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超级电容应用于蓄电池电力工程车的理论研究
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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ＲＬ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：
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。
２．３．２漏电流／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充电停止后，当外界没有电磁重要因素，温度升高，漏电加剧。
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
充放电效率：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：
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
式中：Ｗ为超级电容对外做功。时间－电压保持能力与超级电容中的等效的并联ＲＬ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。下图给出了某超级电容的自放电曲线。
从图中可以看出在刚开始阶段自放电比较严重。到后来电压平稳在某个数值。在自放电前期，等效并联内阻只有几十如图所示的两欧姆，到了放电后期的等效内阻可达数十千欧。个超级电容７２ｈ时后电压保持在１．２２Ｖ和１．２８Ｖ。
７￣１２Ａ，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，他可能由于长时间的搁置而因此为了准确的能量内耗掉，实际上就是放电效率严重下降。
得出放电效率需要根据不同的超级电容在不同放电状态（此在实际过程中由于放电状态应该跟工作状态相似）进行试验。
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。
２．３．３电压均衡性
制作过程电压均衡性：超级电容在制作过程中由于材料、的不完全一致性，超级电容在充放电过程中各个单体之间电压会不一致。随着循环次数的增大，这种不一致性会严重影响超级电容的性能。一般要求单体之间的电压差别不超过５％。如果差别过大，在充电过程中会使得某个单体电压过高，会造成超级电容的失效。图２所示的两个超级电容在７２ｈ之后，电压差异在５％左右。除了在初始阶段要检测超级电容的均
２车用超级电容设计要求
类似于一般的二次电池电路设计，车用超级电容在设计过程中需要满足两个基本的要求：功率要求和能量要求。
２．１功率要求
即是超级电容能够满足瞬时启动、加速、能量回收等的大功率充放电需求。而且在大电流充放电的情况下，不应该对超级电容的寿命产生影响。一般超级电容生产厂商都标有额定电流值。设计时应该参考这些额定的值，以便使得超级电容工作在高效区域内。超过额定电流的大电流放电会降低放电效率，并且可能使得电容产生过热，影响超级电容的寿命。有的厂商为了区别功率需求和能量需求，把超级电容器分成功率型超级电容器和能量型超级电容器。选用时注意区别。
２．２能量要求
超级电容可放出的能量为：
可以根据厂家提供的额定放电时的效率估算。
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
２．３其他设计要求
２．３．１等效串联内阻Ｒｓ
等效串联内阻Ｒｓ要求越小越好。内阻越小，放电效率越
自放电电压变化
