毕业设计（论文）超级电容器在汽车启动系统中的应用设计.doc

超级电容器在汽车启动系统中的应用设计作者姓名： 专业名称：电子信息科学与技术指导教师： 摘要近年来，随着电池和汽车电子技术的迅速发展以及人们生活水平的不断提高，越来越多的汽车电子产品应运而生，不论是在外部的灯饰还是在内部的蓄电池，现在我们的身边都离不开汽车电子产品。当然，汽车工业对汽车电源的数量和质量的需求都呈现一种指数级的增长。超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，它和蓄电池组合，被广泛应用于汽车上。本文根据超级电容器的结构特性，介绍在汽车启动过程中如何利用超级电容器减小对车内其他电子设备的干扰，利用超级电容器超强的爆发力与优良的低温性能，将电池与超级电容器组合成启动型超级电池，改善汽车的启动性能，延长蓄电池使用寿命。关键词： 蓄电池 汽车启动 超级电容器AbstractIn recent years, with the rapid development of car batteries and automotive electronic technology, and with the continuous improvement of peoples living standards, a grow number of automotive electronic products are coming into being. Nowadays, our life is surrounded by automotive electronic products, from external highting to internal car batteries. Admittedly, the automotive industry shows an exponential increase in the quantity and quality of automotive power. Supercapacitor as a new type of mass products power storage devices, is widely used in car in the combination with car batteries. According to the structural characteristics of Super capacitors, introduced how to make use of super capacitors to reduce vehicle interference with other electronic devices to improve the cars start-up performance, extend battery life in the process of the car's start-up.Key words : battery cars start-up Super capacitor 目录摘要IAbstractII目录III前言11 汽车启动系统21.1 汽车启动系统的组成21.1.1 蓄电池31.1.2 启动机31.1.3 启动继电器51.1.4 点火启动开关51.1.5 电流表51.2 汽车启动系统的原理51.3 影响启动机工作特性的因素62 超级电容器72.1 超级电容器简介72.2 超级电容器的结构82.3 超级电容器的原理92.4 超级电容器的主要特点92.5 超级电容器的分类112.6 超级电容器的特性122.7 超级电容器的主要特征参数143 设计要求163.1 发动机启动要求163.1.1 最低启动定义163.1.2 启动要求163.2 对超级电容的要求163.2.1 内阻要求163.2.2 漏电流/自放电174 超级电容在汽车启动系统中的应用184.1 传统蓄电池的缺陷184.2 超级电容与蓄电池并联194.3 电性能的改善244.4 蓄电池应用状态的改善254.5 启动性能的改善264.6 微型混合动力系统265 超级电容器的使用和前景28总结30致谢31参考文献32附件 汽车电器基本原理图33前言启动汽车的方式有许多种，随着汽车业的不断发展，现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。蓄电池是启动系统中的关键电器部件，其性能直接影响汽车的启动。但传统蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求。超级电容器是近几年发展比较迅速的一种新型储能装置，具有比功率高，低温工作性能好，寿命长，充放电迅速等优点。因而在汽车启动系统中应用越来越广泛。本文就以传统的蓄电池为启动系统供电能源的车辆上，装载超级电容的工作模式下，对车辆的启动进行研究。