)個(ge)電(dian)極(ji)上(shang)施(shi)加(jia)電(dian)壓(ya)時(shi)，在(zai)靠(kao)近(jin)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)介(jie)質(zhi)界(jie)麵(mian)上(shang)產(chan)生(sheng)與(yu)電(dian)極(ji)所(suo)攜(xie)帶(dai)的(de)電(dian)荷(he)極(ji)性(xing)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)荷(he)並(bing)被(bei)束(shu)縛(fu)在(zai)介(jie)質(zhi)界(jie)麵(mian)上(shang)，形(xing)成(cheng)事(shi)實(shi)上(shang)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)二(er)個(ge)電(dian)極(ji)。如(ru)圖(tu)3所示
，很明顯，二個電極的距離非常小，隻有幾nm．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/g。因(yin)而(er)這(zhe)種(zhong)結(jie)構(gou)的(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)極(ji)大(da)的(de)電(dian)容(rong)量(liang)並(bing)可(ke)以(yi)存(cun)儲(chu)很(hen)大(da)的(de)靜(jing)電(dian)能(neng)量(liang)。就(jiu)儲(chu)能(neng)而(er)言(yan)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)介(jie)於(yu)傳(chuan)統(tong)電(dian)容(rong)器(qi)與(yu)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)。當(dang)二(er)個(ge)電(dian)極(ji)板(ban)間(jian)電(dian)勢(shi)低(di)於(yu)電(dian)解(jie)液(ye)的(de)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)電(dian)極(ji)電(dian)位(wei)時(shi)，電(dian)解(jie)液(ye)界(jie)麵(mian)上(shang)的(de)電(dian)荷(he)不(bu)會(hui)脫(tuo)離(li)電(dian)解(jie)液(ye)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)處(chu)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)(通常在3V以下)

，如果電容器二端電壓超過電解液的氧化還原電極電位，那麼，電解液將分解，處於非正常狀態。隨著超級電容器的放電，正


、負(fu)極(ji)板(ban)上(shang)的(de)電(dian)荷(he)被(bei)外(wai)電(dian)路(lu)泄(xie)放(fang)，電(dian)解(jie)液(ye)界(jie)麵(mian)上(shang)的(de)電(dian)荷(he)響(xiang)應(ying)減(jian)少(shao)。由(you)此(ci)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)始(shi)終(zhong)是(shi)物(wu)理(li)過(guo)程(cheng)
，沒(mei)有(you)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)
，因(yin)此(ci)性(xing)能(neng)是(shi)穩(wen)定(ding)的(de)，與(yu)利(li)用(yong)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)不(bu)同(tong)。

2.2 超級電容器的主要特點

盡管超級電容器的能量密度是蓄電池的5％或更少
，但是這種能量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中。與電池相比，這種超級電容器具有以下幾點優勢：

一yi是shi電dian容rong量liang大da
，超chao級ji電dian容rong器qi采cai用yong活huo性xing炭tan粉fen與yu活huo性xing炭tan纖xian維wei作zuo為wei可ke極ji化hua電dian極ji，與yu電dian解jie液ye接jie觸chu的de麵mian積ji大da大da增zeng加jia，根gen據ju電dian容rong量liang的de計ji算suan公gong式shi，二er個ge極ji板ban的de表biao麵mian積ji越yue大da，電dian容rong量liang就jiu越yue大da
，因yin此ci
，一yi般ban雙shuang電dian層ceng電dian容rong器qi容rong量liang易yi於yu超chao過guo1F
，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；

二是充放電壽命很長
，可達500000次或90000h

，而蓄電池的充放電壽命很難超過l000次；

三是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
，使用壽命大大縮短
；

四是可以在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或幾乎不可能的；

五是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在低溫環境下工作；

六是超級電容器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，若采取均壓措施後，還可以串聯使用。

3.超級電容器在汽車啟動中的應用

3.1 電性能的改善

超級電容器與蓄電池並聯時，汽車啟動過程的電壓波形如圖4所示，電流波形如圖5所示。與圖1和圖2相比，啟動瞬間電壓跌落由隻采用蓄電池時的3.2V提升到7.2V；啟動電流從560A提高到l200A；啟動瞬時的電源輸出功率從2kW上升到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。

[page]

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。將超級電容器(450F/16.2V)與12V、45Ah的蓄電池並聯來啟動安裝1.9升柴油機的汽車，在10℃時shi平ping穩wen啟qi動dong。盡jin管guan在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia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好hao。由you於yu電dian源yuan輸shu出chu功gong率lv的de提ti高gao，啟qi動dong速su度du由you僅jin用yong蓄xu電dian池chi時shi的de300r/m增加到450r/m。超級電容器尤其能提高汽車在冷天的啟動性能(更高的啟動轉矩)
，在-20℃時shi，由you於yu蓄xu電dian池chi的de性xing能neng大da大da下xia降jiang，很hen可ke能neng難nan以yi正zheng常chang啟qi動dong或huo需xu多duo次ci啟qi動dong才cai能neng點dian火huo
，而er超chao級ji電dian容rong器qi與yu蓄xu電dian池chi並bing聯lian時shi僅jin需xu一yi次ci點dian火huo，其qi優you點dian是shi非fei常chang明ming顯xian的de。

3.3 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you效xiao降jiang低di了le蓄xu電dian池chi極ji板ban的de極ji化hua，阻zu止zhi了le蓄xu電dian池chi內nei阻zu的de上shang升sheng，使shi啟qi動dong過guo程cheng的de平ping穩wen電dian壓ya得de到dao提ti高gao。最zui為wei重zhong要yao的de是shi蓄xu電dian池chi極ji板ban極ji化hua的de減jian輕qing不bu僅jin有you利li於yu延yan長chang蓄xu電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming，而er且qie也ye可ke以yi消xiao除chu頻pin繁fan啟qi動dong對dui蓄xu電dian池chi壽shou命ming的de影ying響xiang。