級(jí)電容器應(yīng)用于汽車的優(yōu)勢(shì)及前景當(dāng)你走進(jìn)任何一個(gè)卡車停車場(chǎng)時(shí)，你都會(huì)聽到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。很多卡車在停車的時(shí)候，其發(fā)動(dòng)機(jī)都處于怠速狀態(tài)，這段時(shí)間駕駛員經(jīng)常不熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)而不將它關(guān)閉，主要是出于兩方面的考慮。首先是運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dān)心在寒冷的天氣里發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉幾個(gè)小時(shí)后，很可能無(wú)法重新啟動(dòng)。

　　然而到目前為止，美國(guó)己經(jīng)有三個(gè)州通過(guò)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(chǎng)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(shí)不必使發(fā)動(dòng)機(jī)維持怠速運(yùn)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(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難的原因，大部分卡車駕駛員都養(yǎng)成了在停車時(shí)讓發(fā)動(dòng)機(jī)維持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的習(xí)慣，他們認(rèn)為這樣做并沒有什么不正常的。但這樣做實(shí)際上是會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題的。就拿一輛典型的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)卡車來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)，大約要消耗1加侖（4.55L）的燃油。雖然每小時(shí)1加侖的燃油消耗量聽起來(lái)不是很多，但是它卻會(huì)牽連到一系列其它的問(wèn)題，這些問(wèn)題都與柴油機(jī)排放出的黑煙有關(guān)。柴油機(jī)的排放物是由上千種氣體和細(xì)小微粒組成的混合物，其中ai圖中所示為-30*：時(shí)，有無(wú)超級(jí)電容器兩種啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)機(jī)電壓與啟動(dòng)機(jī)能*曲線從a中可以看出，在傳統(tǒng)蓄電池兩端并聯(lián)一個(gè)超忪電容器，可以提篼啟動(dòng)機(jī)馬達(dá)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(jī)排放物中還含有很多己確認(rèn)或疑似致癌物質(zhì)，例如苯、砷以及甲醛。美國(guó)加州有一家專門研宄環(huán)境對(duì)人體健康危害的機(jī)構(gòu)，他們回顧了30多份研宄成果后發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)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(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的危害不僅僅局限于卡車的駕駛員。在卡車停車場(chǎng)附近地區(qū)都會(huì)有柴油機(jī)帶來(lái)的噪聲和污染物，當(dāng)?shù)鼐用癫坏貌慌c此抗?fàn)?。停車?chǎng)的卡車維修技師和貨物裝卸工人，甚至連引導(dǎo)卡車駕駛員停車的女服務(wù)生，都要在受柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的噪聲和污染影響的地方長(zhǎng)期地生活和工作。如果一輛卡車每天怠速運(yùn)轉(zhuǎn)6、7個(gè)小時(shí)，那么它1年內(nèi)僅怠速運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的燃油就會(huì)超過(guò)2000加侖（9100L），而如此大的燃油消耗只不過(guò)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(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)現(xiàn)象。

　　隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，卡車發(fā)動(dòng)機(jī)在停車期間仍然維持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的理由己經(jīng)變得站不住腳了。首先，針對(duì)駕駛員在停車期間因駕駛室冷而遇到的舒適性問(wèn)題，美國(guó)田納西州一家名為Idleair的公司正致力于推行一項(xiàng)新的計(jì)劃。根據(jù)該項(xiàng)計(jì)劃的設(shè)想，在卡車停車場(chǎng)內(nèi)配置帶有多根導(dǎo)線的電纜端子，并將一個(gè)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)過(guò)程冷氣?？諝廛浌苌厦娴碾娎|線還可以提供衛(wèi)星電視信號(hào)，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(duì)于那些帶有冷藏系統(tǒng)的拖車，該停車場(chǎng)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(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的成本，要小于在相同的期間內(nèi)卡車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的燃油的成本。

　　駕駛員在停車期間的舒適性問(wèn)題便得到了解決，剩下的問(wèn)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(chǎng)時(shí)，如何才能保證即使在寒冷的天氣里發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠重新啟動(dòng)，這就需要應(yīng)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(jí)電容器（其英文縮寫為UltraCaps或SuperCaps），可以實(shí)現(xiàn)普通電容器無(wú)法完成的工作。

