大容量電容器

1、 基于51單片機的數(shù)字萬年歷的設(shè)計摘要介紹了超級電容的機理與特點，概述了國內(nèi)外超級電容在電動車中的應用研究現(xiàn)狀，通過分析比較超級電容在電動車中應用的拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略，設(shè)計了一種新型的超級電容一蓄電池復合電源電動車控制系統(tǒng)驗結(jié)果表明，該驗結(jié)果表明，該復合電源電動車能兼顧蓄電池和超級電容的優(yōu)點，可以更好地滿足電動車啟動和加速性能的要求，并能提高電動車制動能量回收的效率，增加續(xù)駛里程以超級電容為惟一能源的電動車可以作為固定線路車使用，但配套設(shè)施還需要完善，所以發(fā)展趨勢并不樂觀。關(guān)鍵詞：蓄電池 汽車啟動 超級電容器 AbstractThe mechanism and characteristic O

2、f uhracapacitor are introducedThe ultracapacitorapplication status in electric vehicle(EV)at home and abroad is outlinedAnalyzing the topologyand control strategy of uhracapacitor applied in EVs，a novel control system of ultracapacitor-battery hybrid power EV is designed。The experimental results sho

3、w that the hybrid power EV enables tOcombine the advantages of battery and uhracapacitor，enhance the startup and accelerating performance of EV，improve the energy-regenerative efficiency，and increase the driving rangeEVsemploying uhracapacitor as the only power may be used as fixed-line buses，but th

4、e basic facilitiesought to be impraredKeywords：electric vehicle；uhracapacitor；hybrid powerIIII 基于51單片機的數(shù)字萬年歷的設(shè)計目錄摘要IAbstractII第一章超級電容11.1超級電容的簡介11.2超級電容器的結(jié)構(gòu)11.3超級電容器的原理21.4超級電容器的主要特點31.5超級電容器的分類41.6超級電容器的特性51.7超級電容器的主要特征參數(shù)6第二章汽車啟動系統(tǒng)92.1汽車啟動系統(tǒng)的組成92.1.1蓄電池92.1.2啟動機92.2汽車啟動系統(tǒng)的原理112.3影響啟動機工作特性的因素12第三章設(shè)計

5、要求133.1發(fā)動機啟動要求133.1.1最低啟動定義133.1.2啟動要求133.2對超級電容的要求133.2.1內(nèi)阻要求133.2.2漏電流/自放電13第四章超級電容在汽車啟動系統(tǒng)中的應用154.1傳統(tǒng)蓄電池的缺陷154.2超級電容與蓄電池并聯(lián)164.3電性能的改善204.4蓄電池應用狀態(tài)的改善214.5啟動性能的改善214.6微型混合動力系統(tǒng)21第五章超級電容器的使用和前景24結(jié)論26參考文獻27致 謝2822 超級電容在電動車中的應用 第一章超級電容1.1超級電容的簡介電容器，顧名思義，是裝電的容器，是一種容納電荷的器件。英文名稱：Capacitor，用字母C表示。電容是電子設(shè)備中大量

6、使用的電子元件之一，廣泛應用于隔直，耦合，旁路，濾波，調(diào)諧回路， 能量轉(zhuǎn)換，控制電路等方面。在直流電路中，電容器是相當于斷路的。在交流電路中，因為電流的方向是隨時間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的，這個時候，在極板間形成變化的電場，而這個電場也是隨時間變化的函數(shù)。實際上，電流是通過場的形式在電容器間通過的。充電和放電是電容器的基本功能。超級電容器，如圖1.1，亦稱超大容量電容器，是上世紀七、八十年代發(fā)展起來的一種新型的儲能裝置。近年來，人們一直致力于開發(fā)高比功率和高比能量的超級電容器來作為電動汽車的混合動力系統(tǒng)。超級電容器可以用來滿足汽車在加速、啟動、爬坡時的高功率要求，

7、以保護蓄電池系統(tǒng)，還可作為燃料電池的啟動動力，做移動通訊和計算機的電力支持等。目前應用于超級電容器的材料主要有三種:碳基材料、金屬氧化物及水合物材料和導電聚合物材料。超級電容器是一種電容量可達數(shù)千法拉的極大容量電容器。同傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級電容器儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。圖1.1 常用的超級電容器1.2超級電容器的結(jié)構(gòu)圖1.2為超級電容器的結(jié)構(gòu)圖，超級電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭和活性炭纖維，電解液采用有機電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨

8、（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作時，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層中聚集的電容量c由下式確定： 其中是電解質(zhì)的介電常數(shù)，是由電極界面到離子中心的距離，s是電極界面的表面面積。圖1.2超級電容器結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，其多孔化電極是使用多孔性的活性炭有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量，超級電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。與電他相比較之間，盡管這能量密度是5%或是更少，但是這能量的儲存方式，也可以應用在傳統(tǒng)電他不足之處與短時高峰值電流之中。這種超級電容器有幾點比電池好的特色。1.3超級