其中，车辆的基本工作状况为城区内工作模式，即频繁的启动、加速和制动。超级电容作为汽车启动系统中的动力源，可以提高车辆的启动性能，在制动时候，可以迅速吸收制动能量，充分发挥了超级电容的功能特点：比功率大，可以以大电流短期充、放电，从而满足车辆频繁的启动要求。 本文第一部分介绍汽车的启动系统；第二部分介绍超级电容器；第三部分提出了设计要求；第四部分给出了超级电容在汽车启动系统中的应用方法及控制策略；第五部分对超级电容的使用提出了具体的要求，并简单地阐述了它的前景。最后对论文做出总结。1 汽车启动系统发动机必须依靠外力驱动曲轴旋转后，才能进入正常工作状态，汽车发动机也不例外。通常把发动机曲轴在外力作用下，从开始旋转到怠速运转的全过程，称为发动机的启动。完成这一过程的系统就是启动系统。发动机常用的启动方式有：人力启动，辅助汽油机启动和电力启动机启动。现代汽车上均采用电力启动方式，通常将这种电力启动机简称为启动机。1.1 汽车启动系统的组成1-蓄电池 2-启动机 3-启动继电器 4-点火启动开关 5-电流表图1.1 启动系统基本组成启动系统的基本组成如图1.1所示，由蓄电池、电磁开关、启动继电器、启动机等组成。启动系统的功用就是通过启动机将蓄电池的电能转换成机械能，启动发动机运转。1.1.1 蓄电池蓄电池为可逆的直流电源。在汽车上使用最广泛的是启动用铅蓄电池，它与发动机并联，向用电设备供电。蓄电池的作用是：(1)在发动机启动时，向起动机和点火系统供电。 (2)在发电机不发电或电压较低的情况下向用电设备供电。 (3)当发电机超载时，协助发电机供电。 (4)蓄电池存电不足，而发电机负载又较少时，它可将发电机的电能转变为化学能储存起来(即充电)。 （5）蓄电池相当于一个大容量电容器。 国家标准GB9420-88的规定，汽车用启动电动机电路的电压降（每百安的培的电压差）12V电器系统不得超过0.2V，24V电器系统不的超过0.4V。因此，连接启动电动机与蓄电池之间的电缆必须使用具有足够横截面积的专用电缆并连接牢固，防止出现接触不良现象。它在汽车上占有重要位置，如何正确使用和维护保养蓄电池，对延长蓄电池的使用寿命极为重要。 1.1.2 启动机启动机可以将蓄电池的电能转化为机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的启动。启动机一般由直流电动机、传动机构和电磁开关三部分组成。在各种启动机的三个组成部分中，电动机部分一般没有本质的差别，而控制方法和传动机构的啮入方式则有很大差异，因此启动机是按控制方法和传动机构的啮入方式的不同来分类的。按控制方法的不同，启动机可分为：(1)机械控制式 (2)电磁控制式 按传动机构啮入方式，启动机可分为：a.惯性啮合式 b.强制啮合式 c.电枢移动式 d.齿轮移动式 e.同轴式启动机式。除上述以外，还有磁极为永久磁铁的永磁式启动机，以及内装减速齿轮的减速启动机等等。（1）直流电动机：电动机包括电枢、换向器、磁极、电刷、轴承和外壳等部件。直流电动机的工作原理是电磁感应。给电动机输入电流，电动机向外输出转矩，从而启动发动机。电动机的电磁转矩M取决于磁通、电枢电流Ia的乘积，即：M=CmIa其中Cm电机结构常数。直流电动机拖动负载，当负载发生变化时，电动机的电枢转速、电枢电流、电磁转矩均会自动的作相应的变化，以满足不同负载的需要。其原理如下：通电的线圈在磁场中受力而转动，运动的线圈切割磁力线产生电动势，电动势的方向和线圈电流方向相反，电动势的大小为：E反=Cen其中，Ce电机结构常数；磁极磁通； n电枢转速。电动机工作时，电压平衡方程式为：Ub=E反+IaRa则电枢电流为：Ia =(Ub-E反)/Ra因此，负载轴上阻力矩电枢转速E反Ia电磁转矩直至电磁转矩减至与阻转矩相等电机拖动负载以较高转速平稳运转；负载轴上阻力矩电枢转速E反Ia电磁转矩直至电磁转矩增至与阻转矩相等电机拖动负载以较低转速平稳运转。（2）传动机构：传动机构实际上是一个单向离合器。它作用是单方向传递转矩，即启动发动机时将启动机的转矩传给发动机曲轴，而当发动机启动后，它又能自动打滑，不使飞轮齿环带动启动机电枢旋转，以免损坏启动机。摩擦片式的单向离合器多用于大功率启动。（3）电磁开关：电磁开关主要由电磁铁机构和电动机开关两部分组成。电磁铁机构由固定铁心、活动铁心、吸引线圈和保持线圈等组成。电磁开关于启动机制作在一起。接通启动机电磁开关电路，以使电磁开关通电工作，控制启动机的运转和传动机构的啮合与分离。大体上说，启动机这用三个部件来实现整个启动过程。直流电动机引入来自蓄电池的电流并且使起动机的驱动齿轮产生机械运动；传动机构将驱动齿轮啮合入飞轮齿圈，同时能够在发动机启动后自动脱开；启动机电路的通断则由电磁开关来控制。其中，电动机是启动机内部的主要部件，它的工作原理就是我们在初中物理中所接触到的以安培定律为基础的能量的转化过程，即通电导体在磁场中受力的作用。