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超級(jí)電容器改善汽車(chē)啟動(dòng)性能
超級(jí)電容器一般指雙電層電容。 雙電層電容是超級(jí)電容器的一種，是一種新型儲(chǔ)能裝置。以下是小編整理的超級(jí)電容器改善汽車(chē)啟動(dòng)性能，希望對(duì)大家有所幫助。
超級(jí)電容器改善汽車(chē)啟動(dòng)性能
摘要：本文主要闡述了在傳統(tǒng)的蓄電池啟動(dòng)基礎(chǔ)上，利用超級(jí)電容器的特性，把超級(jí)電容器與蓄電池組合，改善汽車(chē)的電性能、啟動(dòng)性能。
消除了因頻繁啟動(dòng)對(duì)蓄電池壽命的影響。
一、問(wèn)題的提出
蓄電池是汽車(chē)中的關(guān)鍵電器部件，其性能直接影響汽車(chē)的啟動(dòng)。
現(xiàn)在的汽車(chē)啟動(dòng)無(wú)一例外地采用啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式。
在啟動(dòng)過(guò)程中特別是在啟動(dòng)瞬間，由于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢(shì)，故啟動(dòng)電流非常大。
例如用12V、45Ah的蓄電池啟動(dòng)安裝1.9升柴油機(jī)的汽車(chē)，蓄電池的電壓在啟動(dòng)瞬間由12.6V降到約3.6V(見(jiàn)圖1);啟動(dòng)瞬時(shí)的電流達(dá)550A，約為蓄電池12C的放電率(見(jiàn)圖2)。
盡管車(chē)用蓄電池是啟動(dòng)專(zhuān)用蓄電池，可以高倍率放電，但在圖1中可以看出，10倍以上高倍率放電時(shí)的蓄電池性能變得很差，而且如此高倍率放電對(duì)蓄電池的損傷也是非常明顯的。
另外，啟動(dòng)過(guò)程的電壓劇烈變化會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)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(jī)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后重新加電。
因此，無(wú)論從改善汽車(chē)電氣設(shè)備的電磁環(huán)境還是從表面上從改善汽車(chē)的啟動(dòng)性能和蓄電池的性能、延長(zhǎng)使用壽命來(lái)考慮，改善汽車(chē)電源在啟動(dòng)過(guò)程的性能都是必要的。
二、改進(jìn)啟動(dòng)性能的方法
加大蓄電池的容量可以解決上述問(wèn)題，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(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
1.超級(jí)電容器的原理及特點(diǎn)
超級(jí)電容器是電容量可達(dá)數(shù)千法拉的電容器。
根據(jù)電容器的原理，電容量取決于電極間的距離和電極表面積。
為了增大電容量，超級(jí)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(見(jiàn)圖3)。
雙電層介質(zhì)在電容器兩電極施加電壓時(shí)，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(shí)上的電容器的兩個(gè)電極(見(jiàn)圖4)。
很明顯，兩電極的距離非常小，僅幾納米，同時(shí)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(jí)電容器具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量。
就儲(chǔ)能而言，超級(jí)電容器的這一特性介于傳統(tǒng)電容器與電池之間。
當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)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(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解為非正常狀態(tài)。
隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)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。
由此可見(jiàn)，超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此其性能穩(wěn)定，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同。
盡管超級(jí)電容器的能量密度僅是蓄電池的5%或更少，但是這種能量的儲(chǔ)存方式可以應(yīng)用在傳統(tǒng)蓄電池不足之處與短時(shí)高峰值電流之中。
相比電池來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。
電容量大。
一般雙電層電容器容量很容易超過(guò)1F，超級(jí)電容器可使普通電容器的容量范圍驟升3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000F。