Ｆｉｇ．２Ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｅｌｆ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅ
２００６．９Ｖｏｌ．３０
研究与设计
衡性，在使用过程中也要检测超级电容的均衡性，这需要一套超级电容能量管理系统，完成超级电容系统的状态采集和故障检测功能。
计算得Ｉ＝１９６Ａ。
需要超级电容参数为：电容１１２Ｆ，最高电压为４６Ｖ。它可按以如下获得：使用Ｍａｘｗｅｌｌ单体参数为２７００Ｆ，２．５Ｖ的超级电容，把１９个电容器串联在一起。这些超级电容总重为
在了解超级电容充放电性能后，可以对车用超级电容系统进行匹配设计。
１３．３ｋｇ，体积为１１．７８Ｌ。注意由于超级电容在充电过程中
电压越来越高，而制动过程中输出电压是越来越低的，因此有必要设计升压装置，没有升压装置，在制动输出电压过小时，制动能量是不能够回收的。
３．１柴油机冷启动
重型柴油发动机冷启动困难，大部分卡车驾驶员都养成了在停车时让发动机维持怠速运转的习惯。但这样做会使得燃油消耗严重并且怠速情况下，发动机排放出的黑烟和有毒气体，污染空气。
现有柴油启动机需要提供启动率５ｋＷ的平均功率，持在不使用超级电容时使用２４Ｖ的铅酸蓄电池启动。为续３ｓ。
了改善启动性能，提高蓄电池的使用寿命，现使用超级电容启动。设超级电容能够达到的最高电压为铅酸电池的额定电压
３．３牵引车
牵引车广泛用于码头，机场，车站等。现在牵引机一般采用内燃机。由于存在气体排放，会对周围的环境造成污染。在对环境要求比价高的场合就需要改用电动牵引车。例如机场，巷道等。超级电容由于其快速充电的特性，成为电源的一种选择。现以某机场牵引车举例如下：
该车基本参数如下：自重３２００ｋｇ，额定拖动货物质量为
２４Ｖ。现选取Ｍａｘｗｅｌｌ的最高电压为２．５Ｖ额定放电电流为１００Ａ的超级电容。需要能量：Ｅ＝ｐｔ＝１．５×１０４Ｊ。选取超级电
容的最高电压为启动蓄电池的额定电压２４Ｖ。根据电压要求需要超级电容个数为：Ｎ＝２４／２．５＝１０
，取ｑ＝０．５，ｈ＝０．９２，经过计
算串联单体所需要的电容Ｃ＝６０３Ｆ。由于在Ｍａｘｗｅｌｌ提供的超级电容系列中没有该容值的电容，而有３５０Ｆ的超级电容。可以考虑将使用２０个３５０Ｆ的超级电容。分成两组，每组１０个，先串联，然后两组之间并联。在电压下降到一半时要提供
８０００ｋｇ，额定工作速度为３．５ｍ／ｓ。选用能量型超级电容。采
用工作区间为１．６～０．８Ｖ，电容为８００００Ｆ，单体质量为２．２
ｋｇ，体积为２．３３Ｌ的超级电容。该超级电容推荐放电电流不超
过２００Ａ。机场到货舱的距离为８００ｍ，来回为１６００ｍ。现在充电策略是每次牵引车在货舱装货物的时候进行充电。根据能量平衡：ｈ１ｈ２Ｎｗ＝ｆｍｇＳ：ｈ１，ｈ２分别为放电效率和传动效率，分别取０．９２，０．９３；ｆ为滚动摩擦系数取０．０２；Ｗ为每个超级电容所储存的能量；Ｎ为需要选用的超级电容的个数。把ｍ＝
１１２００ｋｇ，Ｓ＝１６００ｍ带入计算得Ｎ＝５４。把这些超级电容串
联，得串连电压：Ｕ＝１．６×５４＝８６．４Ｖ，可以选用常用的８０Ｖ的直流串励牵引电机。带额定负载时的功率为：
考虑超级电容电压下降时，动力性能有所减弱，可选用功率
５ｋＷ的功率，超级电容单体最大放电电流为２００Ａ。在启动
的瞬间，实际电流远远大于２００Ａ，可达６００Ａ以上。不过由于超级电容的放电过程主要是一个物理过程，短时间大电流放电时可以忍受的。由于该超级电容的个体质量仅为６０ｇ，体积为０．０５３Ｌ，因此２０个这样的单体总质量也才为１．２ｋｇ，占用空间为１．０６Ｌ。其质量和体积比较小，用在重型柴油车中，基本可以忽略不计。
１２～１５ｋＷ的电机。该车工作时间
充电时间为：
５４个超级电容串连起来总重为１１９ｋｇ，体积为１２６Ｌ。为