1.1.3 启动继电器由启动继电器触点（常开型）控制启动机电磁开关电路的通断，启动开关只是控制启动继电器线圈电路，从而保护了启动开关，有单联型（保护启动开关）和复合型（既保护启动开关又保护启动机）。1.1.4 点火启动开关汽油发动机的启动开关与点火开关组合在一起控制发动机启动。1.1.5 电流表电流表串联在充电电路中，是用来指示蓄电池充、发电状态的仪表，按结构形式可分为电磁式、动磁式和光电指示灯式。最常用的是电磁式电流表，它具有结构简单耐振等特点。1.2 汽车启动系统的原理 图1.2 启动电路简化原理图如图1.3所示，当驾驶员把点火开关旋至第3挡位置时，形成的电源电路通路为：蓄电池正极总保险丝电流表点火开关第3挡启动继电器线圈蓄电池负极。当启动继电器线圈通电后，其常开触点闭合，接通了启动机的电磁开关线圈电路，其触点也闭合（图中未单独画出，见图1.3中的开关接触盘）。这时，启动电流从蓄电池正极起动机电源接线柱电磁开关励磁绕阻电枢绕阻搭铁蓄电池负极，于是启动机产生电磁转距，启动发动机。发动机被启动后，点火开关在自身的回弹力作用下，自动退回到第二挡位置，从而完成了启动任务。图1.3启动继电器及启动机示意图1.3 影响启动机工作特性的因素（1）蓄电池的容量和充电情况容量大，充电充足，内阻小，供给起动机电流大，启动机的功率、转速、制动力矩都大。（2）启动电路的电阻影响启动机内部电阻和启动线路电阻越大，启动机得输出功率、转速、制动力矩均会降低。（3）环境温度的影响。环境温度低时，启动性能不好。2 超级电容器2.1 超级电容器简介电容器，顾名思义，是装电的容器，是一种容纳电荷的器件。英文名称：Capacitor，用字母C表示。电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路， 能量转换，控制电路等方面。在直流电路中，电容器是相当于断路的。在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。实际上，电流是通过场的形式在电容器间通过的。充电和放电是电容器的基本功能。超级电容器，如图2.1，亦称超大容量电容器，是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置。近年来，人们一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器来作为电动汽车的混合动力系统。超级电容器可以用来满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求，以保护蓄电池系统，还可作为燃料电池的启动动力，做移动通讯和计算机的电力支持等。目前应用于超级电容器的材料主要有三种:碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料。超级电容器是一种电容量可达数千法拉的极大容量电容器。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。图2.1 常用的超级电容器2.2 超级电容器的结构图2.2为超级电容器的结构图，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中是电解质的介电常数，是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面面积。图2.2超级电容器结构框图由图可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性炭有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。与电他相比较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电他不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特色。2.3 超级电容器的原理图2.3 双电层示意图超级电容器是利用双电层原理的电容器，其原理示意图如图2.3，当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。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。由于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。由此可以看出超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的与利用化学反应的蓄电他是不同的。2.4 超级电容器的主要特点由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点:1. 电容量大。