級電容器應用于汽車的優(yōu)勢及前景當你走進任何一個卡車停車場時，你都會聽到柴油發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時的聲音。很多卡車在停車的時候，其發(fā)動機都處于怠速狀態(tài)，這段時間駕駛員經(jīng)常不熄滅發(fā)動機，他們就在駕駛室里面睡覺或者看電視。他們之所以讓發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)而不將它關(guān)閉，主要是出于兩方面的考慮。首先是運轉(zhuǎn)的發(fā)動機可以為駕駛員提供熱量，以及為車上的電視、音響設(shè)備等提供需要的電能其次是擔心在寒冷的天氣里發(fā)動機關(guān)閉幾個小時后，很可能無法重新啟動。

　　然而到目前為止，美國己經(jīng)有三個州通過了禁止怠速停車的法律，而且還有很多州也有這方面立法的意向。在這種情況下，市場上就出現(xiàn)了一種全新的第二代電容器，在卡車上安裝上這種電容器之后，停車時不必使發(fā)動機維持怠速運轉(zhuǎn)就能滿足駕駛員的需要。

　　由于前面講到的重型柴油發(fā)動機冷啟動困難的原因，大部分卡車駕駛員都養(yǎng)成了在停車時讓發(fā)動機維持怠速運轉(zhuǎn)的習慣，他們認為這樣做并沒有什么不正常的。但這樣做實際上是會帶來很多問題的。就拿一輛典型的柴油發(fā)動機卡車來說，發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)1小時，大約要消耗1加侖（4.55L）的燃油。雖然每小時1加侖的燃油消耗量聽起來不是很多，但是它卻會牽連到一系列其它的問題，這些問題都與柴油機排放出的黑煙有關(guān)。柴油機的排放物是由上千種氣體和細小微粒組成的混合物，其中ai圖中所示為-30*：時，有無超級電容器兩種啟動過程中啟動機電壓與啟動機能*曲線從a中可以看出，在傳統(tǒng)蓄電池兩端并聯(lián)一個超忪電容器，可以提篼啟動機馬達的電a和功率。種眾所周知的能夠?qū)е驴諝馕廴镜挠卸疚镔|(zhì)。柴油機排放物中還含有很多己確認或疑似致癌物質(zhì)，例如苯、砷以及甲醛。美國加州有一家專門研宄環(huán)境對人體健康危害的機構(gòu)，他們回顧了30多份研宄成果后發(fā)現(xiàn)，在柴油機周圍工作的人比其他人更容易患上肺癌。

　　在此需要引起重視的是，柴油機怠速運轉(zhuǎn)帶來的危害不僅僅局限于卡車的駕駛員。在卡車停車場附近地區(qū)都會有柴油機帶來的噪聲和污染物，當?shù)鼐用癫坏貌慌c此抗爭。停車場的卡車維修技師和貨物裝卸工人，甚至連引導卡車駕駛員停車的女服務(wù)生，都要在受柴油機怠速運轉(zhuǎn)帶來的噪聲和污染影響的地方長期地生活和工作。如果一輛卡車每天怠速運轉(zhuǎn)6、7個小時，那么它1年內(nèi)僅怠速運轉(zhuǎn)所消耗的燃油就會超過2000加侖（9100L），而如此大的燃油消耗只不過是為了保持駕駛室溫暖的環(huán)境以供駕駛員睡覺，或者避免可能發(fā)生的發(fā)動機無法啟動現(xiàn)象。

　　隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，卡車發(fā)動機在停車期間仍然維持怠速運轉(zhuǎn)狀態(tài)的理由己經(jīng)變得站不住腳了。首先，針對駕駛員在停車期間因駕駛室冷而遇到的舒適性問題，美國田納西州一家名為Idleair的公司正致力于推行一項新的計劃。根據(jù)該項計劃的設(shè)想，在卡車停車場內(nèi)配置帶有多根導線的電纜端子，并將一個合適的空氣軟管安裝到駕駛室車窗的開口處，以便向駕駛室內(nèi)提供暖氣或2004/5造車維修與保苒5零下30t時發(fā)動機冷啟動過程冷氣。空氣軟管上面的電纜線還可以提供衛(wèi)星電視信號，并為車上的電器設(shè)備提供需要的電能以及電話線和因特網(wǎng)的接口。對于那些帶有冷藏系統(tǒng)的拖車，該停車場還可以提供電流為50A、電壓為240V的接線，以供冷藏系統(tǒng)使用。Idleair公司稱，維持這樣一種全方位服務(wù)停車場運轉(zhuǎn)所需要的成本，要小于在相同的期間內(nèi)卡車發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)所消耗的燃油的成本。

