超級電容器應用

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概     述

在今后十年以及更遠的將來,汽車制造商必須實現CO2大幅減排,以滿足更加嚴格的排放標準要求。同時消費者對燃油效率更高的車輛的追捧繼續推動汽車制造商不斷研發,以減輕重量和油耗,管理不斷增多的車載電源負載,并采集和回收能源。
 
由此在汽車生態系統中涌現出數種針對超級電容器的新興應用,包括制動能量回收系統、啟停系統、主動懸掛系統、電壓穩定系統、電力渦輪增壓器以及整車系統中的其它高耗電功能。


應     用

制動能量回收系統 

在制動能量回收系統中,先采集能源,然后供后續再利用。采集的能量主要來自車輛制動系統的動能,隨后用于加速或是用于支持車輛架構中的輔助性負載。這些事件一般時間短(僅持續數秒到數分鐘),但功率非常高。
超級電容器作為儲能裝置,為這些應用提供了理想的解決方案。超級電容器具有高功率能力,可更高效地回收并存儲能量,尤其是在猝發能量的條件下。

功      率
功率密度指儲能裝置或系統的充放電速率。在持續時間只有數秒的制動事件中,混合動力應用或電力應用的可充電電池能吸收多少電能呢?另一方面為加速提供電力的快速深度放電會給電池造成壓力,縮短電池的使用壽命。為克服這些充放電速率局限性,延長可充電混合動力和電力應用電池的使用壽命,一般需要采用超大尺寸設計。這樣會增大儲能系統的體積、重量和成本。這就是超級電容器之所以能近乎瞬時再充電,為可再生能源系統帶來巨大優勢的地方。

低溫性能:
電池只能在相當狹窄的溫度范圍內放電和蓄電。電池在低溫下性能低下,而發動機艙的高溫也會降低電池的性能,縮短電池使用壽命,造成嚴重的安全隱患。超級電容器能夠在極寒環境(低至-40℃)存儲和釋放大功率,這是它理想適用于可再生能源應用的又一個原因。

電池使用壽命:
每一種電池,不論是否是化學電池,其使用壽命均有限,在數百次到數千次充放電周期后,電能就會耗盡。為延長電池使用壽命,避免成本高昂的電池更換,系統設計人員內置了電力電子電路,用于限制充電速率和放電深度。為補償這些限制,確??山邮艿男阅?,必須構建超大尺寸的電池。在必須使用體積大,重量重,成本高昂的電池系統的情況下,混合動力應用和電動應用只能以犧牲效率為代價。然而與此相對,超級電容器能夠可靠地完成百萬次乃至更多的充放電周期,有效覆蓋應用的整個生命周期。
 
阿貢國家實驗室的科技人員已經演示:將電池與超級電容器組合在一起的集成系統能大幅改善制動能量回收效率,無需采用大尺寸電池,從而降低整個系統的重量與成本。


啟停系統(微混合動力) 

采用啟停技術可讓常規車輛、電動車輛或混合動力車輛在遇到紅燈或是在車流中停滯不前時關閉發動機。
 
該系統以發動機、制動和電源管理等智能組合為基礎。該系統能在發生交通阻塞停滯不前時,或是在遇到紅燈時關閉內燃機。一旦駕駛員松開離合器或是踩下油門,系統就會自動重新啟動發動機。


動力輔助混合動力車輛 

如果車輛推進系統采用一種形式以上的車載能源,就可以視為混合動力車輛。在日常應用中,這意味著混合動力同時使用傳統內燃機及油箱以及一個或多個電動機和電池組。為進一步全面地定義混合動力,明確這點有助于理解混合動力的不同水平。
輕混合動力:輕混合動力指在車輛中電動機用于為內燃機增加推力,或是為內燃機提供輔助動力。但無法或不允許使用純電動驅動。
全混合動力:全混合動力指在車輛中電動機不僅為內燃機增加推力或提供輔助動力,還支持和允許使用純電動驅動。

輕混合動力和全混合動力中的超級電容器應用
超級電容器幾乎能吸收并存儲制動產生的全部能量。超級電容器的效率和功率能力轉化為對制動能量更高效的回收。超級電容器中存儲的電能可用于輔助加速,從而降低油耗、減少排放。在輕混合動力和全混合動力車輛中,超級電容器可減輕電池負擔,延長電池使用壽命。另外制動能量回收還能接替機械制動的大部分負荷,從而降低制動裝置的維護和更換費用。


短時后備電源 

為進一步降低CO2的排放,汽車OEM廠商需要進一步提升汽車的電氣化程度。此外舒適安全方面的創新也會帶來全新的整車系統(boardnet)架構(例如48V),以便為這些最新功能提供支持。這些新功能將對駕駛員安全性和整體體驗起著關鍵作用。因此它們需要在主電源(電池)無法供電的情況時有可靠的后備電源解決方案。
 
超級電容器具有超長使用壽命,很少甚至無需維護,而且還能在寬泛的溫度范圍(-40C到+65C)內工作,因此成為了汽車應用中后備電源的理想方案。


高功率性能的峰值功率輔助 

汽車整車系統對峰值功率的需求不斷增長。即便是笨重而龐大的電池,只要不影響它們的使用,電池就能夠在較長時間里提供相當大的電流。但令人遺憾的是電池不能承受過大波動、反向連接和深度放電等不當操作。此外電池的充放電周期與超級電容器相比也差許多。電池只能承受數千次充放電周期,而超級電容器則能完成幾十萬次充放電周期。綜合考慮所有這些因素,很顯然,超級電容器是高性能峰值功率應用的理想技術。
混合動力客車推進系統 

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