9、電容器的原理 圖1.3 雙電層示意圖超級電容器是利用雙電層原理的電容器，其原理示意圖如圖1.3，當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級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電解液的氧化還原電極電位

10、時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應減少。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(wěn)定的與利用化學反應的蓄電他是不同的。1.4超級電容器的主要特點由于超級電容器的結(jié)構(gòu)及工作原理使其具有如下特點:1. 電容量大。超級電容器采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(jù)電容量的計算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過1F，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了34個數(shù)量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達5OOOF。2

11、. 放電壽命很長。可達500000次，或90000小時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次。3. 可以提供很高的放電電流。如270OF的超級電容器額定放電電流不低于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的使用壽命將大大縮短。4. 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間內(nèi)充滿電將是極危險的或幾乎不可能。5. 可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作(-40+70)，而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作。6. 超級電容器用的材料是安全的和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鍋蓄電池均具有毒性。7. 等效串聯(lián)電阻ESR相對

12、常規(guī)電容器大(1OF/2.5V的ESB為11Om)。8. 可以任意并聯(lián)使用一增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。雖然，目前全球已有許多家超級電容器生產(chǎn)商，可以提供許多種類的超級電容器產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結(jié)構(gòu)，超級電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似，它們的主要區(qū)別在于電極材料，如圖所示：圖1.4圖1.4 在結(jié)構(gòu)上，超級電容器和電池或電解電容器的主要區(qū)別是電極材料早期的超級電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，一般容值范圍為1

13、5000F。1.5超級電容器的分類1.根據(jù)使用目的不同可分為：（1）啟動型超級電容，即輕型超級電容，可以輸出幾秒鐘到幾十秒鐘的瞬間大電流，承擔設(shè)備啟動所需要的大功率電能，常用于各類汽車和重型機械設(shè)備中，單體容量50F以上，5000F以下，可以幾個到幾百個串聯(lián)使用，組件電壓12VDC到700VDC以上。（2）牽引型超級電容，即重型超級電容，可以連續(xù)輸出幾分鐘到幾十分鐘的較高強度的電流，在許多場合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔設(shè)備驅(qū)動所需的電能供應工作，常用于各類電動汽車，機械設(shè)備，太陽能系統(tǒng)和電子電器中，單體容量最高可達100000F以上，可以幾個到幾百個串聯(lián)使用，組件電壓12VDC到800VDC以上

14、。2.根據(jù)儲能方式分為：（1）雙電層超級電容器，以活性炭為正、負電極，俗稱碳-碳超級電容。（2）金屬氧化物超級電容, 在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生可逆化學吸附的法拉第電容,被稱為假電容。（3）高分子聚合物超級電容，使用導電聚合物作為電極的電容器。雙電層電容充放電純屬于物理過程，循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，但所存儲的能量較小；而后兩種超級電容的產(chǎn)生機理中伴隨電荷傳遞過程的發(fā)生，比能量明顯高于雙電層電容，有點類似于二次電池的性質(zhì).兼顧各類電容的特點，將雙電層電容和法拉第電容結(jié)合，制成不對稱電極的混和超級電容。車用的超級電容器主要是這種電容器。1.6超級電容器的特性1.額定容量單位:法拉(F)

15、,規(guī)定的恒定電流(如1OOOF以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A,20OF以下的為3A)充電到額定電壓后保持2-3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：由于等效串聯(lián)電阻(ESR)比普通電容器大，因而充放電時ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5OOOF超級電容器的ESR為0.4m，在100A電流放電時的ESR電壓降為40mV占額定電壓的1.5%，在950A電流放電時的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在額定電流下放電容量將為額定容量減小88.5%，這一特性將在圖2.5中看到。2.額定電壓即可以使用的最高安全端電壓(如

16、2.3V,2.5V,2.7V，3V)，除此之外還有浪涌電壓，實際上超級電容的擊穿電壓遠高于額定電壓(約為額定電壓的1.5倍左右，與普通電容器額定電壓/擊穿電壓比值差不多。3.額定電流5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流(脈沖峰值電流)。圖1.5 2.7V/270OF超級電容器放電特性曲線4.最大存儲能f在額定電壓放電到零所釋放的能量,以焦(J)或瓦·時(W·h)為單位。5.儲能f密度最大存儲能量除以超級電容器的重量或體積(W·h/kg 或 W·h/I)。6.功率密度在匹配的負載下,超級電容器產(chǎn)生電熱效應各半時的放電功率,用kW/噸或kW/

17、t表示。7.等效串聯(lián)電阻測試條件:規(guī)定的恒定電流(如1OOOF以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A,20OF以下的為3A)和規(guī)定的頻率(DC和大容量為100Hz或小容量的為KHz)下的等效申聯(lián)電阻。通常交流ESP比直流ESR小，隨溫度上升而減小。8.工作與存儲溫度通常為-40至+60或7090，存儲溫度還可以高一些。9.漏電流一般為lOA/F。10.壽命在25環(huán)境溫度下的壽命通常在90000小時，在60的環(huán)境溫度下為4000小時，與鋁電解電容器的溫度壽命關(guān)系相似壽命隨環(huán)境溫上升度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)程度損失隨溫度上升。壽命終了的標準為:電容量變化大于20%， ESR增大到額定值的1.5