　　駕駛員在停車期間的舒適性問題便得到了解決，剩下的問題就是在駕駛員休息完畢或工作結(jié)束之后想駕車離開停車場時，如何才能保證即使在寒冷的天氣里發(fā)動機也能夠重新啟動，這就需要應用在下面將要介紹的一種新型電容器。這種新型電容器一般稱為超級電容器（其英文縮寫為UltraCaps或SuperCaps），可以實現(xiàn)普通電容器無法完成的工作。

　　為了了解超級電容器與普通電容器的區(qū)別，首先需要掌握電容器方面的一些基礎(chǔ)知識。

　　結(jié)構(gòu)比較簡單的電容器由兩塊導電金屬平板組成，在兩個導電金屬平板之間由一層絕緣物質(zhì)（電介質(zhì)）相隔離。當向電容器的兩塊金屬平板之間施加電壓時，電子會從其中的一塊金屬板離開，而在另一塊金屬板匯集。由于兩塊金屬平板之間有絕緣物質(zhì)或者說電介質(zhì)，電子不能直接在金屬平板之間運動，必須要通過其他的路徑。一個電容器可以容納多少電荷，取決于金屬平板的面積、金屬平板的數(shù)量以及所采用絕緣材料的類型。

　　金屬平板之間的間距越小，或者說，電介質(zhì)隔離層越薄，電容器儲存電荷的能力（電容量）就越大。

　　衡量電容器電容量的單位是法拉（F）。如果某個電容器的電容量是1法拉就是指它在單位電壓（IV）作用下，電容器能夠儲存的電荷量為1庫侖（相當于6.25X1018個電子所帶的電量）。1法拉的電容量非常大，在號稱微電子時代的二十世紀，還沒有出現(xiàn)過這么超級的電容器。現(xiàn)在電路中使用的典型電容器的容量，都是以1法拉的百萬分之一（微法）或十億分之一（納法）為單位來計量的。大部分電容器的電容量都介于0.01微法至100微法之間。如果采用傳統(tǒng)電容器的技術(shù)，一個電容量為1法拉的電容器會跟一個小房子一般大小，這么大的東西是不會有任何實用價值的。我們下面介紹的新型超級電容器，其電容量可達幾千法拉，但是它的大小卻只有一個軟飲料易拉罐那么大。

　　超級電容器之所以具有如此大的電容量，是因為它們比較大限度地利用了電容器金屬平板的有效面積，并且使兩塊平板之間的距離減小到了分子大小的數(shù)量級。金屬平板有效面積的增大，是因為在它們的表面上采用了碳元素。當碳原子以精細的顆粒狀或者粉狀的形式存在時，它可以有很大的表面積。就像海綿可以吸收比本身重量大得多的水分一樣，碳原子的有效面積可以千百倍地增加。對于普通電容器來說，只有金屬平板的表面對電容量大小有影響而對于超級電容器來說，金屬平板的內(nèi)部情況也對其電容量有著大的影響。

　　典型的傳統(tǒng)電容器的直徑約為1英寸（25.4mm），高為3英寸（76.2mm），其金屬平板的有效面積為10平方米。而對于同樣大小的超級電容器來說，他們的金屬平板有效面積可以達到1萬平方米。不僅如此，超級電容器平板之間的距離減小到了納米級，進一步提高了電容器的有效電容量。