充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)500,000次，或90,000小時(shí)，而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)1000次;可以提供很高的放電電流，如2700F的超級(jí)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(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)電將是極危險(xiǎn)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℃至+70℃)，而蓄電池很難在高溫、特別是低溫環(huán)境下工作;超級(jí)電容器用的材料是安全和無(wú)毒的，而鉛蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性;超級(jí)電容器可以任意并聯(lián)使用來(lái)增加電容量，如采取均壓措施后還可以串聯(lián)使用。
2.超級(jí)電容器與蓄電池組合改善汽車(chē)啟動(dòng)性能
電性能的改善。
將超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)，啟動(dòng)過(guò)程的電壓波形(見(jiàn)圖5)、電流波形(見(jiàn)圖6)與圖1、圖2相比，啟動(dòng)瞬間的電壓跌落由僅采用蓄電池時(shí)的3.2V提升到7.2V;啟動(dòng)電流從560A提高到1200A;啟動(dòng)瞬時(shí)的電源輸出功率從2kw提高到8.7kw;啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓由7V提高到9.4V;啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電流由280A提高到440A;啟動(dòng)過(guò)程的電源平穩(wěn)輸出功率從2.44kw提高到4.12kw。
啟動(dòng)性能的改善。
超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)應(yīng)用可以提高汽車(chē)的啟動(dòng)性能。
將超級(jí)電容器(450F/16.2V)與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)，啟動(dòng)安裝1.9升柴油機(jī)的汽車(chē)，在10℃時(shí)平穩(wěn)啟動(dòng)。
盡管在這種情況下不連接超級(jí)電容器蓄電池也可以啟動(dòng)，但采用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和性能都提高很多。
由于電源輸出功率的提高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速由僅用蓄電池時(shí)的300rpm增加到450rpm。
尤其在低溫下提高汽車(chē)的啟動(dòng)性能，超級(jí)電容器的作用是非常大的。
在-20℃時(shí)，由于蓄電池的性能大大下降，很可能不能正常啟動(dòng)或需多次啟動(dòng)才能成功，而超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)僅需一次點(diǎn)火。
對(duì)蓄電池應(yīng)用狀態(tài)的改善。
超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)，由于超級(jí)電容器的等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)低于蓄電池的內(nèi)阻，因此在啟動(dòng)瞬間1200A啟動(dòng)電流中的800A電流由超級(jí)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(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓得到提高。
綜上所述，把超級(jí)電容器與蓄電池合理組合，可有效改善汽車(chē)的啟動(dòng)性能、電性能，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
超級(jí)電容器在汽車(chē)啟動(dòng)中的應(yīng)用體現(xiàn)
1、改善電動(dòng)汽車(chē)蓄電池應(yīng)用狀態(tài)方面的作用
在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之前，車(chē)輛設(shè)備所需的電能通過(guò)蓄電池傳遞，電動(dòng)汽車(chē)?yán)锼械碾姵囟际倾U酸-電池。那個(gè)電能是通過(guò)內(nèi)部鉛和硫酸電解液之間的化學(xué)反應(yīng)獲得的因此這需要很長(zhǎng)時(shí)間電池充電或卸載。如果電池的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足第一脈沖電流的要求，大電流脈沖對(duì)電池性能的影響很大電池壽命測(cè)試。電容器的能量施加在金屬板和表面之間的電介質(zhì)上保存。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池在寒冷天氣下使用會(huì)嚴(yán)重影響其性能。超級(jí)電容器能在負(fù)載后立即釋放整個(gè)充電容量，對(duì)于傳統(tǒng)的汽車(chē)蓄電池，即使放電量小于60%，也會(huì)導(dǎo)致蓄電池嚴(yán)重?fù)p壞和容量降低還有在滿(mǎn)負(fù)荷90條件下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，會(huì)有鉛酸電池因此車(chē)內(nèi)使用的普通鉛酸蓄電池必須在一年或兩年內(nèi)更換（或大約5600次充放電），特別是未使用過(guò)的蓄電池，超級(jí)電容器的使用壽命不受常規(guī)電池使用壽命的限制。