级电容器应用于汽车的优势及前景当你走进任何一个卡车停车场时，你都会听到柴油发动机怠速运转时的声音。很多卡车在停车的时候，其发动机都处于怠速状态，这段时间驾驶员经常不熄灭发动机，他们就在驾驶室里面睡觉或者看电视。他们之所以让发动机怠速运转而不将它关闭，主要是出于两方面的考虑。首先是运转的发动机可以为驾驶员提供热量，以及为车上的电视、音响设备等提供需要的电能其次是担心在寒冷的天气里发动机关闭几个小时后，很可能无法重新启动。
然而到目前为止，美国己经有三个州通过了禁止怠速停车的法律，而且还有很多州也有这方面立法的意向。在这种情况下，市场上就出现了一种全新的第二代电容器，在卡车上安装上这种电容器之后，停车时不必使发动机维持怠速运转就能满足驾驶员的需要。
由于前面讲到的重型柴油发动机冷启动困难的原因，大部分卡车驾驶员都养成了在停车时让发动机维持怠速运转的习惯，他们认为这样做并没有什么不正常的。但这样做实际上是会带来很多问题的。就拿一辆典型的柴油发动机卡车来说，发动机怠速运转1小时，大约要消耗1加仑（4.55L）的燃油。虽然每小时1加仑的燃油消耗量听起来不是很多，但是它却会牵连到一系列其它的问题，这些问题都与柴油机排放出的黑烟有关。柴油机的排放物是由上千种气体和细小微粒组成的混合物，其中ai图中所示为-30*：时，有无超级电容器两种启动过程中启动机电压与启动机能*曲线从a中可以看出，在传统蓄电池两端并联一个超忪电容器，可以提篼启动机马达的电a和功率。种众所周知的能够导致空气污染的有毒物质。柴油机排放物中还含有很多己确认或疑似致癌物质，例如苯、砷以及甲醛。美国加州有一家专门研宄环境对人体健康危害的机构，他们回顾了30多份研宄成果后发现，在柴油机周围工作的人比其他人更容易患上肺癌。
在此需要引起重视的是，柴油机怠速运转带来的危害不仅仅局限于卡车的驾驶员。在卡车停车场附近地区都会有柴油机带来的噪声和污染物，当地居民不得不与此抗争。停车场的卡车维修技师和货物装卸工人，甚至连引导卡车驾驶员停车的女服务生，都要在受柴油机怠速运转带来的噪声和污染影响的地方长期地生活和工作。如果一辆卡车每天怠速运转6、7个小时，那么它1年内仅怠速运转所消耗的燃油就会超过2000加仑（9100L），而如此大的燃油消耗只不过是为了保持驾驶室温暖的环境以供驾驶员睡觉，或者避免可能发生的发动机无法启动现象。
随着相关技术的不断发展，卡车发动机在停车期间仍然维持怠速运转状态的理由己经变得站不住脚了。首先，针对驾驶员在停车期间因驾驶室冷而遇到的舒适性问题，美国田纳西州一家名为Idleair的公司正致力于推行一项新的计划。根据该项计划的设想，在卡车停车场内配置带有多根导线的电缆端子，并将一个合适的空气软管安装到驾驶室车窗的开口处，以便向驾驶室内提供暖气或2004/5造车维修与保苒5零下30t时发动机冷启动过程冷气。空气软管上面的电缆线还可以提供卫星电视信号，并为车上的电器设备提供需要的电能以及电话线和因特网的接口。对于那些带有冷藏系统的拖车，该停车场还可以提供电流为50A、电压为240V的接线，以供冷藏系统使用。Idleair公司称，维持这样一种全方位服务停车场运转所需要的成本，要小于在相同的期间内卡车发动机怠速运转所消耗的燃油的成本。
驾驶员在停车期间的舒适性问题便得到了解决，剩下的问题就是在驾驶员休息完毕或工作结束之后想驾车离开停车场时，如何才能保证即使在寒冷的天气里发动机也能够重新启动，这就需要应用在下面将要介绍的一种新型电容器。这种新型电容器一般称为超级电容器（其英文缩写为UltraCaps或SuperCaps），可以实现普通电容器无法完成的工作。
为了了解超级电容器与普通电容器的区别，首先需要掌握电容器方面的一些基础知识。
结构最简单的电容器由两块导电金属平板组成，在两个导电金属平板之间由一层绝缘物质（电介质）相隔离。当向电容器的两块金属平板之间施加电压时，电子会从其中的一块金属板离开，而在另一块金属板汇集。由于两块金属平板之间有绝缘物质或者说电介质，电子不能直接在金属平板之间运动，必须要通过其他的路径。一个电容器可以容纳多少电荷，取决于金属平板的面积、金属平板的数量以及所采用绝缘材料的类型。
