超級電容器在汽車啟動中的應用
（哈爾濱僑航通信設備有限公司，黑龍江哈爾濱150090）
摘要：根據超級電容器的結構特性，介紹在汽車啟動過程中如何利用超級電容器減小對車內其他電子設備的干擾,改 善汽車的啟動性能，延長蓄電池使用壽命。
1引言
蓄電池是汽車中的關鍵電器部件，其性能直接影響汽車的啟動。現在的汽車啟動無一例外地採用啟動電動機啟動方 式。在啟動過程中特別是在啟動瞬間,由於啟動電動機轉速為零，不產生感生電勢，故啟動電流：I=E/（RM+Rs+RI）；其中：為蓄電池空載端電壓,R為啟動電動機的電樞電阻，Rs為蓄電池內阻、R為線路電阻。由於RM、R、R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。啟動暫態的電流達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。電流感測器的電流/電壓變換比率為10OA/V。
儘管車用蓄電池是啟動專用蓄電池，可以高倍率放電，但從圖1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的電磁干擾,可以 造成電氣設備掉電.迫使電氣設備在發電機啟動過程結束後重新上電,電腦在這個過程中非常容易死機。因此，從 改善汽車電氣設備的電磁環境、改善汽車的啟動性能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。並使其體積増大。這並不是 好的選擇。而將超級電容器與蓄電池並聯可以很好地解決這個問題。
圖2 啟動過程中蓄電池的電流波形
2超級電容器的風裡及特點
2.1超級電容器的原理
超級電容器是一種電容量可達數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。根據電容器的 原理,電容量取決於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、増 加電極表面積，為此，採用雙電層原理和活性炭多孔化電極。
超級電容器的結構如圖3所示。雙電層介質在電容器的二個電極上施加電壓時，在靠近電極的電介質介面上產生與電 極所攜帶的電荷極性相反的電荷並被束縛在介質介面上，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,可以達到200m2/go 因而這種結構的超級電容器具有極大的電容量並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於傳統電 容器與電池之間。當二個電極板間電勢低於電解液的氧化還原電極電位時，電解液介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（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，那麼，電解液將 分解,處於非正常狀態。隨看超級電容器的放電,正、負極板上的電荷被外電路泄放。電解液介面上的電荷回應減 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。沒有化學反應。因此性能是穩定的,與利用化學反應的蓄電池不同。
圖3 超級電池的結構
2.2超級電容器的主要特點
儘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用在傳統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勢：
(一)是電容量大,超級電容器採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於超過1F。它的出現使普通電 容器的容量範圍驟然躍升了3 ~ 4個數量級,目前單體超級電容器的最大電容量可達5000F ；
(二)是充放電壽命很長，可達500000次或90000h ,而蓄電池的充放電壽命很難超過1000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於950A ,放電峰值電流可達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)是可以在數十秒到數分鐘內快速充電,而蓄電池在如此短的時間內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範圍內正常工作（-40 ~ +70。。,而蓄電池很難在高溫特別是在低溫環境下工作；
(六)是超級電容器的材料是安全和無毒的，而鉛酸蓄電池、鐐鎘蓄電池均具有毒性，而且，超級電容器可以任意並聯使 用來增加電容量,若採取均壓措施後，還可以串聯使用。
3超級電容器在汽車啟動中的應用
3.1電性能的改善
超級電容器與蓄電池並聯時, 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 電壓跌落由只採用蓄電池時的3-2V提升到7.2V ;啟動電流從560A提高到1200A ;啟動暫態的電源輸出功率從2kW上 升到8.7kW ；啟動過程的平穩電壓由7V提局到9.4V ;啟動過程的平穩電流由280A提咼到440A ；啟動過程的電源平穩 輸出功率從2.4kW提高到4.12kW.
