可靠的發(fā)動機啟動系統(tǒng)對于寒冷環(huán)境下的任何車輛都至關(guān)重要。然而，寒冷的氣候給當(dāng)今的電池系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，甚至黃金標(biāo)準(zhǔn)電池也會導(dǎo)致發(fā)動機熄火。當(dāng)發(fā)動機熄火并且電池出現(xiàn)故障時嘗試連續(xù)啟動發(fā)動機會導(dǎo)致消耗更多電量。雖然快速啟動汽車可以解決眼前的問題，但這是一種不可持續(xù)的長期做法。

　　電池因其能量密度遠(yuǎn)高于其他儲能系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機。然而，超級電容器可以組合成陣列，以比電池更高效地快速放電啟動發(fā)動機，尤其是在極端條件下，并且可以在不到一分鐘的時間內(nèi)充電超過一百萬次。

　　冷天氣發(fā)動機啟動用電池

　　鉛酸電池和鋰離子電池是啟動汽車和商用車輛(特別是柴油發(fā)動機)最常用的能源儲存裝置。電池通過陽極、陰極和電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)儲存和釋放能量，電解質(zhì)促進離子在兩個電極之間的移動。電池內(nèi)的電位差使電流流動，從而為任何連接的電子系統(tǒng)供電。電池的工作原理受法拉第過程的限制，這意味著電極和電解質(zhì)在電極-電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移與電流成正比。

　　電池在寒冷天氣中的表現(xiàn)不佳

　　盡管電池被廣泛使用，但在車輛發(fā)動機中，特別是在寒冷天氣下啟動時，電池存在固有問題。由于電池的操作溫度范圍有限，其在該范圍之外的性能會下降。電池內(nèi)部退化，可能導(dǎo)致泄漏。

　　在高溫和低溫條件下都是如此，大多數(shù)商用電池的工作溫度范圍僅為-20°C到+40°C。在低溫下，鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)活性和電荷轉(zhuǎn)移速度減慢，這導(dǎo)致鋰離子在電極之間的離子導(dǎo)電性和擴散系數(shù)降低。這使得啟動電流低，從而影響電池在低溫下的啟動能力。對于鉛酸電池，低溫可能導(dǎo)致電解質(zhì)結(jié)冰，從而阻止任何電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，停止電流的產(chǎn)生。

　　電池的充電循環(huán)限制

　　隨著時間的推移，電池的充放電過程會導(dǎo)致電極材料的不可逆分解。電池的循環(huán)應(yīng)力會導(dǎo)致電極材料開裂，分解電解質(zhì)的鹽和溶劑成分。這種退化會阻止任何可逆的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

　　在鋰離子電池中，一個稱為固體電解質(zhì)界面(SEI)的滲透性鈍化層可以防止電解質(zhì)分解，并延長電池壽命。然而，SEI會消耗鋰和電解質(zhì)材料，降低容量和功率密度。當(dāng)SEI分解時，會導(dǎo)致電池過熱和失效。

　　這些技術(shù)挑戰(zhàn)意味著電池只能經(jīng)歷相對較少的循環(huán)，限制了其可用壽命。例如，鉛酸電池的循環(huán)次數(shù)可達(dá)3000次，典型壽命僅為0.5到5年。鋰離子電池的循環(huán)壽命稍好，最多可達(dá)到10000次，使用壽命為三到十年，具體取決于電池的工作條件。然而，兩者的性能遠(yuǎn)低于超級電容器技術(shù)的可能性。

　　超級電容器如何解決技術(shù)性發(fā)動機啟動挑戰(zhàn)

　　由于超級電容器的工作溫度范圍遠(yuǎn)大于電池，因此克服了電池的技術(shù)挑戰(zhàn)。超級電容器可以儲存大量電荷，并迅速釋放以在幾乎所有環(huán)境下啟動發(fā)動機。當(dāng)發(fā)動機啟動時，超級電容器提供瞬時高密度功率和低轉(zhuǎn)矩，以確保發(fā)動機可靠啟動，無論當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件如何，盡管極寒天氣可能需要啟動輔助設(shè)備和發(fā)動機加熱器以防止防凍液和機油結(jié)冰。

　　超級電容器的循環(huán)壽命更長(可達(dá)數(shù)百萬次)，整體效率約為98%(而鋰離子電池為90%)，并且在滿載條件下效率更高。與電池相比，超級電容器的使用壽命可達(dá)10到20年，具體取決于充電電壓和工作溫度。它們比電池輕得多，是車輛發(fā)動機的更好長期解決方案。

