超级电容的典型应用—备用电源、提供峰值功率、改善汽车启动

2015/11/12 9:19:20      点击:
超级电容的典型应用—备用电源、提供峰值功率、改善汽车启动


一、超级电容的典型应用—备用电源
超级电容可以用做后备电源,类似于UPS,在系统突然断电后,负责在极短时间内为系统提供能量。在这种应用中,需要后备电源有快速的启动时间。由于超级电容是物理反应的方式储存电能,充放电速度快,相对电池有着更为快速的响应时间。
电池的充放电大概在1小时到10个小时左右,而传统用于滤波的电容,充放电在0.03秒,超级电容充放电在1秒左右,基本上是从0.1秒到10秒,这个时间正好是汽车、吊车刹车或启动的时间,其他设备比如风力发电中,风轮机变桨的时候要提供能量也是在这个时间段。
在风力发电风轮机变桨时、机车、电动机、汽车、吊车启动时需要的能量远大于其正常工作时需要的能量,超级电容可以辅助电池、发动机等动力系统提供峰值功率,从而减轻电池或发动机的负担。没有超级电容时,在负载启动、维持运行和终止的过程中,能量全部由电池或发动机供给。如果加入了超级电容,负载启动时需要的峰值功率可以由超级电容承担。
在机车、电动机、汽车、吊车刹车时,超级电容可以重新捕获能量。这样,加入了超级电容做辅助电源,可以提高能量利用效率,延长电池或发动机寿命。同时相对于没有超级电容的动力系统,电池或发动机不需要提供峰值功率,因而尺寸可以更小。


二、超级电容提供峰值功率的应用案例
集装箱龙门吊车使用柴油机做动力,当龙门下来的时候有一个动能,通常是通过刹车电阻耗散动能,刹车电阻是个耗能电阻,把电变成热耗散掉。如果使用了超级电容,刹车的动能可以转换成电能,通过一定的电路充电到超级电容里面去,反过来当龙门上升的时候通过一定的逆行电路把超级电容的能量反馈到电机里面。
由于使用了超级电容提供峰值功率,柴油机只需要提供维持运行的较小的功率,因而柴油机的尺寸可以减小一半,同时节省了成本。类似的应用还包括叉车、混合动力汽车、轻轨或地铁。
自动抄表系统抄表时,数据发送需要非常大的能量,超级电容能够提供大的能量。超级电容取代锂离子电池,寿命可以延长一倍,占版面积比锂离子电池小。在自动抄表系统中的水表和气表中,超级电容配合电池,延长使用寿命。


三、超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能
1 蓄电池存在的问题
蓄电池是汽车中的关键的电器部件,其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程中特别是在启动瞬间,由于启动电动机转速为零,不产生感生电势,故启动电流为:1=E/Rm+Rs+Rl,其中:E为蓄电池空载端电压,RM为启动电动机的电枢电阻、RB为蓄电池内阻、RL为线路电阻。
由于RM、RB、RL均非常低,启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车,蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V!启动瞬时的电流达550A,约为蓄电池的12C的放电率!尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池,可以高倍率放电,但10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差,而且,如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰,可以造成电气设备的“掉电”,迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电,计算机在这个过程中非常容易死机。因此,无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑,改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。
问题的解决方案可以加大蓄电池的容量,但需要增加很多,使体积增大,这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。
2.电性能的改善
采用超级电容器与蓄电池并联时启动过程的电压波形相比启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW;启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。
3 启动性能的改善
超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能,将超级电容(450F/16.2V)与12V、45Ah的蓄电池并联启动安装1.9升柴油机的汽车,在10摄氏度时平稳启动,尽管在这种情况中,当不连接超级电容器,蓄电池也可以启动,但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的速度和性能都非常得好。由于电源的输出功率的提高,启动速度由仅用蓄电池时的启动速度300rpm,增加到450rpm;尤其在提高汽车在冷天的起动性能(更高的起动转矩)上,超级电容器是非常有意义的,在零下20摄氏度时,由于蓄电池的性能大大下降,很可能不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。
4 对蓄电池应用状态的改善
超级电容器与蓄电池并联时,由于超级电容器的等效串联电阻(ESR)远低于蓄电池的内阻,因此,在启动瞬间1200A启动电流中的800A电流由超级电容器提供,蓄电池仅提供400A的电流。明显低于仅采用蓄电池的560A,有效地降低了蓄电池极板的极化,阻止了蓄电池内阻的上升使启动过程的平稳电压得到提高。最主要的是蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命,而且也可以消除频繁启动对蓄电池寿命的影响。