用超级启动电容器取代启动蓄电池

发布时间:2010-07-13
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启动蓄电池的故障始终是汽车抛锚的头号故障。Kronberg & Schubert公司(简称K&S公司)建议用短时间充电、放电的Ultra(或者U-Cap)电容器取代了启动蓄电池。

启动蓄电池的故障始终是汽车抛锚的头号故障。超级火花塞将会改变这种局面:它可在不加热的情况下在-40℃的低温下至少可以可靠地工作100万次。

在汽车的启动电网中,仅靠增加电缆跟不上日益增长的车用电器的发展。新的能源分配系统、新的传感器保护系统和新的检测系统等都增大了对电流的需求。而一直没有改变的是最为薄弱的启动电网、启动蓄电池和铅蓄电池。它不断地放电,在冬季成为大量汽车抛锚的主要原因。而主要问题是启动机的短路电流,即由车型和车辆配置决定的400~1000A的启动电流。

按照持续供电电流设计的蓄电池恰恰在低温时显得能力不足,因此,Kronberg & Schubert公司(简称K&S公司)建议用短时间充电、放电的Ultra(或者U-Cap)电容器取代了启动蓄电池,并计划在2010年时每年生产大约50万个Ultra以及U-Cap汽车启动模块。

启动电网的优化

在使用了U-Caps启动电容器之后则无需再使用启动蓄电池了(在行李舱中供应电力的蓄电池),至少是将容量和铅蓄电池的重量减轻了三分之一(新的配置方案中将蓄电池放置在发动机舱里)。这种置于发电机舱中采用了“拓扑布线技术”的蓄电池因节约了电缆可将重量减少5~8kg(见图1)。其主要原因是省略了长期隐藏在汽车地板之下的连接启动机/发电机和蓄电池的横截面积为90mm2的电缆,而它们的重量约为10kg。

 

事实上,人们希望并不仅仅解决启动蓄电池的问题,而是想利用这种新的拓扑供电系统为所有可以产生峰值电压的用电器,如电子转向扩展系统、气门控制系统、共轨喷射系统和辅助加热系统供电。因为这种供电系统能吸收各种较大的瞬时电流,而传统的发电机和蓄电池供电系统则因其较大的内阻而无法做到这一点。在电流峰值波动的影响下会出现电压波动,其可能带来的后果是:汽车收音机波音中断,或者卫星导航系统的图像变弱,不易识别等。

一个由U-Cap超级电容器和高性能铅蓄电池组成的供电系统可以很好地解决这一问题。这是一种结合了蓄电池和电容器两者特性的供电系统:铅蓄电池作为持续供电装置有着很好的功率数值,并且能够自动充电,以及具有使用性能好和成本低廉等优点;而U-Cap超级电容器则在充电量和效率,循环使用性能以及低温时的功率方面更为有利,它的放电速度快,从而改善了启动性能。而且,点火次数对它没有太大的影响。在开开停停的堵车情况下,带有U-Cap超级电容器的供电系统可以在0.5s内启动发动机,而传统的蓄电池供电系统则需0.7s才能启动发动机。利用U-Cap超级启动电容时可以连续4次启动发动机,并且无需中间充电,当蓄电池的容量仅剩20%时,还可以启动发动机和充电。

U-Cap超级电容系统的基础

U-Cap超级电容系统建立在几百年来早已著名的、但仅在近十几年来才成为商品进入市场的双层电容技术基础之上。但是,这一技术至今只在高精尖的产品中有较少的数量出现在市场中,如用于A380空中客车中。K&S公司将A380空中客车中使用的认证材料当作在汽车工业领域中使用的认证资料。

汽车工业领域中使用的启动蓄电池组由12个超级电容器组成,每6个串联为一组,两组再并联起来,构成整个超级电容启动蓄电池。并联而成的超级电容电路提高了整个超级电容的容量和电流吸收能力,最大可达1000A左右。而串联的超级电容则提高了整体承受的电压。6个电容器各自的电压为2.5V,构成了整个启动电网所需的12V以及14V的启动电压。

Epcos公司、Maxwell公司和日本松下公司都是著名的U-Cap超级电容器的生产厂家。K&S公司计划于2010年将超级电容器的生产交给美国的Maxwell公司,并确认了生产合同。Maxwell公司将逐步扩大其生产能力,同时,其合作伙伴也在2010年前逐步降低单个电容器的价格。

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