金属平板之间的间距越小，或者说，电介质隔离层越薄，电容器储存电荷的能力（电容量）就越大。
衡量电容器电容量的单位是法拉（F）。如果某个电容器的电容量是1法拉就是指它在单位电压（IV）作用下，电容器能够储存的电荷量为1库仑（相当于6.25X1018个电子所带的电量）。1法拉的电容量非常大，在号称微电子时代的二十世纪，还没有出现过这么超级的电容器。现在电路中使用的典型电容器的容量，都是以1法拉的百万分之一（微法）或十亿分之一（纳法）为单位来计量的。大部分电容器的电容量都介于0.01微法至100微法之间。如果采用传统电容器的技术，一个电容量为1法拉的电容器会跟一个小房子一般大小，这么大的东西是不会有任何实用价值的。我们下面介绍的新型超级电容器，其电容量可达几千法拉，但是它的大小却只有一个软饮料易拉罐那么大。
超级电容器之所以具有如此大的电容量，是因为它们最大限度地利用了电容器金属平板的有效面积，并且使两块平板之间的距离减小到了分子大小的数量级。金属平板有效面积的增大，是因为在它们的表面上采用了碳元素。当碳原子以精细的颗粒状或者粉状的形式存在时，它可以有很大的表面积。就像海绵可以吸收比本身重量大得多的水分一样，碳原子的有效面积可以千百倍地增加。对于普通电容器来说，只有金属平板的表面对电容量大小有影响而对于超级电容器来说，金属平板的内部情况也对其电容量有着大的影响。
典型的传统电容器的直径约为1英寸（25.4mm），高为3英寸（76.2mm），其金属平板的有效面积为10平方米。而对于同样大小的超级电容器来说，他们的金属平板有效面积可以达到1万平方米。不仅如此，超级电容器平板之间的距离减小到了纳米级，进一步提高了电容器的有效电容量。
第一代超级电容器的电容量在1法拉到100法拉之间，由于造价太高，没有在汽车上得到普遍的应用。现在，第二代超级电容器己经投入市场，电容量在1000法拉到5000法拉之间。由于超级电容器金属平板之间的距离很小，每一个电容器允许施加的最大电压只有2.5V.如果要在汽车上使用，可以将多个超级电容器串联使用，以满足汽车电压的要求。串联电容器两端的电压等于各电容器两端电压之和，串联电容器电容量的倒数等于各电容器电容量倒数之和。
由于超级电容器的电容量非常大，它的使用与普通的电子电容器也有很大的不同。普通电容器在电路中所起的作用是阻止直流电而允许交流电通过而超级电容器可以与能源装置如蓄电池配合使用，来储存能量。超级电容器不会取代汽车上的蓄电池作为主要能源装置，但是它可以补偿蓄电池在一些应用场合的不足，作为辅助的能源装置。
在发动机启动之前，汽车设备需要的电能都是由蓄电池来提供的。现在汽车上的蓄电池一般都是铅酸蓄电池，其电能是通过内部的铅与硫酸电解液发生化学反应而获得的，这个过程需要很长时间。也就是说，无论是给蓄电池充电，还是蓄电池向外放电，都需要很长时间。
对于电动马达来说，这样长的时间是非常不好的。举例来说，启动机在启动发动机时，需要的初始脉冲电流为600A.一旦发动机从最初的静摩擦状态变到滑动摩擦状态，启动机在剩下的启动过程中需要的电流就下降到100A左右。虽然蓄电池在设计上满足了初始脉冲电流的要求，但是这么高的电流脉冲对蓄电池的使用寿命还是有很大影响的。
电容器的能量储存在金属平板以及平板之间的电介质上。当电容器放电时，不需要发生任何化学反应，因此可以很快地向外提供电能。传统的铅酸蓄电池在寒冷的天气下使用时，其性能会受到很大的影响，因为温度每下降10*C，蓄电池内部化学反应所需要的时间就要加倍。
超级电容器基本上不受温度的影响，在-40C的温度下，其性能没有多少变化。
