汽車電源在啟動過程中性能改善的解決方案

    l 引言

    蓄電池是汽車中的關(guān)鍵電器部件，其性能直接影響汽車的啟動。現(xiàn)在的汽車啟動無一例外地采用啟動電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢，故啟動電流：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E為蓄電池空載端電壓，RM為啟動電動機(jī)的電樞電阻，RS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1.9L柴油機(jī)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(dá)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，10倍以上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(qiáng)的電磁干擾，可以造成電氣設(shè)備掉電，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機(jī)啟動過程結(jié)束后重新上電，計算機(jī)在這個過程中非常容易死機(jī)。因此，從改善汽車電氣設(shè)備的電磁環(huán)境、改善汽車的啟動性能和蓄電池性能或延長蓄電池使用壽命來考慮，改善汽車電源在啟動過程中的性能是必要的。解決問題的方案之一是加大蓄電池的容量，但需要增加很多，并使其體積增大，這并不是好的選擇。而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(dá)數(shù)千法拉的極大容量電容器。以美國庫柏Cooper公司的超級電容為例，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，要盡可能縮小超級電容器電極間距離、增加電極表面積，為此，采用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所示。雙電層介質(zhì)在電容器的二個電極上施加電壓時，在靠近電極的電介質(zhì)界面上產(chǎn)生與電極所攜帶的電荷極性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二個電極。如圖3所示，很明顯，二個電極的距離非常小，只有幾nm．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(dá)到200m2/g。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介于傳統(tǒng)電容器與電池之間。當(dāng)二個電極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器處在正常工作狀態(tài)(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，那么，電解液將分解，處于非正常狀態(tài)。隨著超級電容器的放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷響應(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)的蓄電池不同。 

    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(yīng)用在傳統(tǒng)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(yōu)勢：

    一是電容量大，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，二個極板的表面積越大，電容量就越大，因此，一般雙電層電容器容量易于超過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(dá)5000F；

    二是充放電壽命很長，可達(dá)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于950A，放電峰值電流可達(dá)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(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)充滿電將是極危險或幾乎不可能的；

    五是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在低溫環(huán)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并聯(lián)使用來增加電容量，若采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。     

    3.超級電容器在汽車啟動中的應(yīng)用

    3.1 電性能的改善

    超級電容器與蓄電池并聯(lián)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只采用蓄電池時的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(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(jī)車的啟動性能。將超級電容器(450F/16.2V)與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)來啟動安裝1.9升柴油機(jī)的汽車，在10℃時平穩(wěn)啟動。盡管在這種情況下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(jī)的速度和性能都非常好。由于電源輸出功率的提高，啟動速度由僅用蓄電池時的300r/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(zhuǎn)矩)，在-20℃時，由于蓄電池的性能大大下降，很可能難以正常啟動或需多次啟動才能點火，而超級電容器與蓄電池并聯(lián)時僅需一次點火，其優(yōu)點是非常明顯的。     

    3.3 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(yuǎn)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。最為重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。