可靠的发动机启动系统对于寒冷环境下的任何车辆都至关重要。然而，寒冷的气候给当今的电池系统带来了挑战，甚至黄金标准电池也会导致发动机熄火。当发动机熄火并且电池出现故障时尝试连续启动发动机会导致消耗更多电量。虽然快速启动汽车可以解决眼前的问题，但这是一种不可持续的长期做法。

　　电池因其能量密度远高于其他储能系统，广泛应用于发动机。然而，超级电容器可以组合成阵列，以比电池更高效地快速放电启动发动机，尤其是在极端条件下，并且可以在不到一分钟的时间内充电超过一百万次。

　　冷天气发动机启动用电池

　　铅酸电池和锂离子电池是启动汽车和商用车辆(特别是柴油发动机)最常用的能源储存装置。电池通过阳极、阴极和电解质的电化学反应储存和释放能量，电解质促进离子在两个电极之间的移动。电池内的电位差使电流流动，从而为任何连接的电子系统供电。电池的工作原理受法拉第过程的限制，这意味着电极和电解质在电极-电解质界面的电荷转移与电流成正比。

　　电池在寒冷天气中的表现不佳

　　尽管电池被广泛使用，但在车辆发动机中，特别是在寒冷天气下启动时，电池存在固有问题。由于电池的操作温度范围有限，其在该范围之外的性能会下降。电池内部退化，可能导致泄漏。

　　在高温和低温条件下都是如此，大多数商用电池的工作温度范围仅为-20°C到+40°C。在低温下，锂离子电池的化学反应活性和电荷转移速度减慢，这导致锂离子在电极之间的离子导电性和扩散系数降低。这使得启动电流低，从而影响电池在低温下的启动能力。对于铅酸电池，低温可能导致电解质结冰，从而阻止任何电化学反应发生，停止电流的产生。

　　电池的充电循环限制

　　随着时间的推移，电池的充放电过程会导致电极材料的不可逆分解。电池的循环应力会导致电极材料开裂，分解电解质的盐和溶剂成分。这种退化会阻止任何可逆的电化学反应发生。

　　在锂离子电池中，一个称为固体电解质界面(SEI)的渗透性钝化层可以防止电解质分解，并延长电池寿命。然而，SEI会消耗锂和电解质材料，降低容量和功率密度。当SEI分解时，会导致电池过热和失效。

　　这些技术挑战意味着电池只能经历相对较少的循环，限制了其可用寿命。例如，铅酸电池的循环次数可达3000次，典型寿命仅为0.5到5年。锂离子电池的循环寿命稍好，最多可达到10000次，使用寿命为三到十年，具体取决于电池的工作条件。然而，两者的性能远低于超级电容器技术的可能性。

　　超级电容器如何解决技术性发动机启动挑战

　　由于超级电容器的工作温度范围远大于电池，因此克服了电池的技术挑战。超级电容器可以储存大量电荷，并迅速释放以在几乎所有环境下启动发动机。当发动机启动时，超级电容器提供瞬时高密度功率和低转矩，以确保发动机可靠启动，无论当地天气条件如何，尽管极寒天气可能需要启动辅助设备和发动机加热器以防止防冻液和机油结冰。

　　超级电容器的循环寿命更长(可达数百万次)，整体效率约为98%(而锂离子电池为90%)，并且在满载条件下效率更高。与电池相比，超级电容器的使用寿命可达10到20年，具体取决于充电电压和工作温度。它们比电池轻得多，是车辆发动机的更好长期解决方案。

　　伊顿的XLR-LV超级电容模块

　　与电池不同，超级电容器以静电荷的形式储存能量，而不是通过电化学反应。超级电容器具有电双层电容器(EDLC)结构，其中两个电极板通过隔离材料相互绝缘。超级电容器使用电解液溶液，这对于形成超级电容器的双层至关重要，因为电极从电解液中吸引相反电荷的离子到电极表面。

　　电双层的形成是由于相反极化的离子在电极表面吸附，造成电极板之间的电荷分离，且由赫尔姆霍兹层(厚度为几个埃的层，平衡电极表面的电荷)分隔。通过在正负电极之间施加电压差来储存电荷。

　　XLR-LV超级电容模块是紧凑、轻便且更可靠的能源储存设备，提供高启动功率，并具有非常低的等效串联电阻(ESR)。伊顿超级电容器的循环寿命可达20年，远高于电池，因为在电极界面间的电子转移最小化，消除了严重的故障模式。这导致化学变化和相变较少，超级电容器没有确定的故障点;只有偏离最佳参数的情况，表明它们已经达到可用寿命的尽头。

　　该模块由六个独立的XL60超级电容单元组成，具有超低电阻。作为一个完整模块，XLR-LV提供500 F的电容，并可配置为12 V和24 V起动器。在点火时，XLR-LV在最寒冷的条件下提供即时高密度电力，确保发动机可靠启动。

　　除了长寿命外，XLR-LV超级电容器在发动机启动应用中相较于传统电池技术还有以下关键优势：

　　最大电压18 V，峰值功率47.6 kW

　　行业领先的ESR

　　高峰值功率循环能力

　　仅需一分钟的充电时间

　　工作温度范围从-40°C(适合冷启动)到+65°C(适合热发动机启动)

　　效率超过98%

　　设计坚固，能够抵御高振动、潮湿和灰尘

　　环保材料

　　几乎无需维护

　　XLR-LV模块由多个超级电容单元组合而成。这提高了模块的能量和功率输出。在模块中，单元以串联和并联配置连接，组合多个单元以不同配置提供更高的电压和更好的能量储存能力。

　　每个单独的超级电容单元电压仅为2 V到3 V，但如果多个单元串联连接，工作电压可以提高到高达1500 V的直流电压(VDC)。单元还可以并联以满足电流或功率需求，并且通常可以同时利用串联和并联配置。以这种方式构建超级电容器阵列意味着它们可以作为更轻、更高效的替代品取代车辆发动机中的电池。

　　例如，在10-15升的柴油发动机中，12 V起动器需要将模块并联，而24 V起动器则需要两个模块串联连接。在汽油发动机中，12 V起动器只需一个模块。使用一个或两个电容模块启动发动机也带来了显著的重量节省。对于15升的柴油发动机，使用两个16 V的模块并联仅重5.7千克，而电池的重量可能要大十倍。除了重量外，电池比超级电容器体积大得多，这可能限制制造商在创建紧凑系统时的选择。

　　电池与超级电容器

　　许多因素影响不同应用中能源储存设备的选择，不同电池架构的特性与超级电容器有所不同。让我们来看一下超级电容器在关键参数上与电池的比较。

　　超级电容器在寒冷启动之外的优势

　　虽然冷启动和更可靠的启动对不同类型的发动机很重要，但转向超级电容器还有其他好处。超级电容器几乎无需维护，能够持续整个车辆的使用寿命，从而显著减少停机时间。结合这些因素，超级电容器的整体拥有成本(TCO)低于锂离子电池和铅酸电池。铅酸电池也存在被盗的风险。但是，由于超级电容器嵌入到发动机中，无法轻易拆卸。

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