超级电容器的性能不受环境温度影响的特性对于发动机的启动来说很重要，德国一所大学所做的一项研宄己经证明了这一点。德国的这些研宄人员首先测量了一辆宝马车上启动机的性能。他们发现，该宝马车的启动机需要900A的初始脉冲电流，才能达到发动机脱离扭矩发动机运转后，启动机需要84A的持续电流。他们的测量结果表明，温度为rc时，启动过程需要的时间为25s.为了能够提供启动过程中所需要的能量，传统蓄电池的实际容量至少需要达到50Ah.然后，他们在一个额定容量为7Ah的蓄电池两旁并联一个电容量为1400法拉的超级电容器，发现可以将启动过程中两种不同的电流需求分别开来。使用摩托车上那样大小的蓄电池，同时并联一个超级电容器，在室温下可以启动发动机10次以上，而不需要给蓄电池充电。
传统的汽车用蓄电池重量为16kg而超级电容器和小型蓄电池合起来的重量还不到5kg.由此我们可以看出，超级电容器技术能够给柴油发动机汽车带来怎样的好处，那就是使发动机更容易启动。在寒冷的冬季，柴油发动机启动困难的问题总是与三个方面有关燃油凝滞、燃油控制以及由于燃油压缩带来的启动机运转需要的较大电流。现在，前两个问题己经基本上得到了解决。目前市场上冬季用混合燃油己经具有很好的抗凝滞性同时，发动机电控系统也己经极大地提高了燃油喷射和燃油控制的精确性。
燃油凝滞和燃油控制的问题解决之后，剩下的就是需要寻找一种更好的方式，为启动机提供需要的电能。在蓄电池两端并联超级电容器，可以使启动机的启动扭矩提高50%，而且启动转速也比以前有所增加。这正是在寒冷天气下启动柴油机所需要的。
铅酸蓄电池的性能会随使用时间的增加而有所下降，超级电容器则没有这种情况。他们的使用寿命可以与汽车的使用寿命一样长。
在启动过程中，启动机的峰值启动电流负载由超级电容器来承受，这实际上也提高了蓄电池的使用寿命。而且，与传统蓄电池不同，超级电容器不含有害金属（如铅）。
器技术还具有很多其他的优势。超级电容器不仅能够快速释放其储存的能量，同时它也可以快速接受外界输送来的能量。在所有关于电动车辆和混合电动车辆的讨论中，有很多都是关于制动过程中能量的回收问题的。有人这样设想过在汽车制动过程中，它原来的惯性能量相当于一个发电机，可以考虑采用某种方式将该能量传回蓄电池。问题在于，蓄电池的充电速度不能太快，导致这种能量回收的效率不是很高。超级电容器在混合动力车辆中的应用非常广泛，就是因为它们的充电速度很快，可以获得更多的回收能量。由于重型车辆，如公共汽车或卡车的惯性很大，它们可以成为研宄制动能量回收问题很好的试验车，只要能量能够有效地回收然后重新利用。
超级电容器的另一个好处在于，它们可以在充电之后立即把所充电量全部释放掉，而对于电容器本身的耐用性没有丝毫损伤。对于传统的汽车蓄电池来说，即使放电量不到60%也足以使蓄电池产生严重的损坏以及容量下降。即使在完全充电量的90%的状态下持续工作一段时间，铅酸蓄电池也会受到损坏。超级电容器完全没有传统蓄电池的使用寿命限制问题。
除了与蓄电池并联使用共同为汽车提供电能之外，超级电容器还有其他的用途。例如，一种小型的超级电容器可以用在汽车的门锁电磁线圈里。在采用这种超级电容器之前，为了提供打开门锁所需要的脉冲能量，需要使用规格为18号的线圈而有了超级电容器的帮助之后，可以采用小号、较柔软、不容易折断的线圈。这种小型的超级电容器在一个月或更长一段时间之后仍可以保存其所充电量的一半以上，因此任何时候都可以提供打开门锁所需要的峰值能量脉冲。这种小型的超级电容器也可以用在发动机控制模块，以确保蓄电池断开时发动机控制模块存储的东西不会丢失。
跟其他任何新技术产品一样，这种新型的超级电容器需要多久才能得到广泛的应用取决于它的成本。早期的超级电容器己经在高功耗的汽车立体声音响中使用，以避免出现每当播放吉他手独奏曲时车灯都会变暗的现象。一些早期的超级电容器的单价超过了500美元，这对于大部分人来说实在是太高了。汽车制造商己经告诉电容器生产厂家，只有当新型电容器价格下降到相当于每法拉一美分的时候，这项新技术才能广泛应用于汽车上。麦克斯韦技术公司（MaxwellTechnologies）声称，由于他们采用了新的自动化生产流程以及更为巧妙的设计，他们公司的产品价格己经非常接近这一目标了。必