　　第一代超級電容器的電容量在1法拉到100法拉之間，由于造價太高，沒有在汽車上得到普遍的應用。現(xiàn)在，第二代超級電容器己經(jīng)投入市場，電容量在1000法拉到5000法拉之間。由于超級電容器金屬平板之間的距離很小，每一個電容器允許施加的比較大電壓只有2.5V.如果要在汽車上使用，可以將多個超級電容器串聯(lián)使用，以滿足汽車電壓的要求。串聯(lián)電容器兩端的電壓等于各電容器兩端電壓之和，串聯(lián)電容器電容量的倒數(shù)等于各電容器電容量倒數(shù)之和。

　　由于超級電容器的電容量非常大，它的使用與普通的電子電容器也有很大的不同。普通電容器在電路中所起的作用是阻止直流電而允許交流電通過而超級電容器可以與能源裝置如蓄電池配合使用，來儲存能量。超級電容器不會取代汽車上的蓄電池作為主要能源裝置，但是它可以補償蓄電池在一些應用場合的不足，作為輔助的能源裝置。

　　在發(fā)動機啟動之前，汽車設(shè)備需要的電能都是由蓄電池來提供的。現(xiàn)在汽車上的蓄電池一般都是鉛酸蓄電池，其電能是通過內(nèi)部的鉛與硫酸電解液發(fā)生化學反應而獲得的，這個過程需要很長時間。也就是說，無論是給蓄電池充電，還是蓄電池向外放電，都需要很長時間。

　　對于電動馬達來說，這樣長的時間是非常不好的。舉例來說，啟動機在啟動發(fā)動機時，需要的初始脈沖電流為600A.一旦發(fā)動機從比較初的靜摩擦狀態(tài)變到滑動摩擦狀態(tài)，啟動機在剩下的啟動過程中需要的電流就下降到100A左右。雖然蓄電池在設(shè)計上滿足了初始脈沖電流的要求，但是這么高的電流脈沖對蓄電池的使用壽命還是有很大影響的。

　　電容器的能量儲存在金屬平板以及平板之間的電介質(zhì)上。當電容器放電時，不需要發(fā)生任何化學反應，因此可以很快地向外提供電能。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池在寒冷的天氣下使用時，其性能會受到很大的影響，因為溫度每下降10*C，蓄電池內(nèi)部化學反應所需要的時間就要加倍。

　　超級電容器基本上不受溫度的影響，在-40C的溫度下，其性能沒有多少變化。

　　超級電容器的性能不受環(huán)境溫度影響的特性對于發(fā)動機的啟動來說很重要，德國一所大學所做的一項研宄己經(jīng)證明了這一點。德國的這些研宄人員首先測量了一輛寶馬車上啟動機的性能。他們發(fā)現(xiàn)，該寶馬車的啟動機需要900A的初始脈沖電流，才能達到發(fā)動機脫離扭矩發(fā)動機運轉(zhuǎn)后，啟動機需要84A的持續(xù)電流。他們的測量結(jié)果表明，溫度為rc時，啟動過程需要的時間為25s.為了能夠提供啟動過程中所需要的能量，傳統(tǒng)蓄電池的實際容量至少需要達到50Ah.然后，他們在一個額定容量為7Ah的蓄電池兩旁并聯(lián)一個電容量為1400法拉的超級電容器，發(fā)現(xiàn)可以將啟動過程中兩種不同的電流需求分別開來。使用摩托車上那樣大小的蓄電池，同時并聯(lián)一個超級電容器，在室溫下可以啟動發(fā)動機10次以上，而不需要給蓄電池充電。

　　傳統(tǒng)的汽車用蓄電池重量為16kg而超級電容器和小型蓄電池合起來的重量還不到5kg.由此我們可以看出，超級電容器技術(shù)能夠給柴油發(fā)動機汽車帶來怎樣的好處，那就是使發(fā)動機更容易啟動。在寒冷的冬季，柴油發(fā)動機啟動困難的問題總是與三個方面有關(guān)燃油凝滯、燃油控制以及由于燃油壓縮帶來的啟動機運轉(zhuǎn)需要的較大電流。現(xiàn)在，前兩個問題己經(jīng)基本上得到了解決。目前市場上冬季用混合燃油己經(jīng)具有很好的抗凝滯性同時，發(fā)動機電控系統(tǒng)也己經(jīng)極大地提高了燃油噴射和燃油控制的精確性。

