超級電容器在汽車啟動中的應(yīng)用

周美玲　劉欣欣

摘 要：在汽車啟動過程中，傳統(tǒng)汽車采用的是直流萬向電機啟動器。在起動的瞬間，電機轉(zhuǎn)速為零，機械傳動部分有很大的阻尼，而且起動電路的電樞電阻、蓄電池電阻和線路電阻都很低，所以起動電流很大，可達數(shù)百臺萬向電機。當超級電容器與蓄電池并聯(lián)時，汽車啟動過程會得到極大的改善。超級電容器具有使用壽命長、電流密度大、環(huán)保等優(yōu)點。此外，它們的能級可以從它們的終端電壓估計出來。由于超級電容器供電的電動汽車只需充電30秒就可以運行20分鐘以上，因此充電電動汽車不會成為主要問題。

關(guān)鍵詞：超級電容器 汽車啟動

Application of Super Capacitor in Car Start

Zhou Meiling，Liu Xinxin

Abstract：In the car starting process， the traditional car uses the DC universal motor starter. At the moment of starting， the motor speed is zero， the mechanical transmission part is greatly damped， and the armature resistance， battery resistance and line resistance of the starting circuit are very low， so the starting current is very large， up to hundreds of universal motors. When the super capacitor is connected in parallel with the battery， the starting process of the car will be greatly improved. Super capacitors have the advantages of long service life， high current density， and environmental protection. In addition， their energy levels can be estimated from their terminal voltages. Since electric vehicles powered by super capacitors can run for more than 20 minutes in only 30 seconds， charging electric vehicles will not become a major problem.

Key words：super capacitor， car start

1 超級電容器概述

當今燃料電池汽車發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)是汽車充電和管理。電動汽車與燃料電池發(fā)電機打算的平均功率只。由于燃料電池內(nèi)部電化學(xué)特性緩慢，不能滿足瞬態(tài)負載要求。在這些框架工廠的利用能源儲存設(shè)備（如電池，超級電容器）是必不可少的快速電力輸送。另一方面，電動汽車的驅(qū)動側(cè)應(yīng)采用異步電動機磁場定向矢量控制，以避免固有的耦合效應(yīng)（即轉(zhuǎn)矩和磁通都是電壓或電流和頻率的函數(shù)），這種耦合效應(yīng)使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。在許多系統(tǒng)中，能源儲存正成為越來越重要的資產(chǎn)。在各種儲能技術(shù)中，超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。事實上，基于超級電容器的能量存儲系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，包括智能電網(wǎng)，電動汽車，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

一些著名的汽車公司，如通用汽車、福特、卡夫、豐田、本酒、日產(chǎn)等都有以內(nèi)燃機和電動機為能源的混合動力技術(shù)這個這種混合動力汽車的超級電容器具有高功率密度，使用壽命長，高功率密度，高壓縮性和安全。超級電容器在汽車上的應(yīng)用，可以在啟動或制動時迅速釋放或吸收負載上的能量，避免發(fā)動機處于低速、重載狀態(tài)，高轉(zhuǎn)速、高負荷，使發(fā)動機在理想狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，節(jié)省燃油，減少污染減少了。所以超級電容器已成為未來電動汽車發(fā)展的重要方向之一。

當今燃料電池汽車發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)是汽車充電和管理。電動汽車與燃料電池發(fā)電機打算的平均功率只。由于燃料電池內(nèi)部電化學(xué)特性緩慢，不能滿足瞬態(tài)負載要求。在這些框架工廠的利用能源儲存設(shè)備（如電池，超級電容器）是必不可少的快速電力輸送。另一方面，電動汽車的驅(qū)動側(cè)應(yīng)采用異步電動機磁場定向矢量控制，以避免固有的耦合效應(yīng)（即轉(zhuǎn)矩和磁通都是電壓或電流和頻率的函數(shù)），這種耦合效應(yīng)使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

超級電容器是一種高容量電容器，其電容值遠高于其他電容器，但電壓極限較低，它彌補了電解電容器和可充電電池之間的差距。它每單位體積或質(zhì)量儲存的能量是電解電容器的10到100倍，接受和傳遞電量的速度比電池快得多，比充電電池能承受更多的充電和放電循環(huán)。其性能參數(shù)介于電池和傳統(tǒng)電容器之間，耐久性和載荷遠高于電池。超級電容器的動態(tài)性能通常優(yōu)于傳統(tǒng)電池，即使對于超級電容器來說，快速下降的短時間周期（小于1秒）也可能變得至關(guān)重要，因為它影響了實際交付的能量，顯著地降低了相對于名義規(guī)格的能量。在混合動力系統(tǒng)的設(shè)計中，超級電容器尺寸的正確選擇應(yīng)該考慮到這一點。在文獻中的初步結(jié)果證實了超級電容器響應(yīng)和理想電容器響應(yīng)之間的顯著差異，這些結(jié)果是基于一個實測的FC電壓跌落，一個實驗確定的超級電容器模型，以及一個混合FC-超級電容器系統(tǒng)的模擬。超級電容器的能量密度比鋰電池低得多。它們較低的能量密度和較高的成本（美元/千瓦時）往往是由汽車動力傳動系統(tǒng)設(shè)計者給出的原因，為什么他們沒有使用超級電容器。然而，正如本文所討論的那樣，由于超級電容器的功率容量（kW/kg）要低得多，使用超級電容器的儲能要求比大功率應(yīng)用中使用電池的儲能要小得多。當考慮電池實際使用的能量時，這會對能量存儲單元的有效能量密度產(chǎn)生很大的影響。