　　為了了解超級(jí)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(shí)。

　　結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的電容器由兩塊導(dǎo)電金屬平板組成，在兩個(gè)導(dǎo)電金屬平板之間由一層絕緣物質(zhì)（電介質(zhì)）相隔離。當(dāng)向電容器的兩塊金屬平板之間施加電壓時(shí)，電子會(huì)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(shuō)電介質(zhì)，電子不能直接在金屬平板之間運(yùn)動(dòng)，必須要通過(guò)其他的路徑。一個(gè)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(shuō)，電介質(zhì)隔離層越薄，電容器儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)存的電荷量為1庫(kù)侖（相當(dāng)于6.25X1018個(gè)電子所帶的電量）。1法拉的電容量非常大，在號(hào)稱微電子時(shí)代的二十世紀(jì)，還沒有出現(xiàn)過(guò)這么超級(jí)的電容器?，F(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(wàn)分之一（微法）或十億分之一（納法）為單位來(lái)計(jì)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(gè)電容量為1法拉的電容器會(huì)跟一個(gè)小房子一般大小，這么大的東西是不會(huì)有任何實(shí)用價(jià)值的。我們下面介紹的新型超級(jí)電容器，其電容量可達(dá)幾千法拉，但是它的大小卻只有一個(gè)軟飲料易拉罐那么大。

　　超級(jí)電容器之所以具有如此大的電容量，是因?yàn)樗鼈儽容^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(jí)。金屬平板有效面積的增大，是因?yàn)樵谒鼈兊谋砻嫔喜捎昧颂荚?。?dāng)碳原子以精細(xì)的顆粒狀或者粉狀的形式存在時(shí)，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(duì)于普通電容器來(lái)說(shuō)，只有金屬平板的表面對(duì)電容量大小有影響而對(duì)于超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，金屬平板的內(nèi)部情況也對(duì)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(duì)于同樣大小的超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，他們的金屬平板有效面積可以達(dá)到1萬(wàn)平方米。不僅如此，超級(jí)電容器平板之間的距離減小到了納米級(jí)，進(jìn)一步提高了電容器的有效電容量。

　　第一代超級(jí)電容器的電容量在1法拉到100法拉之間，由于造價(jià)太高，沒有在汽車上得到普遍的應(yīng)用?，F(xiàn)在，第二代超級(jí)電容器己經(jīng)投入市場(chǎng)，電容量在1000法拉到5000法拉之間。由于超級(jí)電容器金屬平板之間的距離很小，每一個(gè)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(gè)超級(jí)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(jí)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(guò)而超級(jí)電容器可以與能源裝置如蓄電池配合使用，來(lái)儲(chǔ)存能量。超級(jí)電容器不會(huì)取代汽車上的蓄電池作為主要能源裝置，但是它可以補(bǔ)償蓄電池在一些應(yīng)用場(chǎng)合的不足，作為輔助的能源裝置。

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前，汽車設(shè)備需要的電能都是由蓄電池來(lái)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(guò)內(nèi)部的鉛與硫酸電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而獲得的，這個(gè)過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間。也就是說(shuō)，無(wú)論是給蓄電池充電，還是蓄電池向外放電，都需要很長(zhǎng)時(shí)間。

　　對(duì)于電動(dòng)馬達(dá)來(lái)說(shuō)，這樣長(zhǎng)的時(shí)間是非常不好的。舉例來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要的初始脈沖電流為600A.一旦發(fā)動(dòng)機(jī)從比較初的靜摩擦狀態(tài)變到滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，啟動(dòng)機(jī)在剩下的啟動(dòng)過(guò)程中需要的電流就下降到100A左右。雖然蓄電池在設(shè)計(jì)上滿足了初始脈沖電流的要求，但是這么高的電流脈沖對(duì)蓄電池的使用壽命還是有很大影響的。

　　電容器的能量?jī)?chǔ)存在金屬平板以及平板之間的電介質(zhì)上。當(dāng)電容器放電時(shí)，不需要發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，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(shí)，其性能會(huì)受到很大的影響，因?yàn)闇囟让肯陆?0*C，蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間就要加倍。