18、倍。11.循環(huán)壽命20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間10秒為一個循環(huán).一般可達500000次.壽命終了的標準為:電容量變化大于20%， ESR增大到額定值的1.5倍。1.7超級電容器的主要特征參數(shù)把超級電容等效為一個理想電容器C;與一個較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗，Res串聯(lián)，同時與一個較大阻值的電阻(等效并聯(lián)阻抗，Rep相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。其原理如圖1.6所示： 圖1.6 理想超級電容器超級電容在使用過程中會涉及到幾個基本的參數(shù)：本征容量C，最高電壓，最低工作電壓 ，放電效率.本征容量和最高最低電壓決定了超級電容能夠存儲的有效容量.超級電容的有效儲存能量用公

19、式表示為：設(shè)=q則q表征了超級電容的放電深度。在蓄電池中，過大的放電深度對蓄電池的壽命會有較大影響。而在超級電容中由于超級電容充放電主要是物理過程，因此它對超級電容的壽命基本上沒有什么影響。不過在實際使用過程中，由于在電壓很低時超級電容剩余能量比較少，而且在低電壓時電效率比較低，所以要剩余一部分能量，一般取q=1/2。由于一般比較大，可達數(shù)十千歐姆，可認為是斷路。超級電容的充電效率定義為：超級電容放電效率定義為：充放電效率為：這只是從理論上推導的充放電的效率。實際上在充放電過程中，超級電容內(nèi)阻和電容值都是動態(tài)變化的，受充放電電流和溫度等因素的影響，都不是定值.而且超級電容一般漏電流自放電現(xiàn)象比

20、較嚴重，比如某50000F超級電容漏電流為712 A，在平衡點上下波動，平均漏電流約為10A。如果該超級電容不能在短期內(nèi)放電做功，他可能由于長時問的擱置而能量內(nèi)耗掉，實際上就是放電效率嚴重下降.因此為了準確的得出放電效率需要根據(jù)不同的超級電容在不同放電狀態(tài)(此放電狀態(tài)應該跟工作狀態(tài)相似)進行試驗。在實際過程中由于受試驗條件等受限，可以根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)進行初步設(shè)計，在實踐中進行改進。 第二章汽車啟動系統(tǒng)2.1汽車啟動系統(tǒng)的組成圖2.1 啟動系統(tǒng)基本組成1-蓄電池 2-啟動機 3-啟動繼電器 4-點火啟動開關(guān) 5-電流表啟動系統(tǒng)的基本組成如圖2.1所示，由蓄電池、電磁開關(guān)、啟動繼電器、啟動機等組

21、成。啟動系統(tǒng)的功用就是通過啟動機將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換成機械能，啟動發(fā)動機運轉(zhuǎn)。2.1.1蓄電池蓄電池為可逆的直流電源。在汽車上使用最廣泛的是啟動用鉛蓄電池，它與發(fā)動機并聯(lián)，向用電設(shè)備供電。蓄電池的作用是：(1)在發(fā)動機啟動時，向起動機和點火系統(tǒng)供電。(2)在發(fā)電機不發(fā)電或電壓較低的情況下向用電設(shè)備供電。 (3)當發(fā)電機超載時，協(xié)助發(fā)電機供電。 (4)蓄電池存電不足，而發(fā)電機負載又較少時，它可將發(fā)電機的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存起來(即充電)。 (5)蓄電池相當于一個大容量電容器。2.1.2啟動機啟動機可以將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)動機的啟動。啟動機一般由直流電動機、傳動機構(gòu)和

22、電磁開關(guān)三部分組成。在各種啟動機的三個組成部分中，電動機部分一般沒有本質(zhì)的差別，而控制方法和傳動機構(gòu)的嚙入方式則有很大差異，因此啟動機是按控制方法和傳動機構(gòu)的嚙入方式的不同來分類的。按控制方法的不同，啟動機可分為：(1)機械控制式 (2)電磁控制式 按傳動機構(gòu)嚙入方式，啟動機可分為：a.慣性嚙合式 b.強制嚙合式 c.電樞移動式 d.齒輪移動式 e.同軸式啟動機式。除上述以外，還有磁極為永久磁鐵的永磁式啟動機，以及內(nèi)裝減速齒輪的減速啟動機等等。（1）直流電動機：電動機包括電樞、換向器、磁極、電刷、軸承和外殼等部件。直流電動機的工作原理是電磁感應。給電動機輸入電流，電動機向外輸出轉(zhuǎn)矩，從而啟動發(fā)

