從阿特茲看超級電容在汽車上的應(yīng)用

阿特茲在同級車?yán)锼愕蒙鲜莻€“技術(shù)控”了。除了那個讓人耳朵起繭的創(chuàng)馳藍(lán)天以外，它的i-stop和i-ELOOP也都算是不錯的“發(fā)明創(chuàng)造”。有人說了，那不就是自動啟停和制動能量回收嗎？是，也不全是。例如i-stop的點火式啟動就很有創(chuàng)意。而在這里我們真正想說的是它的i-ELOOP。它與目前主流的制動能量回收系統(tǒng)有一個非常大的不同，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(tǒng)工作原理大同小異。我們知道，正常情況下，發(fā)電機(jī)是跟隨發(fā)動機(jī)一起工作的，并在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時為整車電氣系統(tǒng)提供電能，以及為蓄電池充電。所有這些能量，均源自發(fā)動機(jī)的正常工作，成為發(fā)動機(jī)的負(fù)荷之一，從而增加能耗。制動能量回收系統(tǒng)，是通過發(fā)電機(jī)的逆變原理，搜集車輛無需動力輸出時(例如收油滑行、制動等時候)的剩余能量，達(dá)到節(jié)省能耗的目的。

　　具體到工作方式。正常行駛時發(fā)電機(jī)不再工作，即不成為發(fā)動機(jī)的負(fù)載。電氣系統(tǒng)由蓄電池供電。在收油滑行及踩下制動踏板工況出現(xiàn)時，發(fā)電機(jī)逆變發(fā)電，既有效利用滑行慣性，又能起到制動效果，一舉兩得。這種剩余能量轉(zhuǎn)換成電能后存儲在蓄電池中，供加速時為整車提供電能使用。如此一來，理論上可以做到發(fā)動機(jī)無需再主動為發(fā)電機(jī)提供能量，整車電氣系統(tǒng)的能量全部來源于剩余能量的回收。不僅起到了節(jié)能的效果，而且還能在加速時減小發(fā)動機(jī)負(fù)荷，提升動力性。

　　然而，這個看上去很美的過程有兩個問題：

　　1.制動能量回收，能夠產(chǎn)生的電能其實是很大的(這個通過直觀理解就不難判斷)，而電池充電卻需要時間。此時瞬間產(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(fèi)掉了。以至于雖然制動能量遠(yuǎn)大于需要充電的能量，但仍有可能導(dǎo)致電池虧電。此時系統(tǒng)就不得不仍舊在加油狀態(tài)下啟動發(fā)電機(jī)，從而增加能耗。

　　2.鉛蓄電池是在頻繁充放電的過程中是會“折壽”的，因此這種能量回收系統(tǒng)會縮短蓄電池的使用時間，或者增加蓄電池的更換成本(為了延長使用時間而選用性能更好的蓄電池)。這些額外的開銷，都與節(jié)能=省錢的初衷相違背。

　　超級電容是個什么東西？

　　阿特茲的i-ELOOP對應(yīng)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(dá)為何用它，為何之前車子上沒見過這玩意？

　　電容的優(yōu)點是什么？

　　首先是充電速度超快，別管多大容量，只要電流夠，一兩秒搞定沒問題。打個比方，如果手機(jī)電池?fù)Q成電容，每天在充電器上插幾秒鐘就充滿，這是什么感覺？其次是耐充，幾十萬次沒問題，而且能量不衰減。幾十萬次什么概念？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(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)非化學(xué)變化的電池可比。

　　看起來十分完美對嗎？但普通的電容有個致命缺點：容量極小。這從它常用的單位微法就能看出來。1微法只有1法拉的百萬分之一。而1法拉有多少電？0.638毫安時而已。我們常見的五號充電電池多少毫安時？2500毫安時不算高的。折算一下，相當(dāng)于一個五號充電電池的電能，與40萬個一萬微法的電容相當(dāng)。這樣的電容顯然不能為車輛儲能。

　　超級電容與普通電容截然不同，它通過極化電解質(zhì)來實現(xiàn)儲能，但同時與電容一樣屬于物理變化而非電池那樣的化學(xué)變化。這個有趣的原理，使得它的特性介于電容和電池之間，或者說集合了二者的優(yōu)點。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(dá)到鉛蓄電池的水平。

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

　　在收油或踩剎車的過程中，特制的發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生足夠大的電能在幾秒鐘之內(nèi)就將這個超級電容充滿。然后在加速過程中，發(fā)電機(jī)不工作，超級電容為所有的電氣系統(tǒng)提供電能。如果超級電容用完了還沒有充電機(jī)會(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(jī)會，超級電容又會立刻“吃飽”。此時它除了給電氣系統(tǒng)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(diào)搭配，可以做到完全無需用發(fā)動機(jī)正常工作的能量來發(fā)電，實現(xiàn)最理想的能量回收。從官方說法來看，這套系統(tǒng)能實現(xiàn)10%的油耗降低。而寶馬對于其制動能量回收系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)是3%。雖然有標(biāo)準(zhǔn)差異，但也折射出兩種技術(shù)的節(jié)能率是不一樣的。

　　或許有人問：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——自放電速度比電池快得多，通俗的說就是“存不住電”。如果不用蓄電池，只怕車停個幾天就打不著火了。

　　超級電容的特性完全適用于混合動力

　　充電快、耐充電、能量轉(zhuǎn)換效率高，同時存在高自放電的特性，這種儲能裝置更適合誰？沒錯，就是混合動力。目前混合動力技術(shù)的電池部分，其實也存在著類似的問題。即便像普銳斯這樣的高手，其吸收制動能量的比例仍然是很低的。大量的能量還是被轉(zhuǎn)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(tǒng)所用，其回收率同樣很低。如果混動車型采用更大容量的超級電容來實現(xiàn)對制動能量的回收，其節(jié)能效果將非常可觀。與此同時，買車者也不必為昂貴的電池壽命有所憂慮。

　　之所以這種儲能裝置在汽車上遲遲未能應(yīng)用，主要還是源于其幾項缺點。一個是安全性，過快的放電速度和過低的內(nèi)阻，如果設(shè)計不好的話，本身就蘊(yùn)含著“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(qū)動汽車上的應(yīng)用。不過這些都不是死穴。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問題都可以解決。畢竟它的優(yōu)勢實在是太誘人了。事實上，豐田已經(jīng)研發(fā)出了采用超級電容的混動車型，其核心訴求是節(jié)能、節(jié)能、再節(jié)能。而寶馬與豐田聯(lián)合研發(fā)的超級電容混動超跑，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(jī)，其瞬間迸發(fā)的能量，可以達(dá)到類似“氮?dú)饧铀佟钡纳衿嫘Ч?/p>

　　小結(jié)：

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