詳解超級電容在汽車(chē)上的應用

阿特茲在同級車(chē)里算得上是個(gè)“技術(shù)控”了。除了那個(gè)讓人耳朵起繭的創(chuàng )馳藍天以外，它的i-stop和i-ELOOP也都算是不錯的“發(fā)明創(chuàng )造”。有人說(shuō)了，那不就是自動(dòng)啟停和制動(dòng)能量回收嗎？是，也不全是。例如i-stop的點(diǎn)火式啟動(dòng)就很有創(chuàng )意。而在這里我們真正想說(shuō)的是它的i-ELOOP。它與目前主流的制動(dòng)能量回收系統有一個(gè)非常大的不同，在于儲能裝置由電池變成了電容。

　　電池儲能有啥不好的？

　　目前主流的能量回收系統工作原理大同小異。我們知道，正常情況下，發(fā)電機是跟隨發(fā)動(dòng)機一起工作的，并在發(fā)動(dòng)機正常運轉時(shí)為整車(chē)電氣系統提供電能，以及為蓄電池充電。所有這些能量，均源自發(fā)動(dòng)機的正常工作，成為發(fā)動(dòng)機的負荷之一，從而增加能耗。制動(dòng)能量回收系統，是通過(guò)發(fā)電機的逆變原理，搜集車(chē)輛無(wú)需動(dòng)力輸出時(shí)(例如收油滑行、制動(dòng)等時(shí)候)的剩余能量，達到節省能耗的目的。

　　具體到工作方式。正常行駛時(shí)發(fā)電機不再工作，即不成為發(fā)動(dòng)機的負載。電氣系統由蓄電池供電。在收油滑行及踩下制動(dòng)踏板工況出現時(shí)，發(fā)電機逆變發(fā)電，既有效利用滑行慣性，又能起到制動(dòng)效果，一舉兩得。這種剩余能量轉換成電能后存儲在蓄電池中，供加速時(shí)為整車(chē)提供電能使用。如此一來(lái)，理論上可以做到發(fā)動(dòng)機無(wú)需再主動(dòng)為發(fā)電機提供能量，整車(chē)電氣系統的能量全部來(lái)源于剩余能量的回收。不僅起到了節能的效果，而且還能在加速時(shí)減小發(fā)動(dòng)機負荷，提升動(dòng)力性。

　　然而，這個(gè)看上去很美的過(guò)程有兩個(gè)問(wèn)題：

　　1.制動(dòng)能量回收，能夠產(chǎn)生的電能其實(shí)是很大的(這個(gè)通過(guò)直觀(guān)理解就不難判斷)，而電池充電卻需要時(shí)間。此時(shí)瞬間產(chǎn)生的大量電能，只能有很小一部分能夠“充進(jìn)電池里”，其他仍然白白浪費掉了。以至于雖然制動(dòng)能量遠大于需要充電的能量，但仍有可能導致電池虧電。此時(shí)系統就不得不仍舊在加油狀態(tài)下啟動(dòng)發(fā)電機，從而增加能耗。

　　2.鉛蓄電池是在頻繁充放電的過(guò)程中是會(huì )“折壽”的，因此這種能量回收系統會(huì )縮短蓄電池的使用時(shí)間，或者增加蓄電池的更換成本(為了延長(cháng)使用時(shí)間而選用性能更好的蓄電池)。這些額外的開(kāi)銷(xiāo)，都與節能=省錢(qián)的初衷相違背。

　　超級電容是個(gè)什么東西？

　　阿特茲的i-ELOOP對應的儲能裝置不是電池，而是雙層電容。雙層電容是超級電容的一種。馬自達為何用它，為何之前車(chē)子上沒(méi)見(jiàn)過(guò)這玩意？

　　電容的優(yōu)點(diǎn)是什么？

　　首先是充電速度超快，別管多大容量，只要電流夠，一兩秒搞定沒(méi)問(wèn)題。打個(gè)比方，如果手機電池換成電容，每天在充電器上插幾秒鐘就充滿(mǎn)，這是什么感覺(jué)？其次是耐充，幾十萬(wàn)次沒(méi)問(wèn)題，而且能量不衰減。幾十萬(wàn)次什么概念？按照平均水平一天沖放電20次，能用50年以上！第三是放電速度極快，或者說(shuō)能夠承載的功率高，這也是電池所不能比的。第四，效率高。由于是物理變化，它的能量轉換效率遠非化學(xué)變化的電池可比。

　　看起來(lái)十分完美對嗎？但普通的電容有個(gè)致命缺點(diǎn)：容量極小。這從它常用的單位微法就能看出來(lái)。1微法只有1法拉的百萬(wàn)分之一。而1法拉有多少電？0.638毫安時(shí)而已。我們常見(jiàn)的五號充電電池多少毫安時(shí)？2500毫安時(shí)不算高的。折算一下，相當于一個(gè)五號充電電池的電能，與40萬(wàn)個(gè)一萬(wàn)微法的電容相當。這樣的電容顯然不能為車(chē)輛儲能。