23、動機。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩M取決于磁通、電樞電流Ia的乘積，即：M=CmIa其中Cm電機結(jié)構(gòu)常數(shù)。直流電動機拖動負載，當負載發(fā)生變化時，電動機的電樞轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩均會自動的作相應的變化，以滿足不同負載的需要。其原理如下：通電的線圈在磁場中受力而轉(zhuǎn)動，運動的線圈切割磁力線產(chǎn)生電動勢，電動勢的方向和線圈電流方向相反，電動勢的大小為：E反=Cen其中，Ce電機結(jié)構(gòu)常數(shù)；磁極磁通； n電樞轉(zhuǎn)速。電動機工作時，電壓平衡方程式為：Ub=E反+IaRa則電樞電流為：Ia =(Ub-E反)/Ra因此，負載軸上阻力矩電樞轉(zhuǎn)速E反Ia電磁轉(zhuǎn)矩直至電磁轉(zhuǎn)矩減至與阻轉(zhuǎn)矩相等電機拖動負載以較高轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；負載軸

24、上阻力矩電樞轉(zhuǎn)速E反Ia電磁轉(zhuǎn)矩直至電磁轉(zhuǎn)矩增至與阻轉(zhuǎn)矩相等電機拖動負載以較低轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。（2）傳動機構(gòu)：傳動機構(gòu)實際上是一個單向離合器。它作用是單方向傳遞轉(zhuǎn)矩，即啟動發(fā)動機時將啟動機的轉(zhuǎn)矩傳給發(fā)動機曲軸，而當發(fā)動機啟動后，它又能自動打滑，不使飛輪齒環(huán)帶動啟動機電樞旋轉(zhuǎn)，以免損壞啟動機。摩擦片式的單向離合器多用于大功率啟動。（3）電磁開關(guān)：電磁開關(guān)主要由電磁鐵機構(gòu)和電動機開關(guān)兩部分組成。電磁鐵機構(gòu)由固定鐵心、活動鐵心、吸引線圈和保持線圈等組成。電磁開關(guān)于啟動機制作在一起。接通啟動機電磁開關(guān)電路，以使電磁開關(guān)通電工作，控制啟動機的運轉(zhuǎn)和傳動機構(gòu)的嚙合與分離。大體上說，啟動機這用三個部件來實現(xiàn)整

25、個啟動過程。直流電動機引入來自蓄電池的電流并且使起動機的驅(qū)動齒輪產(chǎn)生機械運動；傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時能夠在發(fā)動機啟動后自動脫開；啟動機電路的通斷則由電磁開關(guān)來控制。其中，電動機是啟動機內(nèi)部的主要部件，它的工作原理就是我們在初中物理中所接觸到的以安培定律為基礎(chǔ)的能量的轉(zhuǎn)化過程，即通電導體在磁場中受力的作用。2.1.3啟動繼電器由啟動繼電器觸點（常開型）控制啟動機電磁開關(guān)電路的通斷，啟動開關(guān)只是控制啟動繼電器線圈電路，從而保護了啟動開關(guān)，有單聯(lián)型（保護啟動開關(guān)）和復合型（既保護啟動開關(guān)又保護啟動機）。2.1.4點火啟動開關(guān)汽油發(fā)動機的啟動開關(guān)與點火開關(guān)組合在一起控制發(fā)動機啟動。2.

26、1.5電流表電流表串聯(lián)在充電電路中，是用來指示蓄電池充、發(fā)電狀態(tài)的儀表，按結(jié)構(gòu)形式可分為電磁式、動磁式和光電指示燈式。最常用的是電磁式電流表，它具有結(jié)構(gòu)簡單耐振等特點。2.2汽車啟動系統(tǒng)的原理 圖2.2 啟動電路簡化原理圖如圖2.3所示，當駕駛員把點火開關(guān)旋至第3擋位置時，形成的電源電路通路為：蓄電池正極總保險絲電流表點火開關(guān)第3擋啟動繼電器線圈蓄電池負極。當啟動繼電器線圈通電后，其常開觸點閉合，接通了啟動機的電磁開關(guān)線圈電路，其觸點也閉合（圖中未單獨畫出，見圖2.3中的開關(guān)接觸盤）。這時，啟動電流從蓄電池正極起動機電源接線柱電磁開關(guān)勵磁繞阻電樞繞阻搭鐵蓄電池負極，于是啟動機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)距，啟動

27、發(fā)動機。發(fā)動機被啟動后，點火開關(guān)在自身的回彈力作用下，自動退回到第二擋位置，從而完成了啟動任務(wù)。圖2.3啟動繼電器及啟動機示意圖2.3影響啟動機工作特性的因素（1）蓄電池的容量和充電情況容量大，充電充足，內(nèi)阻小，供給起動機電流大，啟動機的功率、轉(zhuǎn)速、制動力矩都大。（2）啟動電路的電阻影響啟動機內(nèi)部電阻和啟動線路電阻越大，啟動機得輸出功率、轉(zhuǎn)速、制動力矩均會降低。（3）環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度低時，啟動性能不好。 第三章設(shè)計要求3.1發(fā)動機啟動要求3.1.1最低啟動定義在一定溫度下，發(fā)動機能夠起動的最低曲軸轉(zhuǎn)速。汽油機中，約為5070r/min。3.1.2啟動要求啟動機傳給發(fā)動機的轉(zhuǎn)速要大于發(fā)動

