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超级电容器改善汽车启动性能
超级电容器一般指双电层电容。 双电层电容是超级电容器的一种，是一种新型储能装置。以下是小编整理的超级电容器改善汽车启动性能，希望对大家有所帮助。
超级电容器改善汽车启动性能
摘要：本文主要阐述了在传统的蓄电池启动基础上，利用超级电容器的特性，把超级电容器与蓄电池组合，改善汽车的电性能、启动性能。
消除了因频繁启动对蓄电池寿命的影响。
一、问题的提出
蓄电池是汽车中的关键电器部件，其性能直接影响汽车的启动。
现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。
在启动过程中特别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流非常大。
例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V(见图1);启动瞬时的电流达550A，约为蓄电池12C的放电率(见图2)。
尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电，但在图1中可以看出，10倍以上高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。
另外，启动过程的电压剧烈变化会产生极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新加电。
因此，无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是从表面上从改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程的性能都是必要的。
二、改进启动性能的方法
加大蓄电池的容量可以解决上述问题，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。
将超级电容器与蓄电池并联，可以很好地解决这个问题。
1.超级电容器的原理及特点
超级电容器是电容量可达数千法拉的电容器。
根据电容器的原理，电容量取决于电极间的距离和电极表面积。
为了增大电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积，为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极(见图3)。
双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极(见图4)。
很明显，两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2/g。
因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。
就储能而言，超级电容器的这一特性介于传统电容器与电池之间。
当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下)。
如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解为非正常状态。
随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。
由此可见，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此其性能稳定，与利用化学反应的蓄电池不同。
尽管超级电容器的能量密度仅是蓄电池的5%或更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。
相比电池来说，超级电容器具有以下几点优势。
电容量大。
一般双电层电容器容量很容易超过1F，超级电容器可使普通电容器的容量范围骤升3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。
充放电寿命很长，可达500,000次，或90,000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短;可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能。
可以在很宽的温度范围内正常工作(-40℃至+70℃)，而蓄电池很难在高温、特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后还可以串联使用。
2.超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能
电性能的改善。
将超级电容器与蓄电池并联，启动过程的电压波形(见图5)、电流波形(见图6)与图1、图2相比，启动瞬间的电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kw提高到8.7kw;启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动过程的电源平稳输出功率从2.44kw提高到4.12kw。
启动性能的改善。
超级电容器与蓄电池并联应用可以提高汽车的启动性能。
将超级电容器(450F/16.2V)与12V、45Ah的蓄电池并联，启动安装1.9升柴油机的汽车，在10℃时平稳启动。
尽管在这种情况下不连接超级电容器蓄电池也可以启动，但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的转速和性能都提高很多。
由于电源输出功率的提高，启动转速由仅用蓄电池时的300rpm增加到450rpm。
尤其在低温下提高汽车的启动性能，超级电容器的作用是非常大的。
在-20℃时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时仅需一次点火。
对蓄电池应用状态的改善。
超级电容器与蓄电池并联时，由于超级电容器的等效串联电阻远低于蓄电池的内阻，因此在启动瞬间1200A启动电流中的800A电流由超级电容器提供，蓄电池仅提供400A的电流，明显低于仅采用蓄电池的560A，有效降低了蓄电池极板的极化，阻止了蓄电池内阻的上升，使启动过程的平稳电压得到提高。
综上所述，把超级电容器与蓄电池合理组合，可有效改善汽车的启动性能、电性能，延长蓄电池的使用寿命。
超级电容器在汽车启动中的应用体现
1、改善电动汽车蓄电池应用状态方面的作用
在起动发动机之前，车辆设备所需的电能通过蓄电池传递，电动汽车里所有的电池都是铅酸-电池。那个电能是通过内部铅和硫酸电解液之间的化学反应获得的因此这需要很长时间电池充电或卸载。如果电池的设计满足第一脉冲电流的要求，大电流脉冲对电池性能的影响很大电池寿命测试。电容器的能量施加在金属板和表面之间的电介质上保存。传统的铅酸蓄电池在寒冷天气下使用会严重影响其性能。超级电容器能在负载后立即释放整个充电容量，对于传统的汽车蓄电池，即使放电量小于60%，也会导致蓄电池严重损坏和容量降低还有在满负荷90条件下连续运行时，会有铅酸电池因此车内使用的普通铅酸蓄电池必须在一年或两年内更换（或大约5600次充放电），特别是未使用过的蓄电池，超级电容器的使用寿命不受常规电池使用寿命的限制。在实际的实践过程中，当超级电容与蓄电池并联时，由于超级电容的等效串联电阻远低于蓄电池的内阻，1200A启动电流中的800A电流在启动瞬间由超级电容提供，蓄电池提供的电流仅为400A，明显低于仅使用蓄电池的560A，这就有效地降低了蓄电池板的极化，防止了蓄电池内阻的增大，提高了启动过程中的稳定电压。最重要的是，降低电池板的极化，不仅可以延长电池的使用寿命，还可以消除频繁启动对电池寿命的影响。
2、集成电动汽车超级电容电流控制算法
在燃料电池电动汽车的拓扑结构当中，包括燃料电池、电池组（E1）、超级电容器（E2）、DC-DC 变换器、3-ph逆变器、3-ph感应电动机和负载（车辆推进系统）。燃料电池供应的稳态要求的车辆动力学电池组和超级电容器管理的功率流在负荷瞬态。燃料电池通过直流环节与逆变器相连，电池和超级电容器通过双向DC-DC 变换器集成。这种拓扑是传统双升压变换器的改进版本，其中只需要三个可控电力电子开关。该集成系统采用以下控制方案，保证了系统在稳态和瞬态时的负载均衡。其一，电动机驱动系统直流环节电压控制，适当集成燃料电池、电池和超级电容器。其二，超级电容器的电流控制，以满足瞬时电流的要求，在突然的速度和负载的变化。其三，暂态扰动的超级电容电流参考计算。其四，异步电动机磁场定向矢量控制采用逆变器滞环电流控制，以达到参考转速和转矩的要求。在进行控制算法的模拟过程中，确定的燃料电池汽车仿真模型包括该模型包括燃料电池、电池-超级电容器、新型升压变换器、3-Ph逆变器、异步电动机和控制算法。在具有直流母线电压控制和超级电容电流控制的新型Boost 变换器模型中，电池电流被控制来调节直流母线电压和超级电容器电流被控制根据负载的变化。有研究结果表明，燃料电池发电机只能提供稳定的功率，不能满足负荷瞬态需求。因此，燃料电池汽车必须有电池、超级电容等辅助电源。功率分配结果证明了超级电容器在电动汽车瞬态功率供应中的必要性。异步电动机采用磁场定向矢量控制，以满足速度和转矩的要求，并在瞬态过程中产生超级电容电流基准。该模型适用于考虑稳态和瞬态性能的全电动汽车模型设计。
3、汽车启动性能的改进
超级电容与蓄电池并联，可以提高机车的启动性能。将超级电容（450F/16.2V）与12V、45Ah蓄电池并联，用1.9升柴油机启动汽车，并在10℃下顺利启动。虽然在这种情况下，超级电容蓄电池可以不连接而启动，但超级电容与蓄电池并联后，启动电机的速度和性能都非常好。随着输出功率的增加，启动速度从300r/m提高到450r/m。超级电容器尤其可以提高汽车在寒冷天气下的起动性能（更高的起动转矩）。在-20℃时，由于蓄电池的性能大大降低，很可能难以正常起动或需要多次起动后才能点火，但当超级电容器与蓄电池并联时，只需要一次点火，优势明显。
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