超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了34个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5OOOF。2. 放电寿命很长。可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次。3. 可以提供很高的放电电流。如270OF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。4. 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几乎不可能。5. 可以在很宽的温度范围内正常工作(-40+70)，而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。6. 超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍锅蓄电池均具有毒性。7. 等效串联电阻ESR相对常规电容器大(1OF/2.5V的ESB为11Om)。8. 可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。虽然，目前全球已有许多家超级电容器生产商，可以提供许多种类的超级电容器产品，但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料，如图所示：图2.4 在结构上，超级电容器和电池或电解电容器的主要区别是电极材料早期的超级电容器的电极采用碳，碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般容值范围为15000F。2.5 超级电容器的分类1.根据使用目的不同可分为：（1）启动型超级电容，即轻型超级电容，可以输出几秒钟到几十秒钟的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，5000F以下，可以几个到几百个串联使用，组件电压12VDC到700VDC以上。（2）牵引型超级电容，即重型超级电容，可以连续输出几分钟到几十分钟的较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，常用于各类电动汽车，机械设备，太阳能系统和电子电器中，单体容量最高可达100000F以上，可以几个到几百个串联使用，组件电压12VDC到800VDC以上。2.根据储能方式分为：（1）双电层超级电容器，以活性炭为正、负电极，俗称碳-碳超级电容。（2）金属氧化物超级电容, 在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容,被称为假电容。（3）高分子聚合物超级电容，使用导电聚合物作为电极的电容器。双电层电容充放电纯属于物理过程，循环次数高，充电过程快，但所存储的能量较小；而后两种超级电容的产生机理中伴随电荷传递过程的发生，比能量明显高于双电层电容，有点类似于二次电池的性质.兼顾各类电容的特点，将双电层电容和法拉第电容结合，制成不对称电极的混和超级电容。车用的超级电容器主要是这种电容器。2.6 超级电容器的特性1.额定容量单位:法拉(F),规定的恒定电流(如1OOOF以上的超级电容器规定的充电电流为100A,20OF以下的为3A)充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即： 由于等效串联电阻(ESR)比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略，如2.7V/5OOOF超级电容器的ESR为0.4m，在100A电流放电时的ESR电压降为40mV占额定电压的1.5%，在950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在额定电流下放电容量将为额定容量减小88.5%，这一特性将在图2.5中看到。2.额定电压即可以使用的最高安全端电压(如2.3V,2.5V,2.7V，3V)，除此之外还有浪涌电压，实际上超级电容的击穿电压远高于额定电压(约为额定电压的1.5倍左右，与普通电容器额定电压/击穿电压比值差不多。3.额定电流5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流(脉冲峰值电流)。图2.5 2.7V/270OF超级电容器放电特性曲线4.最大存储能f在额定电压放电到零所释放的能量,以焦(J)或瓦·时(W·h)为单位。5.储能f密度最大存储能量除以超级电容器的重量或体积(W·h/kg 或 W·h/I)。6.功率密度在匹配的负载下,超级电容器产生电热效应各半时的放电功率,用kW/吨或kW/t表示。7.