超级电容器在汽车启动中的应用

周美玲　刘欣欣

摘 要：在汽车启动过程中，传统汽车采用的是直流万向电机启动器。在起动的瞬间，电机转速为零，机械传动部分有很大的阻尼，而且起动电路的电枢电阻、蓄电池电阻和线路电阻都很低，所以起动电流很大，可达数百台万向电机。当超级电容器与蓄电池并联时，汽车启动过程会得到极大的改善。超级电容器具有使用寿命长、电流密度大、环保等优点。此外，它们的能级可以从它们的终端电压估计出来。由于超级电容器供电的电动汽车只需充电30秒就可以运行20分钟以上，因此充电电动汽车不会成为主要问题。

关键词：超级电容器 汽车启动

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 超级电容器概述

当今燃料电池汽车发展面临的最大挑战是汽车充电和管理。电动汽车与燃料电池发电机打算的平均功率只。由于燃料电池内部电化学特性缓慢，不能满足瞬态负载要求。在这些框架工厂的利用能源储存设备（如电池，超级电容器）是必不可少的快速电力输送。另一方面，电动汽车的驱动侧应采用异步电动机磁场定向矢量控制，以避免固有的耦合效应（即转矩和磁通都是电压或电流和频率的函数），这种耦合效应使系统响应迟缓，容易导致系统不稳定。在许多系统中，能源储存正成为越来越重要的资产。在各种储能技术中，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长等优点。事实上，基于超级电容器的能量存储系统已经被广泛应用，包括智能电网，电动汽车，无线传感器网络，以及生物医学设备。

一些著名的汽车公司，如通用汽车、福特、卡夫、丰田、本酒、日产等都有以内燃机和电动机为能源的混合动力技术这个这种混合动力汽车的超级电容器具有高功率密度，使用寿命长，高功率密度，高压缩性和安全。超级电容器在汽车上的应用，可以在启动或制动时迅速释放或吸收负载上的能量，避免发动机处于低速、重载状态，高转速、高负荷，使发动机在理想状态下运转，节省燃油，减少污染减少了。所以超级电容器已成为未来电动汽车发展的重要方向之一。

当今燃料电池汽车发展面临的最大挑战是汽车充电和管理。电动汽车与燃料电池发电机打算的平均功率只。由于燃料电池内部电化学特性缓慢，不能满足瞬态负载要求。在这些框架工厂的利用能源储存设备（如电池，超级电容器）是必不可少的快速电力输送。另一方面，电动汽车的驱动侧应采用异步电动机磁场定向矢量控制，以避免固有的耦合效应（即转矩和磁通都是电压或电流和频率的函数），这种耦合效应使系统响应迟缓，容易导致系统不稳定。

超级电容器是一种高容量电容器，其电容值远高于其他电容器，但电压极限较低，它弥补了电解电容器和可充电电池之間的差距。它每单位体积或质量储存的能量是电解电容器的10到100倍，接受和传递电量的速度比电池快得多，比充电电池能承受更多的充电和放电循环。其性能参数介于电池和传统电容器之间，耐久性和载荷远高于电池。超级电容器的动态性能通常优于传统电池，即使对于超级电容器来说，快速下降的短时间周期（小于1秒）也可能变得至关重要，因为它影响了实际交付的能量，显著地降低了相对于名义规格的能量。在混合动力系统的设计中，超级电容器尺寸的正确选择应该考虑到这一点。在文献中的初步结果证实了超级电容器响应和理想电容器响应之间的显著差异，这些结果是基于一个实测的FC电压跌落，一个实验确定的超级电容器模型，以及一个混合FC-超级电容器系统的模拟。超级电容器的能量密度比锂电池低得多。它们较低的能量密度和较高的成本（美元/千瓦时）往往是由汽车动力传动系统设计者给出的原因，为什么他们没有使用超级电容器。然而，正如本文所讨论的那样，由于超级电容器的功率容量（kW/kg）要低得多，使用超级电容器的储能要求比大功率应用中使用电池的储能要小得多。当考虑电池实际使用的能量时，这会对能量存储单元的有效能量密度产生很大的影响。

超级电容器用于需要许多快速充放电循环的应用，而不是长期的紧凑型储能——在汽车、公共汽车、火车、起重机和电梯中，它们用于再生制动、短期储能或爆发式输电。更小的单位被用来作为电源备份的静态随机存取存储器（SRAM）。与普通电容器不同，超级电容器不使用传统的固体电介质，而是使用静电双层电容和电化学伪电容，两者都占电容器的总电容量，但有一些区别，电解质在两个电极之间形成离子导电连接，这使它们不同于常规的电解电容器，后者总是存在介电层，而所谓的电解质，例如二氧化锰或导电聚合物，实际上是第二电极的一部分（阴极，或更准确地说是正极）。超级电容器的极化设计与非对称电极，或对称电极，由一个电位应用于制造。

2 超级电容器在汽车启动中的应用体现

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

3 结语

超级电容器作为一种快速儲能元件，具有发动机和蓄电池的优点。它不能单独使用，但可以与其他储能元件组合使用，以满足设计要求。随着混合动力电动汽车和超级电容器的进一步研发，在下一个研发周期中，研究超级电容器和其他符合性能和成本要求的储能应用将成为普遍现象。

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