超級電容集成優(yōu)化混合動(dòng)力公交車(chē)動(dòng)力總成

　　天然資源的枯竭、空氣污染、交通堵塞和礦物燃料價(jià)格的上漲等等問(wèn)題，迫使社會(huì )和個(gè)人尋求替代運輸工具。這當中就有用于公交車(chē)和卡車(chē)的混合電力、氫氣和基于燃料電池的動(dòng)力系統，例如ISE(San Diego, CA)從1996年以來(lái)所生產(chǎn)的那些。

　　這些動(dòng)力系統在整個(gè)汽車(chē)工業(yè)之所以受到歡迎，是因為它們提高了燃油效率，降低了有害排放。ISE公司專(zhuān)長(cháng)于生產(chǎn)串聯(lián)混合電力動(dòng)力系統，其中的引擎完全與動(dòng)力傳動(dòng)系統脫離，且僅僅被用于產(chǎn)生電力。

　　該類(lèi)型混合架構對于執行大量“停走”驅動(dòng)的大型車(chē)輛特別有吸引力，如市內運輸公交車(chē)和貨運卡車(chē)。傳統的公交車(chē)和卡車(chē)的效率很低，產(chǎn)生高度有害的排放，因為它們碩大的引擎(通常是柴油機)持續不斷地給車(chē)輛加速和減速--這是一種效率最低的產(chǎn)生動(dòng)力的方式。

　　在ISE的串聯(lián)混合系統中，較小的引擎與發(fā)電機緊密配合，在恒定、有效的速度和功率輸出級上工作。當車(chē)輛動(dòng)力暫時(shí)需要增加的時(shí)候，如加速期間或爬山時(shí)，要從車(chē)上由電池和超級電容組成的能量?jì)Υ嫦到y吸取電力。當車(chē)輛的動(dòng)力需求較低時(shí)，該能量?jì)Υ嫦到y被充電。這樣不僅僅能量效率增加了，而且車(chē)輛能夠通過(guò)再生制動(dòng)(regenerative braking)在它減速時(shí)重新回收(加速時(shí)付出的)能量。

　　面臨的問(wèn)題

　　ISE的混合電動(dòng)車(chē)(HEV)技術(shù)的目標是利用燃料驅動(dòng)引擎、電力電機驅動(dòng)和能量?jì)Υ娼M件的最佳特性。他們的混合架構設計采用了擔當主動(dòng)力源的內燃機，以及一個(gè)擔當二次動(dòng)力源的、具有電力儲存系統的電機。設計工程師能夠將內燃機的規格設計為滿(mǎn)足巡航動(dòng)力的要求，因為二次動(dòng)力源要滿(mǎn)足加速對峰值動(dòng)力需求。此外，再生制動(dòng)能量被二次動(dòng)力系統所捕獲。該能量被用于進(jìn)一步的加速或滿(mǎn)足附屬電器系統的基本能量需求。

　　存在的缺點(diǎn)

　　僅僅采用電池提供電力儲存的標準混合動(dòng)力設計存在缺陷。這些不足之處很多，它們給汽車(chē)設計工程師帶來(lái)了許多設計挑戰。首先，電池要在低溫正常工作存在困難;其次，電池需要非常復雜精密的電荷均衡管理技術(shù);第三，電池在極端條件下的壽命大為縮短，從而導致貫穿車(chē)輛生命期內高昂的換電池成本。

　　由于要購買(mǎi)和安裝新電池，舊電池就不得不拆除并處置掉。除非制造商已有電池回收設施，否則電池的處置可能成為問(wèn)題。所有這些問(wèn)題都增加了基于電池的系統的成本，更不用說(shuō)車(chē)輛停工期造成的損失。

　　或許最重要的是：電池捕獲和再生能量、或短持續時(shí)間事件(諸如加速和剎車(chē))期間提供突發(fā)大功率的能力有限。這種高功率局限性降低了混合電力動(dòng)力系統設計的效率。因為大多數城市公交車(chē)都工作在不變的制動(dòng)-加速模式，捕獲和再生剎車(chē)能量的能力就成為了ISE設計的中心。