在實(shí)際的實(shí)踐過(guò)程中，當(dāng)超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)時(shí)，由于超級(jí)電容的等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)低于蓄電池的內(nèi)阻，1200A啟動(dòng)電流中的800A電流在啟動(dòng)瞬間由超級(jí)電容提供，蓄電池提供的電流僅為400A，明顯低于僅使用蓄電池的560A，這就有效地降低了蓄電池板的極化，防止了蓄電池內(nèi)阻的增大，提高了啟動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定電壓。最重要的是，降低電池板的極化，不僅可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，還可以消除頻繁啟動(dòng)對(duì)電池壽命的影響。
2、集成電動(dòng)汽車(chē)超級(jí)電容電流控制算法
在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，包括燃料電池、電池組（E1）、超級(jí)電容器（E2）、DC-DC 變換器、3-ph逆變器、3-ph感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載（車(chē)輛推進(jìn)系統(tǒng)）。燃料電池供應(yīng)的穩(wěn)態(tài)要求的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)電池組和超級(jí)電容器管理的功率流在負(fù)荷瞬態(tài)。燃料電池通過(guò)直流環(huán)節(jié)與逆變器相連，電池和超級(jí)電容器通過(guò)雙向DC-DC 變換器集成。這種拓?fù)涫莻鹘y(tǒng)雙升壓變換器的改進(jìn)版本，其中只需要三個(gè)可控電力電子開(kāi)關(guān)。該集成系統(tǒng)采用以下控制方案，保證了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)的負(fù)載均衡。其一，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流環(huán)節(jié)電壓控制，適當(dāng)集成燃料電池、電池和超級(jí)電容器。其二，超級(jí)電容器的電流控制，以滿(mǎn)足瞬時(shí)電流的要求，在突然的速度和負(fù)載的變化。其三，暫態(tài)擾動(dòng)的超級(jí)電容電流參考計(jì)算。其四，異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制采用逆變器滯環(huán)電流控制，以達(dá)到參考轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求。在進(jìn)行控制算法的模擬過(guò)程中，確定的燃料電池汽車(chē)仿真模型包括該模型包括燃料電池、電池-超級(jí)電容器、新型升壓變換器、3-Ph逆變器、異步電動(dòng)機(jī)和控制算法。在具有直流母線(xiàn)電壓控制和超級(jí)電容電流控制的新型Boost 變換器模型中，電池電流被控制來(lái)調(diào)節(jié)直流母線(xiàn)電壓和超級(jí)電容器電流被控制根據(jù)負(fù)載的變化。有研究結(jié)果表明，燃料電池發(fā)電機(jī)只能提供穩(wěn)定的功率，不能滿(mǎn)足負(fù)荷瞬態(tài)需求。因此，燃料電池汽車(chē)必須有電池、超級(jí)電容等輔助電源。功率分配結(jié)果證明了超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)瞬態(tài)功率供應(yīng)中的必要性。異步電動(dòng)機(jī)采用磁場(chǎng)定向矢量控制，以滿(mǎn)足速度和轉(zhuǎn)矩的要求，并在瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生超級(jí)電容電流基準(zhǔn)。該模型適用于考慮穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的全電動(dòng)汽車(chē)模型設(shè)計(jì)。
3、汽車(chē)啟動(dòng)性能的改進(jìn)
超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)，可以提高機(jī)車(chē)的啟動(dòng)性能。將超級(jí)電容（450F/16.2V）與12V、45Ah蓄電池并聯(lián)，用1.9升柴油機(jī)啟動(dòng)汽車(chē)，并在10℃下順利啟動(dòng)。雖然在這種情況下，超級(jí)電容蓄電池可以不連接而啟動(dòng)，但超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)后，啟動(dòng)電機(jī)的速度和性能都非常好。隨著輸出功率的增加，啟動(dòng)速度從300r/m提高到450r/m。超級(jí)電容器尤其可以提高汽車(chē)在寒冷天氣下的起動(dòng)性能（更高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）。在-20℃時(shí)，由于蓄電池的性能大大降低，很可能難以正常起動(dòng)或需要多次起動(dòng)后才能點(diǎn)火，但當(dāng)超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)，只需要一次點(diǎn)火，優(yōu)勢(shì)明顯。
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