圖5: 並聯超級電容的啟動電流波形
3.2啟動性能的改善
超級電容器與蓄電池並聯應用可以提高機車的啟動性能。將超級電容器（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池並聯來啟 動安裝1.9升柴油機的汽車。在1CTC時平穩啟動。儘管在這種情況下不連接超級電容器蓄電池也可以啟動，但採用超級電容器與蓄電池並聯時啟動電動機的速度和性能者阱常好。由於電源輸出功率的提高。啟動速度由僅用蓄電池時的 300r/m増加到450r/mo 超級電容器尤其能提高汽車在冷天的啟動性能（更高的啟動轉矩）。在-20°C時,由於蓄電池的 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並聯時僅需一次點火,其優點是 非常明顯的。
3.3蓄電池應用狀態的改善
超級電容器與蓄電池並聯時，由於超級電容器的等效串聯電阻(ESR)遠低於蓄電池的內阻，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，明顯低於僅採用蓄電池的560A，有效降低了蓄電池極板的極化，阻止了蓄電池內阻的上升，使啟動過程的平穩電壓得到提高。最為重要的是蓄電池極板極化的減輕不僅有利於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。
參考文獻：
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把起動機的線路單獨分出來和法拉電容連接，用理想二極體充電，安裝完成後的法拉電容(500F/16V)
電瓶電壓12.8V，法拉電容電壓14.3V,每次啟動耗電0.5V左右，3–5秒就會被發動機補充到14.3V，自耗電每天0.02V，最低啟動電壓9.6V，放兩個月不動車都能夠一次啟動。用了一個月，每次秒啟。
網上的二手maxwell法拉電容，2.7V，3000F。儘量選電壓相近的串聯，不需要均壓板。這個位置完全放得下。我的是13版柴油四驅。
Q5的電瓶在後備箱下面，加裝就簡單了，直接從電瓶上拉出二根25平方的電線，電瓶正極原來還有保險片的空位，弄個保險片裝上，再通過一個200A的可長時間工作的啟動繼電器接到電容上，繼電器線圈電壓受後備箱點煙器電壓控制。這樣在啟動和行車時，繼電器吸合，電容並接上去，撥去鑰匙，繼電器斷電，電容和電瓶分離。為了安全，在電容正極又加裝了一個叉栓式保險（防止加裝的線路發生問題，電容短路發生大電流）。同時在電容負極串接了一個75mV 200A的分流器（信號線拉到駕駛室，接上雙向200A指針式電流錶）。500F 16V超級電容就放在備胎旁邊。經試驗，在剛通電時，電容會給電瓶充電，（電流錶反映的是放電，從40A慢慢降下來）。鑰匙按一下啟動，電容電流錶瞬間打到底（放電），啟動後，電流錶轉向為給電容充電，暫態充電電流可以達到100A，不過，很快不到一分鐘電流就降到很低，駕駛室點煙器電壓最高會達到14.9V。電瓶已經快四年了，感覺性能不好，啟停已不能正常工作，最近加裝超級電容後，啟停恢復了。啟動時，點煙器電壓最低不低於11V。沒加裝前，啟動時點煙器電壓瞬間亂碼讀不出來。我覺得加裝超級電容，很好用。後又用模擬示波器估測了一下冷車直接啟動時（不等電容給電瓶充電到穩定狀態）電容的放電電流（測分流器二端電壓來進行換算），估算出來在冷車啟動時，電容瞬間放電電流達到500多A，熱車時（電容和電瓶電壓已其本相同）電容電流有400A左右。車輛停放一夜，第二天早上不插入鑰匙，用萬用表直接測電容電壓為14.82V，電瓶電壓為12.22V（電瓶性能還在恢復中，沒加裝前，停一夜，電瓶電壓只有12.1V）。所以估計冷車***鑰匙啟動（不等電容和電瓶電壓穩定）基本上所有的啟動電流都由電容來承擔了，因為此時電瓶還有可能在接受電容給它充電呢。
具體接線圖如下：注意安裝前，先把電容充電至接近電瓶電壓。
關鍵字 KEYWORD #超級電容,汽車,啟動,電瓶
[備註]: 為了安全起見，超級電容輸出正極端子，請安裝一支大流量的『保險絲』(70A -150A) 的容量，作為安全保護措施。