　　伊頓的XLR-LV超級電容模塊

　　與電池不同，超級電容器以靜電荷的形式儲存能量，而不是通過電化學(xué)反應(yīng)。超級電容器具有電雙層電容器(EDLC)結(jié)構(gòu)，其中兩個電極板通過隔離材料相互絕緣。超級電容器使用電解液溶液，這對于形成超級電容器的雙層至關(guān)重要，因為電極從電解液中吸引相反電荷的離子到電極表面。

　　電雙層的形成是由于相反極化的離子在電極表面吸附，造成電極板之間的電荷分離，且由赫爾姆霍茲層(厚度為幾個埃的層，平衡電極表面的電荷)分隔。通過在正負(fù)電極之間施加電壓差來儲存電荷。

　　XLR-LV超級電容模塊是緊湊、輕便且更可靠的能源儲存設(shè)備，提供高啟動功率，并具有非常低的等效串聯(lián)電阻(ESR)。伊頓超級電容器的循環(huán)壽命可達(dá)20年，遠(yuǎn)高于電池，因為在電極界面間的電子轉(zhuǎn)移最小化，消除了嚴(yán)重的故障模式。這導(dǎo)致化學(xué)變化和相變較少，超級電容器沒有確定的故障點;只有偏離最佳參數(shù)的情況，表明它們已經(jīng)達(dá)到可用壽命的盡頭。

　　該模塊由六個獨立的XL60超級電容單元組成，具有超低電阻。作為一個完整模塊，XLR-LV提供500 F的電容，并可配置為12 V和24 V起動器。在點火時，XLR-LV在最寒冷的條件下提供即時高密度電力，確保發(fā)動機可靠啟動。

　　除了長壽命外，XLR-LV超級電容器在發(fā)動機啟動應(yīng)用中相較于傳統(tǒng)電池技術(shù)還有以下關(guān)鍵優(yōu)勢：

　　最大電壓18 V，峰值功率47.6 kW

　　行業(yè)領(lǐng)先的ESR

　　高峰值功率循環(huán)能力

　　僅需一分鐘的充電時間

　　工作溫度范圍從-40°C(適合冷啟動)到+65°C(適合熱發(fā)動機啟動)

　　效率超過98%

　　設(shè)計堅固，能夠抵御高振動、潮濕和灰塵

　　環(huán)保材料

　　幾乎無需維護

　　XLR-LV模塊由多個超級電容單元組合而成。這提高了模塊的能量和功率輸出。在模塊中，單元以串聯(lián)和并聯(lián)配置連接，組合多個單元以不同配置提供更高的電壓和更好的能量儲存能力。

　　每個單獨的超級電容單元電壓僅為2 V到3 V，但如果多個單元串聯(lián)連接，工作電壓可以提高到高達(dá)1500 V的直流電壓(VDC)。單元還可以并聯(lián)以滿足電流或功率需求，并且通常可以同時利用串聯(lián)和并聯(lián)配置。以這種方式構(gòu)建超級電容器陣列意味著它們可以作為更輕、更高效的替代品取代車輛發(fā)動機中的電池。

　　例如，在10-15升的柴油發(fā)動機中，12 V起動器需要將模塊并聯(lián)，而24 V起動器則需要兩個模塊串聯(lián)連接。在汽油發(fā)動機中，12 V起動器只需一個模塊。使用一個或兩個電容模塊啟動發(fā)動機也帶來了顯著的重量節(jié)省。對于15升的柴油發(fā)動機，使用兩個16 V的模塊并聯(lián)僅重5.7千克，而電池的重量可能要大十倍。除了重量外，電池比超級電容器體積大得多，這可能限制制造商在創(chuàng)建緊湊系統(tǒng)時的選擇。

　　電池與超級電容器

　　許多因素影響不同應(yīng)用中能源儲存設(shè)備的選擇，不同電池架構(gòu)的特性與超級電容器有所不同。讓我們來看一下超級電容器在關(guān)鍵參數(shù)上與電池的比較。

　　超級電容器在寒冷啟動之外的優(yōu)勢

　　雖然冷啟動和更可靠的啟動對不同類型的發(fā)動機很重要，但轉(zhuǎn)向超級電容器還有其他好處。超級電容器幾乎無需維護，能夠持續(xù)整個車輛的使用壽命，從而顯著減少停機時間。結(jié)合這些因素，超級電容器的整體擁有成本(TCO)低于鋰離子電池和鉛酸電池。鉛酸電池也存在被盜的風(fēng)險。但是，由于超級電容器嵌入到發(fā)動機中，無法輕易拆卸。

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