了增加牵引力，牵引车一般设计有压重块，因此可以通过较少压重块来把整车质量平衡到原来的质量。考虑需要恒压保持一段时间，充电时间设计为６ｍｉｎ，这６ｍｉｎ可以利用装载货物的时候进行充电。该车使用时间和充电时间比为４∶３，而一般蓄电池牵引车使用时间和充电时间比约为１∶２。超级电容的充电时间只是在装货的时候充电，并不占用额外的时间，极大的提高了牵引车的利用率。而且超级电容使用寿命长，不需要维护，唯一不方便的就是每趟用完了之后需要充电。为了减少充电次数，可以增加超级电容的个数。设计过程类似，不累叙。
３．２作为能量回收装置
某两吨车遇到红灯停下，在这个过程中，运动能部分转化成电能并存储到超级电容器中。开始刹车时车的时速为６０
ｋｍ，使用了１２ｓ停止下来。如下面的计算所显示的，产生了８３．４ｋＪ的刹车动力，刹车中在２５Ｖ到４６Ｖ之间，以充电电流１９６Ａ存储到了１１２Ｆ的电容中（假设能有效回收为３０％的
车的运动能Ｅ１＝０．５ｍＶ２，这里ｍ＝２０００ｋｇ。开始刹车时计算得Ｅ１＝２７８ｋＪ。设有３０％的车速ｖ＝６０ｋｍ／ｈ＝１６．６７ｍ／ｓ。
能量得到回收，则需要存储的能量为Ｅ２＝Ｅ１×３０％＝８３．４
＝０．５Ｃ（Ｕｍａｘ２－Ｕｍｉｎ２）。ｋＪ。超级电容储存能量Ｅ２’充电开始时电容
电压Ｕｍｉｎ＝２５Ｖ，充电结束时电容电压Ｕｍａｘ＝４６Ｖ。这些值与汽车动力单元提供的４２Ｖ电压的－４０％／１０％一致。取根据
通过给出超级电容的一些本身的放电特性，给出了超级电容的设计过程中需要考虑的因素。由于超级电容的比功率不过其放大，因而在设计过程中最主要的考虑因素是其能量。
电电流一般也有限制，过大的放电电流会导致超级电容寿命的减少。通过给出三个设计实例，讨论了超级电容的不同应用
Ｅ２＝Ｅ２’经计算得Ｃ＝１１２Ｆ。确定充电电流：
ＤＱ＝Ｃ×ＤＵ，Ｉ＝ＤＵ／Ｄｔ
这里Ｃ＝１１２Ｆ，Ｄｔ＝１２ｓ，ＤＵ＝２１Ｖ，
２００６．９Ｖｏｌ．３０
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阿特兹在同级车里算得上是个“技术控”了。除了那个让人耳朵起茧的创驰蓝天以外，它的i-stop和i-ELOOP也都算是不错的“发
明创造”。有人说了，那不就是自动启停和制动能量回收吗？是，也不全是。例如i-stop的点火式启动就很有创意。而在这里我们真正
想说的是它的i-ELOOP。它与目前主流的制动能量回收系统有一个非常大的不同，在于储能装置由电池变成了电容。
电池储能有啥不好的？
目前主流的能量回收系统工作原理大同小异。我们知道，正常情况下，发电机是跟随发动机一起工作的，并在发动机正常运转时为
整车电气系统提供电能，以及为蓄电池充电。所有这些能量，均源自发动机的正常工作，成为发动机的负荷之一，从而增加能耗。制动
能量回收系统，是通过发电机的逆变原理，搜集车辆无需动力输出时(例如收油滑行、制动等时候)的剩余能量，达到节省能耗的目的。
具体到工作方式。正常行驶时发电机不再工作，即不成为发动机的负载。电气系统由蓄电池供电。在收油滑行及踩下制动踏板工况
出现时，发电机逆变发电，既有效利用滑行惯性，又能起到制动效果，一举两得。这种剩余能量转换成电能后存储在蓄电池中，供加速
时为整车提供电能使用。如此一来，理论上可以做到发动机无需再主动为发电机提供能量，整车电气系统的能量全部来源于剩余能量的
回收。不仅起到了节能的效果，而且还能在加速时减小发动机负荷，提升动力性。
然而，这个看上去很美的过程有两个问题：
1.制动能量回收，能够产生的电能其实是很大的(这个通过直观理解就不难判断)，而电池充电却需要时间。此时瞬间产生的大量电
能，只能有很小一部分能够“充进电池里”，其他仍然白白浪费掉了。以至于虽然制动能量远大于需要充电的能量，但仍有可能导致电
池亏电。此时系统就不得不仍旧在加油状态下启动发电机，从而增加能耗。
2.铅蓄电池是在频繁充放电的过程中是会“折寿”的，因此这种能量回收系统会缩短蓄电池的使用时间，或者增加蓄电池的更换成
本(为了延长使用时间而选用性能更好的蓄电池)。这些额外的开销，都与节能=省钱的初衷相违背。