28、機的最低轉(zhuǎn)速；若低于這個轉(zhuǎn)速，汽油泵供油不足，氣流速度過低，可燃混合氣形成不充分，還會使壓縮行程的散熱損失和漏氣損失增加，導致發(fā)動機不能啟動。超級電容可放出的能量為：設(shè)計過程中可以根據(jù)此公式初步選擇超級電容的容值.放電效率可以根據(jù)廠家提供的額定放電時的效率估算。等效串聯(lián)內(nèi)阻。3.2對超級電容的要求3.2.1內(nèi)阻要求內(nèi)阻越小越好，放電效率越高。如果內(nèi)阻過高不僅導致放電效率下降而且大電流放電時會造成熱量累積，溫度升高，電極材料活性開始衰弱，會使超級電容的壽命降低。一般要求內(nèi)阻在毫歐級以下。3.2.2漏電流/自放電任何超級電容器都會在通電的情況下產(chǎn)生漏電流，它會影響超級電容器單元的自放電。漏電流是在

29、充放電過程中，雙電層離子由于受到電極上異性電荷的靜電吸引力和電解液中溶液離子濃度梯度造成的本體遷移力的共同作用而產(chǎn)生的。溫度是一個影響漏電流的重要因素，溫度升高，漏電加劇。充電停止后，當外界沒有電磁場作用于電容器時，擴散層中離子仍繼續(xù)向溶液本體遷移，同時緊密層離子脫離出來進入擴散層，并進一步遷移到溶液本體，這就形成了電容器的自放電。由于漏電流和自放電很難簡單的用一個參數(shù)來表述，而且過于專業(yè)的一些電參數(shù)對實際設(shè)計過程作用不大。因此從宏觀上看，可以從超級電容的放電效率和時間-電壓保持能力來要求超級電容的性能。漏電流和自放電都影響超級電容的放電效率。因此對設(shè)計比較有用的效率可以定義為：式中：W為超級

30、電容對外做的功。電壓保持的能力與超級電容中的等效并聯(lián)內(nèi)阻有關(guān)，一般來說該值與端電壓有關(guān)，端電壓越高時，并聯(lián)電阻越小。 第四章超級電容在汽車啟動系統(tǒng)中的應用4.1傳統(tǒng)蓄電池的缺陷Li離子、NiMH等新型電池可以提供一個可靠的能量儲存方案，并且已經(jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用?；瘜W電池使用壽命較短，并且受溫度影響較大，這也同樣是采用鉛酸電池（蓄電池）的設(shè)計者所面臨的困難。同時，大電流會直接影響這些電池的壽命，因此，對于要求長壽命、高可靠性的某些應用，這些基于化學反應的電池就顯出種種不足。在啟動過程中特別是在啟動瞬間，由于啟動電動機轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢，故啟動電流：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E

31、為蓄電池空載端電壓，RM為啟動電動機的電樞電阻，RS為蓄電池內(nèi)阻、RL為線路電阻。由于RM、RB、RL均非常低，啟動電流非常大。例如用12 V、45 Ah的蓄電池啟動安裝1.9 L柴油機的汽車，蓄電池的電壓在啟動瞬間由12.6 V降到約3.6 V，啟動過程的蓄電池電壓波形如圖4.1所示。啟動瞬時的電流達550 A，約為蓄電池的12V的放電率,啟動過程的蓄電池電流波形如圖4. 2所示。電流傳感器的電流/電壓變換比率為100 A/V。盡管車用蓄電池是啟動專用蓄電池，可以高倍率放電，但從圖4.1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

32、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(shè)備掉電，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機啟動過程結(jié)束后重新上電，計算機在這個過程中非常容易死機。因此，從改善汽車電氣設(shè)備的電磁環(huán)境、改善汽車的啟動性能和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，并使其體積增大，這并不是好的選擇。而將超級電容器與蓄電池并聯(lián)可以很好地解決這個問題。圖4.1 啟動過程中蓄電池的電壓波形圖4.2 啟動過程中蓄電池的電流波形4.2超級電容與蓄電池并聯(lián)在為發(fā)動機冷啟動時提供瞬時大功率方面, 發(fā)動機的啟動對蓄電池提出了特殊的要求, 蓄電池必須提