等效串联电阻测试条件:规定的恒定电流(如1OOOF以上的超级电容器规定的充电电流为100A,20OF以下的为3A)和规定的频率(DC和大容量为100Hz或小容量的为KHz)下的等效申联电阻。通常交流ESP比直流ESR小，随温度上升而减小。8.工作与存储温度通常为-40至+60或7090，存储温度还可以高一些。9.漏电流一般为lOA/F。10.寿命在25环境温度下的寿命通常在90000小时，在60的环境温度下为4000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似寿命随环境温上升度缩短的原因是电解液的蒸发程度损失随温度上升。寿命终了的标准为:电容量变化大于20%， ESR增大到额定值的1.5倍。11.循环寿命20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间10秒为一个循环.一般可达500000次.寿命终了的标准为:电容量变化大于20%， ESR增大到额定值的1.5倍。2.7 超级电容器的主要特征参数把超级电容等效为一个理想电容器C;与一个较小阻值的电阻(等效串联阻抗，Res串联，同时与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗，Rep相并联的结构。其原理如图2.6所示：图2.6 理想超级电容器超级电容在使用过程中会涉及到几个基本的参数：本征容量C，最高电压，最低工作电压 ，放电效率.本征容量和最高最低电压决定了超级电容能够存储的有效容量.超级电容的有效储存能量用公式表示为：设=q则q表征了超级电容的放电深度。在蓄电池中，过大的放电深度对蓄电池的寿命会有较大影响。而在超级电容中由于超级电容充放电主要是物理过程，因此它对超级电容的寿命基本上没有什么影响。不过在实际使用过程中，由于在电压很低时超级电容剩余能量比较少，而且在低电压时电效率比较低，所以要剩余一部分能量，一般取q=1/2。由于一般比较大，可达数十千欧姆，可认为是断路。超级电容的充电效率定义为：超级电容放电效率定义为：充放电效率为：这只是从理论上推导的充放电的效率。实际上在充放电过程中，超级电容内阻和电容值都是动态变化的，受充放电电流和温度等因素的影响，都不是定值.而且超级电容一般漏电流自放电现象比较严重，比如某50000F超级电容漏电流为712 A，在平衡点上下波动，平均漏电流约为10A。如果该超级电容不能在短期内放电做功，他可能由于长时问的搁置而能量内耗掉，实际上就是放电效率严重下降.因此为了准确的得出放电效率需要根据不同的超级电容在不同放电状态(此放电状态应该跟工作状态相似)进行试验。在实际过程中由于受试验条件等受限，可以根据厂家提供的数据进行初步设计，在实践中进行改进。3 设计要求3.1 发动机启动要求3.1.1 最低启动定义在一定温度下，发动机能够起动的最低曲轴转速。汽油机中，约为5070r/min。3.1.2 启动要求启动机传给发动机的转速要大于发动机的最低转速；若低于这个转速，汽油泵供油不足，气流速度过低，可燃混合气形成不充分，还会使压缩行程的散热损失和漏气损失增加，导致发动机不能启动。超级电容可放出的能量为：设计过程中可以根据此公式初步选择超级电容的容值.放电效率可以根据厂家提供的额定放电时的效率估算。等效串联内阻。3.2 对超级电容的要求3.2.1 内阻要求内阻越小越好，放电效率越高。如果内阻过高不仅导致放电效率下降而且大电流放电时会造成热量累积，温度升高，电极材料活性开始衰弱，会使超级电容的寿命降低。一般要求内阻在毫欧级以下。3.2.2 漏电流/自放电任何超级电容器都会在通电的情况下产生漏电流，它会影响超级电容器单元的自放电。漏电流是在充放电过程中，双电层离子由于受到电极上异性电荷的静电吸引力和电解液中溶液离子浓度梯度造成的本体迁移力的共同作用而产生的。温度是一个影响漏电流的重要因素，温度升高，漏电加剧。充电停止后，当外界没有电磁场作用于电容器时，扩散层中离子仍继续向溶液本体迁移，同时紧密层离子脱离出来进入扩散层，并进一步迁移到溶液本体，这就形成了电容器的自放电。由于漏电流和自放电很难简单的用一个参数来表述，而且过于专业的一些电参数对实际设计过程作用不大。因此从宏观上看，可以从超级电容的放电效率和时间-电压保持能力来要求超级电容的性能。漏电流和自放电都影响超级电容的放电效率。因此对设计比较有用的效率可以定义为：式中：W为超级电容对外做的功。电压保持的能力与超级电容中的等效并联内阻有关，一般来说该值与端电压有关，端电压越高时，并联电阻越小。4 超级电容在汽车启动系统中的应用4.1 传统蓄电池的缺陷Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。化学电池使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。