超级电容是个什么东西？
阿特兹的i-ELOOP对应的储能装置不是电池，而是双层电容。双层电容是超级电容的一种。马自达为何用它，为何之前车子上没见
过这玩意？
电容的优点是什么？
首先是充电速度超快，别管多大容量，只要电流够，一两秒搞定没问题。打个比方，如果手机电池换成电容，每天在充电器上插几
秒钟就充满，这是什么感觉？其次是耐充，几十万次没问题，而且能量不衰减。几十万次什么概念？按照平均水平一天冲放电20次，能
用50年以上！第三是放电速度极快，或者说能够承载的功率高，这也是电池所不能比的。第四，效率高。由于是物理变化，它的能量转
换效率远非化学变化的电池可比。
看起来十分完美对吗？但普通的电容有个致命缺点：容量极小。这从它常用的单位微法就能看出来。1微法只有1法拉的百万分之
一。而1法拉有多少电？0.638毫安时而已。我们常见的五号充电电池多少毫安时？2500毫安时不算高的。折算一下，相当于一个五号充
电电池的电能，与40万个一万微法的电容相当。这样的电容显然不能为车辆储能。
超级电容与普通电容截然不同，它通过极化电解质来实现储能，但同时与电容一样属于物理变化而非电池那样的化学变化。这个有
趣的原理，使得它的特性介于电容和电池之间，或者说集合了二者的优点。它在充放电速度、耐冲性和放电特性上与电容完全一样，同
时容量却有了质的提升。以目前研发的情况看，其比能量已能达到铅蓄电池的水平。
这样一来，超级电容就有具备了被应用在车用储能上的可能。结合阿特兹的i-ELOOP，我们不妨具体看看它的优势所在。
在收油或踩刹车的过程中，特制的发电机可以产生足够大的电能在几秒钟之内就将这个超级电容充满。然后在加速过程中，发电机
不工作，超级电容为所有的电气系统提供电能。如果超级电容用完了还没有充电机会(例如一直加油)，蓄电池还能协同工作。然后只要
又一次几秒钟的收油机会，超级电容又会立刻“吃饱”。此时它除了给电气系统供电以外，还能慢慢释放电能为蓄电池充电。如此二者
协调搭配，可以做到完全无需用发动机正常工作的能量来发电，实现最理想的能量回收。从官方说法来看，这套系统能实现10%的油耗
降低。而宝马对于其制动能量回收系统给出的数据是3%。虽然有标准差异，但也折射出两种技术的节能率是不一样的。
或许有人问：既然超级电容比能量接近蓄电池，而且有这么神，为何还要蓄电池，岂不多此一举？这就不得不提到超级电容的缺点
——自放电速度比电池快得多，通俗的说就是“存不住电”。如果不用蓄电池，只怕车停个几天就打不着火了。
超级电容的特性完全适用于混合动力
充电快、耐充电、能量转换效率高，同时存在高自放电的特性，这种储能装置更适合谁？没错，就是混合动力。目前混合动力技术
的电池部分，其实也存在着类似的问题。即便像普锐斯这样的高手，其吸收制动能量的比例仍然是很低的。大量的能量还是被转换成热
能白白丧失掉了。而像阿特兹这种，由于回收的能量只是提供电气系统所用，其回收率同样很低。如果混动车型采用更大容量的超级电
容来实现对制动能量的回收，其节能效果将非常可观。与此同时，买车者也不必为昂贵的电池寿命有所忧虑。
之所以这种储能装置在汽车上迟迟未能应用，主要还是源于其几项缺点。一个是安全性，过快的放电速度和过低的内阻，如果设计
不好的话，本身就蕴含着“能量突然大爆发”所隐藏的风险。二是较低的工作电压，制约了它在驱动汽车上的应用。不过这些都不是死
穴。随着技术的进步，这些问题都可以解决。毕竟它的优势实在是太诱人了。事实上，丰田已经研发出了采用超级电容的混动车型，其
核心诉求是节能、节能、再节能。而宝马与丰田联合研发的超级电容混动超跑，则看重了它的高放电速度——可以尽情地为其配备高
功率电机，其瞬间迸发的能量，可以达到类似“氮气加速”的神奇效果。您的访问出错了(404错误)
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