　　在實(shí)現高效率公交車(chē)和卡車(chē)系統設計目標的征程中，電池限制因素是ISE工程師面臨的嚴峻挑戰，他們要在克服傳統的低效率問(wèn)題的同時(shí)，提供滿(mǎn)足人們期望的牢靠、全天侯、走走停停的運輸能力。為了給市場(chǎng)帶來(lái)真實(shí)的可選替代方案，ISE需要設計一種電力和儲存系統，以克服混合電力電池及傳統卡車(chē)和公交車(chē)的局限性。

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　　解決方案

　　為了尋求解決方案，ISE要求Maxwell Technologies幫助開(kāi)發(fā)超級電容解決方案。緊湊、高性能、長(cháng)壽命的超級電容器實(shí)現了許多電池的功能，但是可靠性更高、儲存功能更先進(jìn)、整體性能更佳。超級電容補足了電池的性能或完全替代電池。

　　與電池動(dòng)力相比，Maxwell的超級電容(BOOSTCA P)提供的好處包括：

　　* 低溫性能：容許在零下40度工作;而電池在零度以下未經(jīng)加熱就不能可靠工作。

　　* 安全性：對于公交運輸車(chē)，超級電容是一種安全的解決方案，作為一個(gè)包，一夜之間就可以放電完畢。

　　* 壽命長(cháng)：超級電容本質(zhì)上壽命與它們所裝入的設備一樣長(cháng)，低維護需求節省了成本。

　　* 效率高：效率高達85-95%，而電池在類(lèi)似應用中只有70%甚至更低(ISE測量的結果)。

　　* 環(huán)保：超級電容環(huán)保，因為它們除了重金屬70%可以再生利用。

　　* 輸出功率大：電源輸出是電池的10倍，在車(chē)輛加速時(shí)這是一個(gè)特別重要的屬性。

　　* 架構好：超級電容能夠有效地捕獲一種剎車(chē)的能量，并將其儲存以滿(mǎn)足下一次加速對能量的需求。

　　下表是ISE開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用、加熱電池解決方案(Z EBRA)及其專(zhuān)有的Thunderpack II(上圖)超級電容解決方案的比較。

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　　兩種方案的最佳之處

　　從該表格可以清楚地看到，電池具有高能量的能力，而超級電容具有高功率的能力。在優(yōu)化的混合儲存系統中，兩技術(shù)的結合最大限度地發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢。

　　ISE公司新業(yè)務(wù)經(jīng)理Tom Bartley說(shuō)：“由于其優(yōu)異的功率特性，超級電容就是ISE動(dòng)力系統設計的實(shí)質(zhì)。超級電容提高了性能、可靠性和車(chē)載能量?jì)Υ嫜b置的耐久力，公交車(chē)配備它之后，對加速環(huán)保運輸工具的社會(huì )影響和生存發(fā)展有著(zhù)重要的作用?！?/P>

　　本文小結

　　自從2003年實(shí)現成功測試以來(lái)，ISE已經(jīng)將Maxwell的超級電容整合到汽油、柴油和燃料電池混合動(dòng)力車(chē)之中。特別需要說(shuō)明的是，自從開(kāi)發(fā) Thundercap II超級電容系統，ISE已經(jīng)將其動(dòng)力系統引入到汽-電混合動(dòng)力車(chē)、柴-電混合動(dòng)力車(chē)、氫-電混合動(dòng)力車(chē)和燃料電池混合動(dòng)力車(chē)的設計之中。清潔運行、安靜、低維護要求的車(chē)輛已經(jīng)走上了一些美國的城市，包括Long Beach和Sacramento CA。ISE已經(jīng)與西門(mén)子及Flyer公司結成伙伴關(guān)系，共同生產(chǎn)這些混合動(dòng)力車(chē)。

　　Bartley補充說(shuō)，去年已經(jīng)有102輛混合動(dòng)力車(chē)投入使用，今年還要增加60輛，預計2007年將交付使用100到200臺。目前，在ISE的混合動(dòng)力和燃料電池公交車(chē)上，有3萬(wàn)多超級電容器在工作，提供超過(guò)7500萬(wàn)法拉的電力驅動(dòng)和再生剎車(chē)功率。早在2006年初，Bartley就估計超級電容供電的公交車(chē)隊已經(jīng)提供了超過(guò)200萬(wàn)英里的清潔、可靠的服務(wù)，為我們的星球提供了清潔的運輸服務(wù)。