超级电容器应用

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概     述

在今后十年以及更远的将来,汽车制造商必须实现CO2大幅减排,以满足更加严格的排放标准要求。同时消费者对燃油效率更高的车辆的追捧继续推动汽车制造商不断研发,以减轻重量和油耗,管理不断增多的车载电源负载,并采集和回收能源。
 
由此在汽车生态系统中涌现出数种针对超级电容器的新兴应用,包括制动能量回收系统、启停系统、主动悬挂系统、电压稳定系统、电力涡轮增压器以及整车系统中的其它高耗电功能。


应     用

制动能量回收系统 

在制动能量回收系统中,先采集能源,然后供后续再利用。采集的能量主要来自车辆制动系统的动能,随后用于加速或是用于支持车辆架构中的辅助性负载。这些事件一般时间短(仅持续数秒到数分钟),但功率非常高。
超级电容器作为储能装置,为这些应用提供了理想的解决方案。超级电容器具有高功率能力,可更高效地回收并存储能量,尤其是在猝发能量的条件下。

功      率
功率密度指储能装置或系统的充放电速率。在持续时间只有数秒的制动事件中,混合动力应用或电力应用的可充电电池能吸收多少电能呢?另一方面为加速提供电力的快速深度放电会给电池造成压力,缩短电池的使用寿命。为克服这些充放电速率局限性,延长可充电混合动力和电力应用电池的使用寿命,一般需要采用超大尺寸设计。这样会增大储能系统的体积、重量和成本。这就是超级电容器之所以能近乎瞬时再充电,为可再生能源系统带来巨大优势的地方。

低温性能:
电池只能在相当狭窄的温度范围内放电和蓄电。电池在低温下性能低下,而发动机舱的高温也会降低电池的性能,缩短电池使用寿命,造成严重的安全隐患。超级电容器能够在极寒环境(低至-40℃)存储和释放大功率,这是它理想适用于可再生能源应用的又一个原因。

电池使用寿命:
每一种电池,不论是否是化学电池,其使用寿命均有限,在数百次到数千次充放电周期后,电能就会耗尽。为延长电池使用寿命,避免成本高昂的电池更换,系统设计人员内置了电力电子电路,用于限制充电速率和放电深度。为补偿这些限制,确保可接受的性能,必须构建超大尺寸的电池。在必须使用体积大,重量重,成本高昂的电池系统的情况下,混合动力应用和电动应用只能以牺牲效率为代价。然而与此相对,超级电容器能够可靠地完成百万次乃至更多的充放电周期,有效覆盖应用的整个生命周期。
 
阿贡国家实验室的科技人员已经演示:将电池与超级电容器组合在一起的集成系统能大幅改善制动能量回收效率,无需采用大尺寸电池,从而降低整个系统的重量与成本。


启停系统(微混合动力) 

采用启停技术可让常规车辆、电动车辆或混合动力车辆在遇到红灯或是在车流中停滞不前时关闭发动机。
 
该系统以发动机、制动和电源管理等智能组合为基础。该系统能在发生交通阻塞停滞不前时,或是在遇到红灯时关闭内燃机。一旦驾驶员松开离合器或是踩下油门,系统就会自动重新启动发动机。


动力辅助混合动力车辆 

如果车辆推进系统采用一种形式以上的车载能源,就可以视为混合动力车辆。在日常应用中,这意味着混合动力同时使用传统内燃机及油箱以及一个或多个电动机和电池组。为进一步全面地定义混合动力,明确这点有助于理解混合动力的不同水平。
轻混合动力:轻混合动力指在车辆中电动机用于为内燃机增加推力,或是为内燃机提供辅助动力。但无法或不允许使用纯电动驱动。
全混合动力:全混合动力指在车辆中电动机不仅为内燃机增加推力或提供辅助动力,还支持和允许使用纯电动驱动。

轻混合动力和全混合动力中的超级电容器应用
超级电容器几乎能吸收并存储制动产生的全部能量。超级电容器的效率和功率能力转化为对制动能量更高效的回收。超级电容器中存储的电能可用于辅助加速,从而降低油耗、减少排放。在轻混合动力和全混合动力车辆中,超级电容器可减轻电池负担,延长电池使用寿命。另外制动能量回收还能接替机械制动的大部分负荷,从而降低制动装置的维护和更换费用。


短时后备电源 

为进一步降低CO2的排放,汽车OEM厂商需要进一步提升汽车的电气化程度。此外舒适安全方面的创新也会带来全新的整车系统(boardnet)架构(例如48V),以便为这些最新功能提供支持。这些新功能将对驾驶员安全性和整体体验起着关键作用。因此它们需要在主电源(电池)无法供电的情况时有可靠的后备电源解决方案。
 
超级电容器具有超长使用寿命,很少甚至无需维护,而且还能在宽泛的温度范围(-40C到+65C)内工作,因此成为了汽车应用中后备电源的理想方案。


高功率性能的峰值功率辅助 

汽车整车系统对峰值功率的需求不断增长。即便是笨重而庞大的电池,只要不影响它们的使用,电池就能够在较长时间里提供相当大的电流。但令人遗憾的是电池不能承受过大波动、反向连接和深度放电等不当操作。此外电池的充放电周期与超级电容器相比也差许多。电池只能承受数千次充放电周期,而超级电容器则能完成几十万次充放电周期。综合考虑所有这些因素,很显然,超级电容器是高性能峰值功率应用的理想技术。
混合动力客车推进系统