超级电容

 

   超级电容、镍碳超级电容似乎大有代替各种锂电池的苗头。有专家认为， 锂电池已无太多改进空间。果真如此，尽管提高了续驶里程，但第二代纯电动汽车在充电时间较长、使用寿命较短等问题上并没有明显改善。有业内人士指出，锂离 子电池技术已经发展到瓶颈，没有太多改进空间，而新型储能装置———超级电容电池或许是以后发展的趋势，相比磷酸铁锂电池，它成本低，使用寿命长，充电时 间只需几分钟。

   电池寿命逐渐成为系统性能和可靠性的最关键因素之一，而超级电容的引入将在两个主要应用领域帮助延长电池寿命。首先，它们能够戏剧性地降低卡车、轿车、轮船和电动发电机等车辆中的电池更换成本。其次，它们能够将智能手机和平板电脑等移动设备的运行时间延长400%。
   超级电容具有无限次的再充电能力和很高的能量密度，可以在宽温度范围内甚至电池发生故障的情况下为汽车、重型运输车辆、船舶和牵引机车提供有保证的发动机启动功能。
   在移动电子系统中，超级电容能够在多种不同的应用使用场合控制峰值电流。由于能够更好地控制放电，电池能够更长时间地保持它们的峰值电能，并延长设备的运行时间。
   研究这两大应用领域的市场需求展示了增加超级电容的好处，但是方式完全不同。

 

发动机启动
   交 通运输领域中最关键的因素是发动机的启动可靠性。铅酸电池每启动一次发动机，距终了寿命就更近一步。点火系统使用超级电容组可以使电池摆脱通常会减少寿命 的恶劣发动机启动放电。典型的铅酸电池可以在特定应用中通过使用超级电容延长70%的有用寿命。另外，用超级电容启动发动机可以在更冷的温度下实现更高的 可靠性。在货车运输行业，超级电容的使用在多个方面有助于改善日常操作。一般来说，18个车轮的拖挂车和公交车会配置3至4个电池。当其中一个电池失效 时，车辆就要求相对昂贵的搭线启动，一次启动的价格高达600美元。
   另外，电池更换成本约为每个200美元，正因为此，市场研究人员发现货 车和公共汽车中的电池偷窃是一个很大的问题。另外，当温度低于零下10华氏度时，铅酸电池的启动可靠性会急剧下降。而超级电容可以将这个范围扩展到零下 40华氏度，从而在寒冷气候条件流行的地区进一步提高发动机启动的可靠性。
    CooperBussmann公司开展的市场调查表明，通常在没有电网的建筑场所使用的电动发电机中，60%至80%的发动机故障是由于电池问题引起的。报告还指出，电池偷窃在这里也是一个严重的问题。
   机车必须能够在所有条件下可靠地工作，以便满足非常严格的火车调度要求。寒冷天气是机车最广泛的工作条件之一，超级电容可以在零下40华氏度帮助发动机启动，而铅酸电池在零下10华氏度就不能可靠工作了。
   船舶的发动机启动很关键，因为它们工作在无法搭线启动的条件下，像风暴或大潮等环境要求很高的可靠性。另外，船舶上用于电子设备(探鱼器和导航)的其它电气系统在发动机不运行时将给铅酸电池带来不小的负载。
   在 轿车应用中，排放标准将推动汽车制造商安装启停系统。据预测，到2017年将有40%至70%的新车配备启停系统。要求汽车发动机在空闲周期之后自动停机 需要更多的重启次数，这将给铅酸电池带来更大的压力，并缩短它们的寿命。今天，大多数汽车制造商安装第二块电池来保证启停系统的可靠性。

超级电容安装方法
   超级电容可以在所有上述情况下提供诸多好处，它们可以采用以下三种安装方式之一：
●直接并联
●超级电容启动机
●智能启动

   直接并联方法是将超级电容组安装在电池和发动机电气系统之间。它提供最简单和最低价的方式让超级电容和现有电池一起工作。这种方法的原理图如下：

 

   利用上面的直接并联方法，超级电容可以延长电池寿命，并分担系统的大电流负载。但它仍然受内部负载漏电的影响，因此在发动机关闭后如果大灯还亮着的汽车可能仍然会无法启动。
   在典型工作条件下的电池寿命大概为3至4年。系统中增加超级电容可以显著延长这个电池寿命，做到很少更换，而且能够极大地提高发动机启动的可靠性。
   超级电容启动机方法设计用于保证发动机的启动，这种方法不容易受内部负载漏电的影响。超级电容直接连接启动机，铅酸电池只给车内其它电气系统供电，如收音机、照明和空调。

图2中的原理图展示了超级电容启动机的典型配置

 

   下面两张照片展示了用于重型车辆的超级电容设计。超级电容器上共有3个接线端子，其中一个正极端子只连接启动机，另外一个正极端子连接电池用于充电。这种接线方式可以确保最长的电池寿命，因为铅酸电池不用再承受发动机启动要求的1000安培典型放电电流。

   智 能启动方法能够灵活的用电池或超级电容或同时用两者启动发动机。因为启动机从超级电容接收电量，因此能够在更低的温度下工作。用超级电容启动的温度可以低 至零下40华氏度。智能启动设计针对启动和系统功能进行了优化。控制器决定从超级电容那里抽取多少能量，它能提供三种安装方案中最长的电池寿命。启动同样 不受内部负载的影响。 

 

超级电容与电池的比较

   图4列出了超级电容规格和电池规格的比较表。这张表中的电池覆盖了多种技术，从最低性能的铅酸电池到更高性能的锂离子电池:

 

   超级电容可以显著延长各种车辆的电池寿命，而且它们能够在更宽的温度范围内工作。车辆电子系统可以针对可靠性、成本和灵活性进行优化，进而满足应用领域最迫切的需求，不管它是有18个轮子的拖挂车还是船舶、客车或电动发电机。
   这些系统的设计师应该选择超级电容来提供长的寿命和高的可靠性。超级电容设计中需要考虑的一个关键参数是ESR性能。对于交通运输需求来说，更低的ESR和长时间的性能意味着更高的可靠性和长期看更低的成本。另外，要仔细考虑重量、成本和温度性能。
   Cooper-Bussmann公司为发动机启动应用提供种类广泛的超级电容解决方案，从XB系列和XV系列电池到XVM模块。它们设计覆盖交通运输领域中的各种应用，可以根据电气系统要求和电池类型进行选择。超级电容可以延长移动设备的运行时间
   在移动设备中，电池更换问题不像交通运输中那样突出，因为用户一般每隔两年左右就会更换他们的设备。重要的是电池在两次充电之间能够工作的时长。
   在不用超级电容的情况下，蜂窝电话和平板电脑电池一般就像一个不断缩小的蓄水池。当这些池子快速泄漏时，它们存储的能量就会越来越少。随着时间的推移，这将缩短设备的运行时间。
   在移动设备中联合运用超级电容和锂离子电池可以更好地控制峰值电流。这种方案中的峰值电流泄漏会受到更好的控制，电池容量因而能在更长时间内得以维持。

 

在移动应用中一般也有三种超级电容使用配置：
●并联(与汽车一样)
●分开使用
●智能使用
与电池并线使用的并行装置具有低成本和简单的特性。通过将超级电容与电池分开来，设备将具有更长的电池寿命，具体取决于应用类型。每种配置提供：
●一次充电有更长的设备运行时间
●更小/更薄的设备
●更低成本的能量存储
●更长的电池寿命
●降低重复充电/放电的大电流
   测试移动设备上的典型使用案例——消耗60瓦 40秒 40瓦10秒循环——展示了结合使用超级电容和电池的优势。电池的能量消耗时间为0.4小时，但当加入超级电容后，系统运行时间提高到了2.12小时，通过将电池放电限制为1C等级，运行时间增加了4倍。

   总之，超级电容能够以引人注目的方式改善移动设备中的电池性能。
●在锂离子电池旁增加超级电容在多种功率配置情况下都具有很高的效能
●占空比和峰值到基准功率配置对于增加超级电容的价值至关重要
●超级电容提供了一种显著延长运行时间的高成本效益和高体积效益方式
●超级电容是一种长寿命大功率而且能够重复大电流充电/放电的设备

 

   2014 年3月3日，Maxwell公司代理总裁兼首席执行官Warwick在北京与媒体进行了一场座谈会。会上，Warwick先生就现场媒体的提问对超级电容 器的应用以及中国市场的发展进行了一系列精彩介绍。这是Maxwell公司在中国第一次系统而全面地向公众介绍超容技术。总部位于美国圣地亚哥的 Maxwell公司主要有三大产品线，微电子、高压电容器、超级电容器。微电子产品主要是为卫星和航天器开发各种抗辐射微电子组件和系统。高压电容器则主 要是用于确保电力设施的安全性和可靠性。超级电容器是Maxwell的主打产品，其大功率密度、高效率及使用寿命长等特性可为各行业提供高性能和节能减排 的解决方案。
   Maxwell超级电容器可以用于公共交通，电网，以及众多的工业应用领域。只要是移动的物体，超容都可以来捕捉它的能源，对其进行重复使用。Maxwell也是第一个将超级电容器设计应用于轨道交通、风机领域的企业。
   在 轨道交通方面，超级电容器在车载储能系统和路旁能量回收的应用能有效减少30%以上的电网电力消耗。在重型卡车方面，Maxwell主要在北美地区作为重 型卡车的启动电源广泛配置，Maxwell的发动机启动模块能提供7/8型柴油发动机卡车在低至-40℃的极端天气条件下启动所需的快速放电。其可靠耐 用、重量轻、维护要求极低，可确保发动机实现数十万次的可靠启动并降低总成本。就在上个月，Maxwell的发动机启动模块被美国《载重货车运输》杂志评 为年度20佳产品称号。在中国，超级电容器最为广泛的应用就是城市混合动力客车制动能量回收系统。当车辆在减速或制动时，将制动过程中产生的热能转换成电 能储存在超级电容器里。当车辆再次前进时，超级电容器则将刚刚储存起来的电能输出用于车辆加速运行。该应用能使油耗降低25%，有效实现节能减排。目前在 中国，Maxwell超容混合动力客车的保有量已超过一万辆，宇通，金龙、海格等车企都正在使用Maxwell超容产品，可以说Maxwell超级电容器 积极推动了对中国混合动力客车市场的启动。
   在乘用车方面，Maxwell现已配置到超过100万辆乘用车上，如雪铁龙C4，标致308等。不久的将来，Maxwell也会出现在大众、奥迪、宝马等车更多车型上。
   最 后，谈及中国政府的新能源汽车补贴，Warwick表示，Maxwell非常支持中国政府的这个政策，政府采取相关政策和措施来减少污染是非常重要的。超 级电容器在节能减排方面可以发挥很大的作用，因此Maxwell很荣幸能够以此帮助中国更好的提升城市交通的效率，减少污染，共同打造一个可持续的再生交 通运输行业。