33、供瞬間大功率, 發(fā)動機才可能啟動。然而,一般蓄電池不具備這種特性, 除非用啟動點火型電池, 但是啟動點火型電池并不適合長時期小電流工作環(huán)境, 而且在低溫下經(jīng)常失效, 因此也不適合。研究發(fā)現(xiàn), 如果把超級電容和蓄電池聯(lián)合用在發(fā)動機啟動系統(tǒng), 發(fā)揮超級電容的獨有特性, 構(gòu)成新型的啟動系統(tǒng), 這個問題就可迎刃而解。超級電容器與蓄電池的并聯(lián)方式一般有幾種，包括直接并聯(lián)，通過電感器并聯(lián)，以及通過功率變換器并聯(lián)。前兩種為無源式結(jié)構(gòu)，第三種為有源式結(jié)構(gòu)。有源式結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)配置和控制過程設(shè)計上有較大的靈活性，對儲能系統(tǒng)的性能提升也更有效。本設(shè)計針對脈動負載，研制了超級電容器與蓄電池通過功率變換器并聯(lián)構(gòu)成的有源式

34、混合儲能系統(tǒng)。為了簡化分析過程，可以將蓄電池簡化為理想電壓源，超級電容器簡化為理想電容器C。因為我們主要研究系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以對它們的并聯(lián)等效內(nèi)阻可以不予考慮。圖4.3 蓄電池通過功率變換器(DCDC)與超級電容器并聯(lián)系統(tǒng)控制模型蓄電池通過功率變換器(DCDC)與超級電容器并聯(lián)，結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。由于功率變換器的變流作用，可以控制蓄電池的放電電流，提高混合電源的性能。變換器可以設(shè)計為降壓式或升壓式，以對蓄電池組和超級電容器組進行電壓匹配。對于單向功率變換器，能量只從蓄電池流向超級電容器及負載；而對于雙向功率變換器，蓄電池既可以給超級電容器及負載供電，超級電容器端還可以通過功率變換器給蓄電池

35、充電作為蓄電池的充電器。在工作過程中，由超級電容器組向脈動負載提供瞬時功率，而蓄電池通過功率變換器以恒流輸出方式工作。對功率變換器的控制目標，是使其輸出電流等于脈動負載電流的平均值。在圖4.3所示的系統(tǒng)控制模型中，I0為負載電流，I為功率變換器的輸出電流。在一定時間內(nèi)對負載電流進行積分、平均，以此作為功率變換器的參考量，并與實際輸 電流比較，產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器(PI)得到控制量，繼而產(chǎn)生控制功率變換器的脈寬調(diào)制信號(PWM) 。其中，超級電容器和蓄電池的參數(shù)與直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)的相同，不同的是蓄電池采用兩組串聯(lián)，額定電壓為24V。為了與超級電容器及負載的工作匹配，功率變換器采用降壓式斬

36、波電路(BUCK)。主要參數(shù)設(shè)置：開關(guān)頻率20kHz，電感15OH。施加脈動負載，周期為5s，占空比25，脈動功率3OW，圖4.4為系統(tǒng)的波形圖。可以看出，蓄電池基本上以恒流輸出方式工作，其輸出電流只占負載電流的15。超級電容器在負載脈動期問提供了74的電流，并在其余時間接受蓄電池通過功率變換器的充電。隨著脈動負載工作的繼續(xù)，蓄電池的電壓不斷下降，由于功率變換器的變流作用，超級電容器組與負載的電壓仍然能保持很好的穩(wěn)定性，僅在脈沖期間因超級電容器放電電流較大而下降，產(chǎn)生了約0.2V的電壓紋波。蓄電池的輸出電流在負載功率脈動期間略有下降，在該實驗中大概為0.01 A。原因是功率變換器以恒流輸出方式

37、工作，當負載功率增大時，功率變換器的輸出電壓稍有降低，輸出功率也隨之降低，從而導致了蓄電池輸出電流的降低。圖4.4通過功率變換器(DCDC)并聯(lián)系統(tǒng)的波形圖由于功率變換器的存在，使得該結(jié)構(gòu)與前兩種結(jié)構(gòu)相比具有較大的優(yōu)勢。首先，蓄電池組和超級電容器組的端電壓可以不同，因而在設(shè)計上具有較大的靈活性；其次，南于可以通過功率變換器將蓄電池的輸出電流限定到安全可靠的范圍，因而能夠大大提高系統(tǒng)的功率輸出能力；另外，蓄電池基本上以恒流輸出方式工作，優(yōu)化了蓄電池的放電過程。下面表4.1 和圖4.5 為帶DC/DC 的超級電容的充、放電輸出特性。表4.1 帶DC/DC的超級電容的充、放電輸出特性圖4.5 帶DC