　　燃油凝滯和燃油控制的問題解決之后，剩下的就是需要尋找一種更好的方式，為啟動機提供需要的電能。在蓄電池兩端并聯(lián)超級電容器，可以使啟動機的啟動扭矩提高50%，而且啟動轉(zhuǎn)速也比以前有所增加。這正是在寒冷天氣下啟動柴油機所需要的。

　　鉛酸蓄電池的性能會隨使用時間的增加而有所下降，超級電容器則沒有這種情況。他們的使用壽命可以與汽車的使用壽命一樣長。

　　在啟動過程中，啟動機的峰值啟動電流負載由超級電容器來承受，這實際上也提高了蓄電池的使用壽命。而且，與傳統(tǒng)蓄電池不同，超級電容器不含有害金屬（如鉛）。

　　器技術(shù)還具有很多其他的優(yōu)勢。超級電容器不僅能夠快速釋放其儲存的能量，同時它也可以快速接受外界輸送來的能量。在所有關(guān)于電動車輛和混合電動車輛的討論中，有很多都是關(guān)于制動過程中能量的回收問題的。有人這樣設(shè)想過在汽車制動過程中，它原來的慣性能量相當于一個發(fā)電機，可以考慮采用某種方式將該能量傳回蓄電池。問題在于，蓄電池的充電速度不能太快，導致這種能量回收的效率不是很高。超級電容器在混合動力車輛中的應用非常廣泛，就是因為它們的充電速度很快，可以獲得更多的回收能量。由于重型車輛，如公共汽車或卡車的慣性很大，它們可以成為研宄制動能量回收問題很好的試驗車，只要能量能夠有效地回收然后重新利用。

　　超級電容器的另一個好處在于，它們可以在充電之后立即把所充電量全部釋放掉，而對于電容器本身的耐用性沒有絲毫損傷。對于傳統(tǒng)的汽車蓄電池來說，即使放電量不到60%也足以使蓄電池產(chǎn)生嚴重的損壞以及容量下降。即使在完全充電量的90%的狀態(tài)下持續(xù)工作一段時間，鉛酸蓄電池也會受到損壞。超級電容器完全沒有傳統(tǒng)蓄電池的使用壽命限制問題。

　　除了與蓄電池并聯(lián)使用共同為汽車提供電能之外，超級電容器還有其他的用途。例如，一種小型的超級電容器可以用在汽車的門鎖電磁線圈里。在采用這種超級電容器之前，為了提供打開門鎖所需要的脈沖能量，需要使用規(guī)格為18號的線圈而有了超級電容器的幫助之后，可以采用小號、較柔軟、不容易折斷的線圈。這種小型的超級電容器在一個月或更長一段時間之后仍可以保存其所充電量的一半以上，因此任何時候都可以提供打開門鎖所需要的峰值能量脈沖。這種小型的超級電容器也可以用在發(fā)動機控制模塊，以確保蓄電池斷開時發(fā)動機控制模塊存儲的東西不會丟失。

　　跟其他任何新技術(shù)產(chǎn)品一樣，這種新型的超級電容器需要多久才能得到廣泛的應用取決于它的成本。早期的超級電容器己經(jīng)在高功耗的汽車立體聲音響中使用，以避免出現(xiàn)每當播放吉他手獨奏曲時車燈都會變暗的現(xiàn)象。一些早期的超級電容器的單價超過了500美元，這對于大部分人來說實在是太高了。汽車制造商己經(jīng)告訴電容器生產(chǎn)廠家，只有當新型電容器價格下降到相當于每法拉一美分的時候，這項新技術(shù)才能廣泛應用于汽車上。麥克斯韋技術(shù)公司（MaxwellTechnologies）聲稱，由于他們采用了新的自動化生產(chǎn)流程以及更為巧妙的設(shè)計，他們公司的產(chǎn)品價格己經(jīng)非常接近這一目標了。必