　　超級(jí)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(jí)電容器的性能不受環(huán)境溫度影響的特性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)來(lái)說(shuō)很重要，德國(guó)一所大學(xué)所做的一項(xiàng)研宄己經(jīng)證明了這一點(diǎn)。德國(guó)的這些研宄人員首先測(cè)量了一輛寶馬車上啟動(dòng)機(jī)的性能。他們發(fā)現(xiàn)，該寶馬車的啟動(dòng)機(jī)需要900A的初始脈沖電流，才能達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)脫離扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，啟動(dòng)機(jī)需要84A的持續(xù)電流。他們的測(cè)量結(jié)果表明，溫度為rc時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程需要的時(shí)間為25s.為了能夠提供啟動(dòng)過(guò)程中所需要的能量，傳統(tǒng)蓄電池的實(shí)際容量至少需要達(dá)到50Ah.然后，他們?cè)谝粋€(gè)額定容量為7Ah的蓄電池兩旁并聯(lián)一個(gè)電容量為1400法拉的超級(jí)電容器，發(fā)現(xiàn)可以將啟動(dòng)過(guò)程中兩種不同的電流需求分別開來(lái)。使用摩托車上那樣大小的蓄電池，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)超級(jí)電容器，在室溫下可以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)電容器和小型蓄電池合起來(lái)的重量還不到5kg.由此我們可以看出，超級(jí)電容器技術(shù)能夠給柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車帶來(lái)怎樣的好處，那就是使發(fā)動(dòng)機(jī)更容易啟動(dòng)。在寒冷的冬季，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的問(wèn)題總是與三個(gè)方面有關(guān)燃油凝滯、燃油控制以及由于燃油壓縮帶來(lái)的啟動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要的較大電流?，F(xiàn)在，前兩個(gè)問(wèn)題己經(jīng)基本上得到了解決。目前市場(chǎng)上冬季用混合燃油己經(jīng)具有很好的抗凝滯性同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題解決之后，剩下的就是需要尋找一種更好的方式，為啟動(dòng)機(jī)提供需要的電能。在蓄電池兩端并聯(lián)超級(jí)電容器，可以使啟動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)扭矩提高50%，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)速也比以前有所增加。這正是在寒冷天氣下啟動(dòng)柴油機(jī)所需要的。

　　鉛酸蓄電池的性能會(huì)隨使用時(shí)間的增加而有所下降，超級(jí)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(zhǎng)。

　　在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)機(jī)的峰值啟動(dòng)電流負(fù)載由超級(jí)電容器來(lái)承受，這實(shí)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(jí)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(shì)。超級(jí)電容器不僅能夠快速釋放其儲(chǔ)存的能量，同時(shí)它也可以快速接受外界輸送來(lái)的能量。在所有關(guān)于電動(dòng)車輛和混合電動(dòng)車輛的討論中，有很多都是關(guān)于制動(dòng)過(guò)程中能量的回收問(wèn)題的。有人這樣設(shè)想過(guò)在汽車制動(dòng)過(guò)程中，它原來(lái)的慣性能量相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)，可以考慮采用某種方式將該能量傳回蓄電池。問(wèn)題在于，蓄電池的充電速度不能太快，導(dǎo)致這種能量回收的效率不是很高。超級(jí)電容器在混合動(dòng)力車輛中的應(yīng)用非常廣泛，就是因?yàn)樗鼈兊某潆娝俣群芸?，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(dòng)能量回收問(wèn)題很好的試驗(yàn)車，只要能量能夠有效地回收然后重新利用。

　　超級(jí)電容器的另一個(gè)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(duì)于電容器本身的耐用性沒有絲毫損傷。對(duì)于傳統(tǒng)的汽車蓄電池來(lái)說(shuō)，即使放電量不到60%也足以使蓄電池產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)間，鉛酸蓄電池也會(huì)受到損壞。超級(jí)電容器完全沒有傳統(tǒng)蓄電池的使用壽命限制問(wèn)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(jí)電容器還有其他的用途。例如，一種小型的超級(jí)電容器可以用在汽車的門鎖電磁線圈里。在采用這種超級(jí)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(hào)的線圈而有了超級(jí)電容器的幫助之后，可以采用小號(hào)、較柔軟、不容易折斷的線圈。這種小型的超級(jí)電容器在一個(gè)月或更長(zhǎng)一段時(shí)間之后仍可以保存其所充電量的一半以上，因此任何時(shí)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(jí)電容器也可以用在發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊，以確保蓄電池?cái)嚅_時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊存儲(chǔ)的東西不會(huì)丟失。

　　跟其他任何新技術(shù)產(chǎn)品一樣，這種新型的超級(jí)電容器需要多久才能得到廣泛的應(yīng)用取決于它的成本。早期的超級(jí)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(dāng)播放吉他手獨(dú)奏曲時(shí)車燈都會(huì)變暗的現(xiàn)象。一些早期的超級(jí)電容器的單價(jià)超過(guò)了500美元，這對(duì)于大部分人來(lái)說(shuō)實(shí)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(dāng)新型電容器價(jià)格下降到相當(dāng)于每法拉一美分的時(shí)候，這項(xiàng)新技術(shù)才能廣泛應(yīng)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(dòng)化生產(chǎn)流程以及更為巧妙的設(shè)計(jì)，他們公司的產(chǎn)品價(jià)格己經(jīng)非常接近這一目標(biāo)了。必