38、/DC的超級電容的充、放電輸出特性曲線當然，由于功率變換器的使用，系統(tǒng)的控制變得復雜，而且也要消耗一定的能量。不過目前這種變換器的技術(shù)比較成熟，能量轉(zhuǎn)化效率也很高，能量雙向流動的變換器還可以經(jīng)過一定的控制作為蓄電池的電器。因此，有源式混合儲能系統(tǒng)具有較大的可行性。在這種儲能結(jié)構(gòu)中，超級電容器直接連接負載。電容儲能的特點是端電壓隨儲能量發(fā)生變化，即 。負載的端電壓會隨著超級電容器的放電過程而不斷降低，從而產(chǎn)生電壓紋波。為了保證電源質(zhì)景，需要對紋波進行限制，這也是確定超級電容器技術(shù)參數(shù)或容量配置的主要依據(jù)。假設(shè)超級電容器初始電壓為 ，功率變換器始終以恒流輸出(為負載平均功率與平均電壓的比值)，忽略

39、超級電容器內(nèi)阻上的壓降。負載工作期間超級電容器輸出電流為： (1) 超級電容器的電壓為： (2)負載端的電壓紋波為： (3)由式(3)可知，根據(jù)脈動負載的性質(zhì)(功率、脈動占空比等)，就可以算出超級電容器在一個脈沖期間由于放電所導致的電壓紋波。因此，式(3)可以作為超級電容器選型或容量配置的依據(jù)。4.3電性能的改善超級電容器與蓄電池并聯(lián)時，汽車啟動過程的電壓波形如圖4.6所示，電流波形如圖4.7所示。與圖4.1和圖4.2相比，啟動瞬間電壓跌落由只采用蓄電池時的3.2V提升到7.2V;啟動電流從560A提高到l200A；啟動瞬時的電源輸出功率從2kW上升到8.7kW;啟動過程的平穩(wěn)電壓由7V提高到

40、9.4V;啟動過程的平穩(wěn)電流由280A提高到440 A；啟動過程的電源平穩(wěn)輸出功率從2.44kW提高到4.12kW。圖4.6 并聯(lián)超級電容器的啟動電壓波形圖4.7 并聯(lián)超級電容器的啟動電流波形4.4蓄電池應用狀態(tài)的改善超級電容器與蓄電池并聯(lián)時，由于超級電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)遠低于蓄電池的內(nèi)阻，因此，在啟動瞬間，1200 A啟動電流中的800 A電流由超級電容器提供，蓄電池僅提供400 A的電流，明顯低于僅采用蓄電池的560 A，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，使啟動過程的平穩(wěn)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于延長蓄電池的使用壽命，而且也可以消除

41、頻繁啟動對蓄電池壽命的影響。4.5啟動性能的改善超級電容器與蓄電池并聯(lián)應用可以提高機車的啟動性能。將超級電容器(450 F/16.2 V)與12 V、5Ah的蓄電池并聯(lián)來啟動安裝1.9升柴油機的汽車，在10時平穩(wěn)啟動。盡管在這種情況下不連接超級電容器蓄電池也可以啟動，但采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)時啟動電動機的速度和性能都非常好。由于電源輸出功率的提高，啟動速度由僅用蓄電池時的300 r/m增加到450 r/m。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(zhuǎn)矩)，在-20時，由于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并聯(lián)時僅需一次點火，其優(yōu)點是

42、非常明顯的。4.6微型混合動力系統(tǒng)帶有各種控制面板網(wǎng)路的Audi微型混合動力系統(tǒng)綜合了燃料的經(jīng)濟性和舒適度，通過改進交流發(fā)電機還可以進一步的提升其性能。額外的功率還可以被用于快速的給駕駛室內(nèi)進行加溫。這個系統(tǒng)是可升級并實現(xiàn)不同的功能，包括快速加溫、被動升壓、恢復給啟動和停止提供動力。圖4.8顯示了上述Audi微型混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它包括一個14V的動力輸出部分，以及一個14V到42V的可調(diào)節(jié)輸出的控制面板部分。除此之外，它還包括其他的器件，比如線性控制器、超級電容、DC/DC轉(zhuǎn)換器、42V的PTC部件等等。圖4.8 Audi微型混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖4.9 Kromberg-Schubert公

43、司開發(fā)的蓄電池結(jié)構(gòu)微型混合動力系統(tǒng)啟動性能的改善圖4.9 顯示的是 Kromberg-Schubert公司開發(fā)的車用啟動蓄電池，其控制面板網(wǎng)路的布局中包含了超級電容。可以看出，它呈現(xiàn)出以下幾個特點：電池處于汽車的主干位置；改善了汽車在低溫環(huán)境下的啟動動作；重量降低5kg到8kg，這有助于減小燃料的消耗并節(jié)省空間，最重要的是，銅線的直徑可以顯著降低；降低了干擾的問題；與現(xiàn)存的其他蓄電池相比，這種方案更加具有環(huán)保和成本效益。 第五章超級電容器的使用和前景超級電容器具有廣泛的用途。與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相結(jié)合，超級電容器能提供快速的能量釋放，滿足高功率需求，從而使燃料電池可以僅作為能量源使用。