超級電容器用于需要許多快速充放電循環(huán)的應(yīng)用，而不是長期的緊湊型儲能——在汽車、公共汽車、火車、起重機和電梯中，它們用于再生制動、短期儲能或爆發(fā)式輸電。更小的單位被用來作為電源備份的靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）。與普通電容器不同，超級電容器不使用傳統(tǒng)的固體電介質(zhì)，而是使用靜電雙層電容和電化學(xué)偽電容，兩者都占電容器的總電容量，但有一些區(qū)別，電解質(zhì)在兩個電極之間形成離子導(dǎo)電連接，這使它們不同于常規(guī)的電解電容器，后者總是存在介電層，而所謂的電解質(zhì)，例如二氧化錳或?qū)щ娋酆衔?，實際上是第二電極的一部分（陰極，或更準確地說是正極）。超級電容器的極化設(shè)計與非對稱電極，或?qū)ΨQ電極，由一個電位應(yīng)用于制造。

2 超級電容器在汽車啟動中的應(yīng)用體現(xiàn)

2.1 改善電動汽車蓄電池應(yīng)用狀態(tài)方面的作用

在起動發(fā)動機之前，車輛設(shè)備所需的電能通過蓄電池傳遞，電動汽車里所有的電池都是鉛酸-電池。那個電能是通過內(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時間電池充電或卸載。如果電池的設(shè)計滿足第一脈沖電流的要求，大電流脈沖對電池性能的影響很大電池壽命測試。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嚴重影響其性能。超級電容器能在負載后立即釋放整個充電容量，對于傳統(tǒng)的汽車蓄電池，即使放電量小于60%，也會導(dǎo)致蓄電池嚴重損壞和容量降低還有在滿負荷90條件下連續(xù)運行時，會有鉛酸電池因此車內(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），特別是未使用過的蓄電池，超級電容器的使用壽命不受常規(guī)電池使用壽命的限制。在實際的實踐過程中，當超級電容與蓄電池并聯(lián)時，由于超級電容的等效串聯(lián)電阻遠低于蓄電池的內(nèi)阻，1200A啟動電流中的800A電流在啟動瞬間由超級電容提供，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，提高了啟動過程中的穩(wěn)定電壓。最重要的是，降低電池板的極化，不僅可以延長電池的使用壽命，還可以消除頻繁啟動對電池壽命的影響。

2.2 集成電動汽車超級電容電流控制算法

在燃料電池電動汽車的拓撲結(jié)構(gòu)當中，包括燃料電池、電池組（E1）、超級電容器（E2）、DC-DC 變換器、3-ph逆變器、3-ph感應(yīng)電動機和負載（車輛推進系統(tǒng)）。燃料電池供應(yīng)的穩(wěn)態(tài)要求的車輛動力學(xué)電池組和超級電容器管理的功率流在負荷瞬態(tài)。燃料電池通過直流環(huán)節(jié)與逆變器相連，電池和超級電容器通過雙向DC-DC 變換器集成。這種拓撲是傳統(tǒng)雙升壓變換器的改進版本，其中只需要三個可控電力電子開關(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)時的負載均衡。其一，電動機驅(qū)動系統(tǒng)直流環(huán)節(jié)電壓控制，適當集成燃料電池、電池和超級電容器。其二，超級電容器的電流控制，以滿足瞬時電流的要求，在突然的速度和負載的變化。其三，暫態(tài)擾動的超級電容電流參考計算。其四，異步電動機磁場定向矢量控制采用逆變器滯環(huán)電流控制，以達到參考轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求。在進行控制算法的模擬過程中，確定的燃料電池汽車仿真模型包括該模型包括燃料電池、電池-超級電容器、新型升壓變換器、3-Ph逆變器、異步電動機和控制算法。在具有直流母線電壓控制和超級電容電流控制的新型Boost 變換器模型中，電池電流被控制來調(diào)節(jié)直流母線電壓和超級電容器電流被控制根據(jù)負載的變化。有研究結(jié)果表明，燃料電池發(fā)電機只能提供穩(wěn)定的功率，不能滿足負荷瞬態(tài)需求。因此，燃料電池汽車必須有電池、超級電容等輔助電源。功率分配結(jié)果證明了超級電容器在電動汽車瞬態(tài)功率供應(yīng)中的必要性。異步電動機采用磁場定向矢量控制，以滿足速度和轉(zhuǎn)矩的要求，并在瞬態(tài)過程中產(chǎn)生超級電容電流基準。該模型適用于考慮穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的全電動汽車模型設(shè)計。

2.3 汽車啟動性能的改進

超級電容與蓄電池并聯(lián)，可以提高機車的啟動性能。將超級電容（450F/16.2V）與12V、45Ah蓄電池并聯(lián)，用1.9升柴油機啟動汽車，并在10℃下順利啟動。雖然在這種情況下，超級電容蓄電池可以不連接而啟動，但超級電容與蓄電池并聯(lián)后，啟動電機的速度和性能都非常好。隨著輸出功率的增加，啟動速度從300r/m提高到450r/m。超級電容器尤其可以提高汽車在寒冷天氣下的起動性能（更高的起動轉(zhuǎn)矩）。在-20℃時，由于蓄電池的性能大大降低，很可能難以正常起動或需要多次起動后才能點火，但當超級電容器與蓄電池并聯(lián)時，只需要一次點火，優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)語

超級電容器作為一種快速儲能元件，具有發(fā)動機和蓄電池的優(yōu)點。它不能單獨使用，但可以與其他儲能元件組合使用，以滿足設(shè)計要求。隨著混合動力電動汽車和超級電容器的進一步研發(fā)，在下一個研發(fā)周期中，研究超級電容器和其他符合性能和成本要求的儲能應(yīng)用將成為普遍現(xiàn)象。

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