　　超級電容與普通電容截然不同，它通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)實(shí)現儲能，但同時(shí)與電容一樣屬于物理變化而非電池那樣的化學(xué)變化。這個(gè)有趣的原理，使得它的特性介于電容和電池之間，或者說(shuō)集合了二者的優(yōu)點(diǎn)。它在充放電速度、耐沖性和放電特性上與電容完全一樣，同時(shí)容量卻有了質(zhì)的提升。以目前研發(fā)的情況看，其比能量已能達到鉛蓄電池的水平。

　　這樣一來(lái)，超級電容就有具備了被應用在車(chē)用儲能上的可能。結合阿特茲的i-ELOOP，我們不妨具體看看它的優(yōu)勢所在。

　　在收油或踩剎車(chē)的過(guò)程中，特制的發(fā)電機可以產(chǎn)生足夠大的電能在幾秒鐘之內就將這個(gè)超級電容充滿(mǎn)。然后在加速過(guò)程中，發(fā)電機不工作，超級電容為所有的電氣系統提供電能。如果超級電容用完了還沒(méi)有充電機會(huì )(例如一直加油)，蓄電池還能協(xié)同工作。然后只要又一次幾秒鐘的收油機會(huì )，超級電容又會(huì )立刻“吃飽”。此時(shí)它除了給電氣系統供電以外，還能慢慢釋放電能為蓄電池充電。如此二者協(xié)調搭配，可以做到完全無(wú)需用發(fā)動(dòng)機正常工作的能量來(lái)發(fā)電，實(shí)現最理想的能量回收。從官方說(shuō)法來(lái)看，這套系統能實(shí)現10%的油耗降低。而寶馬對于其制動(dòng)能量回收系統給出的數據是3%。雖然有標準差異，但也折射出兩種技術(shù)的節能率是不一樣的。

　　或許有人問(wèn)：既然超級電容比能量接近蓄電池，而且有這么神，為何還要蓄電池，豈不多此一舉？這就不得不提到超級電容的缺點(diǎn)——自放電速度比電池快得多，通俗的說(shuō)就是“存不住電”。如果不用蓄電池，只怕車(chē)停個(gè)幾天就打不著(zhù)火了。

　　超級電容的特性完全適用于混合動(dòng)力

　　充電快、耐充電、能量轉換效率高，同時(shí)存在高自放電的特性，這種儲能裝置更適合誰(shuí)？沒(méi)錯，就是混合動(dòng)力。目前混合動(dòng)力技術(shù)的電池部分，其實(shí)也存在著(zhù)類(lèi)似的問(wèn)題。即便像普銳斯這樣的高手，其吸收制動(dòng)能量的比例仍然是很低的。大量的能量還是被轉換成熱能白白喪失掉了。而像阿特茲這種，由于回收的能量只是提供電氣系統所用，其回收率同樣很低。如果混動(dòng)車(chē)型采用更大容量的超級電容來(lái)實(shí)現對制動(dòng)能量的回收，其節能效果將非?？捎^(guān)。與此同時(shí)，買(mǎi)車(chē)者也不必為昂貴的電池壽命有所憂(yōu)慮。

　　之所以這種儲能裝置在汽車(chē)上遲遲未能應用，主要還是源于其幾項缺點(diǎn)。一個(gè)是安全性，過(guò)快的放電速度和過(guò)低的內阻，如果設計不好的話(huà)，本身就蘊含著(zhù)“能量突然大爆發(fā)”所隱藏的風(fēng)險。二是較低的工作電壓，制約了它在驅動(dòng)汽車(chē)上的應用。不過(guò)這些都不是死穴。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，這些問(wèn)題都可以解決。畢竟它的優(yōu)勢實(shí)在是太誘人了。事實(shí)上，豐田已經(jīng)研發(fā)出了采用超級電容的混動(dòng)車(chē)型，其核心訴求是節能、節能、再節能。而寶馬與豐田聯(lián)合研發(fā)的超級電容混動(dòng)超跑，則看重了它的高放電速度——可以盡情地為其配備高功率電機，其瞬間迸發(fā)的能量，可以達到類(lèi)似“氮氣加速”的神奇效果。

　　小結：

　　當我們將目光總盯在鋰電池的時(shí)候，超級電容這個(gè)優(yōu)秀的儲能裝置卻一直被人所忽略。事實(shí)上它不光適合于以上所說(shuō)的這些技術(shù)。發(fā)散一下思維，未來(lái)它變成了純電動(dòng)車(chē)的解決之道也說(shuō)不定。雖然以目前看，其高自放電特性的確不適用于純電動(dòng)車(chē)，但別忘了它的超快充電特性——充電時(shí)間可能比加油時(shí)間還要短，而且沒(méi)有壽命問(wèn)題。如果未來(lái)它的比能量進(jìn)一步提升，電壓特性更好，然后再與電池結合起來(lái)，會(huì )是個(gè)什么效果？