44、目前，超級電容器的能量密度可高達20kW/kg，已經(jīng)開始搶占傳統(tǒng)電容器和電池之間的這部分市場。在那些要求高可靠性而對能量要求不高的應用中，可以用超級電容器來取代電池，也可以將超級電容器和電池結(jié)合起來，應用在對能量要求較高的場合，從而可以采用體積更小、更經(jīng)濟的電池。超級電容器的ESR值很低，從而可以輸出大電流，也可以快速吸收大電流。同化學充電原理相比，超級電容器的原理使這種產(chǎn)品的性能更穩(wěn)定，因此，使用壽命更長。對于像電動工具和玩具這種需要快速充電的設(shè)備來說，超級電容器無疑是一個很理想的電源。一些產(chǎn)品適合采用電池/超級電容器的混合系統(tǒng)，超級電容器的使用可以避免為了獲得更多的能量而使用大體積的電池。

45、如消費電子產(chǎn)品中的數(shù)碼相機就是一個例子，超級電容器的使用使數(shù)碼相機可以采用便宜的堿性電池（而不是使用昂貴的Li離子電池）。超級電容器單元（cell）的額定電壓范圍為2.52.7V,因此，很多應用需要使用多個超級電容器單元。當串聯(lián)這些單元時，設(shè)計工程師需要考慮單元之間的平衡和充電情況。同某些二級電池技術(shù)相似，超級電容器的電壓在串聯(lián)使用時需要平衡，因為存在漏電流，內(nèi)部并聯(lián)電阻的大小將決定串聯(lián)的超級電容器單元上的電壓分配。當超級電容器上的電壓穩(wěn)定后，各個單元上的電壓將隨著漏電流的不同而發(fā)生變化，而不是隨著容值不同而變化。漏電流越大，額定電壓越小，反之，漏電流小，額定電壓高。為了補償漏電流的變化，常采

46、用的方法是，在每一個單元旁邊并聯(lián)一個電阻，來控制整個單元的漏電流。這種方法有效地降低了各單元之間相應并聯(lián)電阻的變化。另一個推薦使用的方法是主動單元平衡法，采用這種方法，每一個單元都會被主動監(jiān)視，當有電壓變化時，即進行互相平衡。這種方法可以降低單元上的任何額外負載，使工作效率更高。 如果電壓超過單元的額定電壓，將會縮短單元的使用壽命。對于高可靠性超級電容器來說，如何維持電壓在要求的范圍內(nèi)是關(guān)鍵的一點，必須控制充電電壓，以保證它不能超過每個單元的額定電壓。例如在內(nèi)燃機車的電啟動系統(tǒng)中采用超大容量電容器輔助啟動裝置, 顯示了較突出的優(yōu)勢, 其表現(xiàn)在:1. 由于啟動功率的增加, 縮短了柴油發(fā)電機組的啟

47、動時間。柴油機旋轉(zhuǎn)加速度增加, 提高了燃油點燃質(zhì)量。2. 降低了啟動蓄電池的最大電流負荷, 提高了蓄電池使用壽命。3確保了啟動的可靠性，特別是在低溫以及蓄電池組虧電或參數(shù)變壞時尤為明顯。4. 在現(xiàn)有蓄電池技術(shù)狀況下, 可以有效減小蓄電池容量。圖5.1圖5.1 類似于這種包含18個電池單元42V封裝的超級電容器模塊正進入當前和今后的汽車應用領(lǐng)域。10年前，超級電容器每年只能賣出去很少的數(shù)量，而且價格很貴，大約12美元/法拉，現(xiàn)在，超級電容器已經(jīng)作為標準產(chǎn)品大批量供應市場，價格也大大降低，平均0.010.02美元/法拉。在最近幾年中，超級電容器已經(jīng)開始進入很多應用領(lǐng)域，如消費電子、工業(yè)和交通運輸業(yè)

48、等領(lǐng)域。作為目前替代能源應用領(lǐng)域的一個極佳的技術(shù)解決方案，超級電容器將在需要更高效更可靠電源的新技術(shù)新領(lǐng)域中逐漸得到廣泛應用。 結(jié)論論文首先就汽車啟動系統(tǒng)進行簡單介紹。論文首先簡要的概述了傳統(tǒng)蓄電池的缺陷和加裝超級電容的好處，為將來奠定一個良好的發(fā)展基礎(chǔ)。然后論文介紹了超級電容的原理和結(jié)構(gòu)，并對其進行了詳細的分析，并由此闡述其特點和優(yōu)勢所在。在前面兩個部分的基礎(chǔ)上，論文介紹了傳統(tǒng)蓄電池在汽車啟動系統(tǒng)中的缺陷，然后對加裝超級電容的汽車啟動系統(tǒng)進行研究并闡述其效果和控制策略。最后，對超級電容的前景，生產(chǎn)和使用做簡單介紹。總的來說，此次畢業(yè)實習及畢業(yè)設(shè)計完成了任務(wù)書規(guī)定的各項要求，在學習模擬電路，數(shù)字電路及硬件基礎(chǔ)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進一步學習實踐其應用在生產(chǎn)生活中的技術(shù)，成功設(shè)計出一個能實