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：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E为蓄电池空载端电压，RM为启动电动机的电枢电阻，RS为蓄电池内阻、RL为线路电阻。由于RM、RB、RL均非常低，启动电流非常大。例如用12 V、45 Ah的蓄电池启动安装1.9 L柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6 V降到约3.6 V，启动过程的蓄电池电压波形如图4.1所示。启动瞬时的电流达550 A，约为蓄电池的12V的放电率,启动过程的蓄电池电流波形如图4. 2所示。电流传感器的电流/电压变换比率为100 A/V。尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电，但从图4.1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。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备掉电，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。因此，从改善汽车电气设备的电磁环境、改善汽车的启动性能和蓄电池性能或延长蓄电池使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程中的性能是必要的。解决问题的方案之一是加大蓄电池的容量，但需要增加很多，并使其体积增大，这并不是好的选择。而将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。图4.1 启动过程中蓄电池的电压波形图4.2 启动过程中蓄电池的电流波形4.2 超级电容与蓄电池并联在为发动机冷启动时提供瞬时大功率方面, 发动机的启动对蓄电池提出了特殊的要求, 蓄电池必须提供瞬间大功率, 发动机才可能启动。然而,一般蓄电池不具备这种特性, 除非用启动点火型电池, 但是启动点火型电池并不适合长时期小电流工作环境, 而且在低温下经常失效, 因此也不适合。研究发现, 如果把超级电容和蓄电池联合用在发动机启动系统, 发挥超级电容的独有特性, 构成新型的启动系统, 这个问题就可迎刃而解。超级电容器与蓄电池的并联方式一般有几种，包括直接并联，通过电感器并联，以及通过功率变换器并联。前两种为无源式结构，第三种为有源式结构。有源式结构在系统配置和控制过程设计上有较大的灵活性，对储能系统的性能提升也更有效。本设计针对脉动负载，研制了超级电容器与蓄电池通过功率变换器并联构成的有源式混合储能系统。为了简化分析过程，可以将蓄电池简化为理想电压源，超级电容器简化为理想电容器C。因为我们主要研究系统的动态性能，所以对它们的并联等效内阻可以不予考虑。图4.3 蓄电池通过功率变换器(DCDC)与超级电容器并联系统控制模型蓄电池通过功率变换器(DCDC)与超级电容器并联，结构如图4.3所示。由于功率变换器的变流作用，可以控制蓄电池的放电电流，提高混合电源的性能。变换器可以设计为降压式或升压式，以对蓄电池组和超级电容器组进行电压匹配。对于单向功率变换器，能量只从蓄电池流向超级电容器及负载；而对于双向功率变换器，蓄电池既可以给超级电容器及负载供电，超级电容器端还可以通过功率变换器给蓄电池充电作为蓄电池的充电器。在工作过程中，由超级电容器组向脉动负载提供瞬时功率，而蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。对功率变换器的控制目标，是使其输出电流等于脉动负载电流的平均值。在图4.3所示的系统控制模型中，I0为负载电流，I为功率变换器的输出电流。在一定时间内对负载电流进行积分、平均，以此作为功率变换器的参考量，并与实际输 电流比较，产生误差信号，经过比例积分调节器(PI)得到控制量，继而产生控制功率变换器的脉宽调制信号(PWM) 。其中，超级电容器和蓄电池的参数与直接并联结构的相同，不同的是蓄电池采用两组串联，额定电压为24V。为了与超级电容器及负载的工作匹配，功率变换器采用降压式斩波电路(BUCK)。主要参数设置：开关频率20kHz，电感15OH。施加脉动负载，周期为5s，占空比25，脉动功率3OW，图4.4为系统的波形图。可以看出，蓄电池基本上以恒流输出方式工作，其输出电流只占负载电流的15。超级电容器在负载脉动期问提供了74的电流，并在其余时间接受蓄电池通过功率变换器的充电。随着脉动负载工作的继续，蓄电池的电压不断下降，由于功率变换器的变流作用，超级电容器组与负载的电压仍然能保持很好的稳定性，仅在脉冲期间因超级电容器放电电流较大而下降，产生了约0.2V的电压纹波。蓄电池的输出电流在负载功率脉动期间略有下降，在该实验中大概为0.01 A。原因是功率变换器以恒流输出方式工作，当负载功率增大时，功率变换器的输出电压稍有降低，输出功率也随之降低，从而导致了蓄电池输出电流的降低。图4.4通过功率变换器(DCDC)并联系统的波形图由于功率变换器的存在，使得该结构与前两种结构相比具有较大的优势。首先，蓄电池组和超级电容器组的端电压可以不同，因而在设计上具有较大的灵活性；其次，南于可以通过功率变换器将蓄电池的输出电流限定到安全可靠的范围，因而能够大大提高系统的功率输出能力；另外，蓄电池基本上以恒流输出方式工作，优化了蓄电池的放电过程。下面表4.1 和图4.5 为带DC/DC 的超级电容的充、放电输出特性。表4.1 带DC/DC的超级电容的充、放电输出特性图4.5 带DC/DC的超级电容的充、放电输出特性曲线当然，由于功率变换器的使用，系统的控制变得复杂，而且也要消耗一定的能量。不过目前这种变换器的技术比较成熟，能量转化效率也很高，能量双向流动的变换器还可以经过一定的控制作为蓄电池的电器。因此，有源式混合储能系统具有较大的可行性。在这种储能结构中，超级电容器直接连接负载。电容储能的特点是端电压随储能量发生变化，即 。负载的端电压会随着超级电容器的放电过程而不断降低，从而产生电压纹波。为了保证电源质景，需要对纹波进行限制，这也是确定超级电容器技术参数或容量配置的主要依据。假设超级电容器初始电压为 ，功率变换器始终以恒流输出(为负载平均功率与平均电压的比值)，忽略超级电容器内阻上的压降。负载工作期间超级电容器输出电流为： (1) 超级电容器的电压为： (2)负载端的电压纹波为： (3)由式(3)可知，根据脉动负载的性质(功率、脉动占空比等)，就可以算出超级电容器在一个脉冲期间由于放电所导致的电压纹波。因此，式(3)可以作为超级电容器选型或容量配置的依据。4.3 电性能的改善超级电容器与蓄电池并联时，汽车启动过程的电压波形如图4.6所示，电流波形如图4.7所示。与图4.1和图4.2相比，启动瞬间电压跌落由只采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从560A提高到l200A；启动瞬时的电源输出功率从2kW上升到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440 A；启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。图4.6 并联超级电容器的启动电压波形图4.7 并联超级电容器的启动电流波形4.4 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(ESR)远低于蓄电池的内阻，因此，在启动瞬间，1200 A启动电流中的800 A电流由超级电容器提供，蓄电池仅提供400 A的电流，明显低于仅采用蓄电池的560 A，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。最为重要的是蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命，而且也可以消除频繁启动对蓄电池寿命的影响。4.5 启动性能的改善超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能。将超级电容器(450 F/16.2 V)与12 V、5Ah的蓄电池并联来启动安装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速度和性能都非常好。由于电源输出功率的提高，启动速度由仅用蓄电池时的300 r/m增加到450 r/m。超级电容器尤其能提高汽车在冷天的启动性能(更高的启动转矩)，在-20时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能难以正常启动或需多次启动才能点火，而超级电容器与蓄电池并联时仅需一次点火，其优点是非常明显的。4.6 微型混合动力系统带有各种控制面板网路的Audi微型混合动力系统综合了燃料的经济性和舒适度，通过改进交流发电机还可以进一步的提升其性能。额外的功率还可以被用于快速的给驾驶室内进行加温。这个系统是可升级并实现不同的功能，包括快速加温、被动升压、恢复给启动和停止提供动力。图4.8显示了上述Audi微型混合动力系统的结构，它包括一个14V的动力输出部分，以及一个14V到42V的可调节输出的控制面板部分。除此之外，它还包括其他的器件，比如线性控制器、超级电容、DC/DC转换器、42V的PTC部件等等。 图4.8 Audi微型混合动力系统的结构 图4.9 Kromberg-Schubert公司开发的蓄电池结构 图4.9 显示的是 Kromberg-Schubert公司开发的车用启动蓄电池，其控制面板网路的布局中包含了超级电容。可以看出，它呈现出以下几个特点：电池处于汽车的主干位置；改善了汽车在低温环境下的启动动作；重量降低5kg到8kg，这有助于减小燃料的消耗并节省空间，最重