通過(guò)減速能量提高汽車(chē)燃效，利用新一代蓄電裝置提高效率（下）

采用雙電層電容器的馬自達(dá)

鋰離子充電電池也有缺點(diǎn)，那就是不耐高溫，因此不能設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，Wagon R將其配置在了副駕駛席下方（圖4）。不過(guò)，并沒(méi)有影響乘坐空間，從第一代Wagon R開(kāi)始一直未變的副駕駛席下方的儲(chǔ)物空間仍與原來(lái)一樣。

圖4：鋰離子充電電池配置在副駕駛席下方
鋰離子充電電池不耐高溫，無(wú)法配置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。

用戶(hù)比較關(guān)心的價(jià)格方面，新款Wagon R所有車(chē)型都標(biāo)配了ENE-CHARGE，暢銷(xiāo)車(chē)型“FX”的價(jià)格為110.985萬(wàn)日元，比老款FX高出3.885萬(wàn)日元。但新款Wagon R同等級(jí)別的車(chē)型與配備怠速停止機(jī)構(gòu)的老款車(chē)型相比，反而要便宜5.775萬(wàn)日元。

相對(duì)于要消除充放電電壓不穩(wěn)定等特性而采用鋰離子充電電池的鈴木，馬自達(dá)的i-ELOOP比較重視充電電流量，因此采用了雙電層電容器（圖5）。

圖5：馬自達(dá)的減速能量再生系統(tǒng)“i-ELOOP”的部件配置
雙電層電容器和可變電壓式發(fā)電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器位于副駕駛席下方。

該系統(tǒng)將再生能量存儲(chǔ)在雙電層電容器中用來(lái)驅(qū)動(dòng)電器部件。據(jù)馬自達(dá)介紹，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的約10％用于發(fā)電，如果能通過(guò)減速時(shí)的動(dòng)能再生而停用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，應(yīng)該可將燃效提高10％。這就是i-ELOOP的構(gòu)思。

雖然思路與鈴木相同，但燃效的提高幅度比鈴木大是因?yàn)榭紤]了JC08模式?jīng)]考慮的空調(diào)及音響的耗電等。汽車(chē)消耗的電力量比預(yù)想要大，例如打開(kāi)車(chē)燈、空調(diào)和雨刷的話(huà)，需要消耗約500W的電力。

不過(guò)，即使想有效回收減速時(shí)的能量，但就像鈴木的示例一樣，由于鉛蓄電池的電力接收性較低，也不能有效存儲(chǔ)能量。對(duì)此，此次馬自達(dá)采用的是名為雙電層電容器的電容器，也就是雙電層電容器。

馬自達(dá)的系統(tǒng)如圖6所示，除電容器外，還包括可變電壓式發(fā)電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器?？勺冸妷菏桨l(fā)電機(jī)隨著電容器的充電，可將充電電壓由12V最大提高至25V。電容器放電時(shí)，電壓會(huì)從25V逐漸降低，然后通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器固定為12V輸出。電容器的電力可以直接用于電器部品，或臨時(shí)存儲(chǔ)在鉛蓄電池中以后再使用。鉛蓄電池基本只用于怠速停止后的發(fā)動(dòng)機(jī)重啟，因此可延長(zhǎng)壽命。

圖6：i-ELOOP系統(tǒng)的構(gòu)成
利用可變電壓式發(fā)電機(jī)發(fā)電的電力先存儲(chǔ)在雙電層電容器中，然后經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器為鉛蓄電池充電或驅(qū)動(dòng)電器部品。電器部品的驅(qū)動(dòng)主要使用電容器，鉛蓄電池主要用于從怠速停止?fàn)顟B(tài)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。

雙電層電容器的蓄電原理如圖7所示。具體為，在電解液中浸入活性炭電極并接通電流后，陽(yáng)極吸引陰離子，而陰極吸引陽(yáng)離子，使陰離子和陽(yáng)離子分別在兩個(gè)電極表面形成電荷層，電極之間的距離很小，只有零點(diǎn)幾納米。電荷層與電極之間形成一種電容器，稱(chēng)為雙電層。通過(guò)在雙電層中存儲(chǔ)電荷來(lái)為雙電層電容器蓄電。

圖7：雙電層電容器的蓄電原理
活性炭電極的陽(yáng)極吸引陰離子，陰極吸引陽(yáng)離子，電極間以非常短的距離（零點(diǎn)幾納米）排列。在離子和電極間會(huì)形成一種電容器，稱(chēng)為雙電層。

電容器的蓄電容量與電極面積成正比，與電極間的距離成反比。在活性炭這種表面積非常大的材料的表面整體形成電極間距非常小的電容器——這種雙電層電容器與普通電容器相比，具備容量可以大幅提高的特點(diǎn)。

另外，雙電層電容器是物理存儲(chǔ)電荷，因此不同于隨著化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充放電的充電電池，即使反復(fù)進(jìn)行充放電也不容易劣化，可以經(jīng)受100萬(wàn)次以上的反復(fù)充放電。而且，其內(nèi)部電阻可以控制在很低的水平，因此還能實(shí)現(xiàn)大電流的快速充放電。

馬自達(dá)將雙電層電容器配置在左前輪的前方。如果采用鋰離子充電電池的話(huà)，需要配備冷卻扇和結(jié)實(shí)的電池盒等，應(yīng)該無(wú)法配置在這個(gè)空間內(nèi)。

此次采用的雙電層電容器是日本貴彌功“DLCAP”系列的新產(chǎn)品（圖8）。關(guān)于采用該公司產(chǎn)品的理由，馬自達(dá)提到了“安全性高”。開(kāi)發(fā)雙電層電容器的其他企業(yè)大多在電解液中使用乙腈，乙腈雖然電阻低，但溫度升高后會(huì)產(chǎn)生有毒氣體。而日本貴彌功采用耐熱性高的碳酸丙烯酯（PC）作為雙電層電容器的電解液，即使高溫也難以產(chǎn)生有毒氣體。因此安全性比較高。

圖8：日本貴彌功制造的雙電層電容器
配備了10個(gè)圓筒形電容器。

但使用PC的話(huà)，內(nèi)部電阻一般會(huì)增大。日本貴彌功此次在保持靜電容量和電壓不變的情況下，成功地將內(nèi)部電阻降到了原產(chǎn)品的1/3，實(shí)現(xiàn)了“與使用乙腈的雙電層電容器基本相同的電阻值”（日本貴彌功）。該公司沒(méi)有公布詳情，只介紹說(shuō)，通過(guò)改進(jìn)作為電極的活性炭之間的接觸和集電極的構(gòu)造等，降低了接觸電阻和結(jié)電阻。另外，耐熱性也由原產(chǎn)品的60 ℃提高到了70℃。

馬自達(dá)采用的雙電層電容器的單元為直徑40mm、高150mm的圓筒形，重約280g。串聯(lián)10個(gè)單元形成一個(gè)模塊，由此可以計(jì)算出每個(gè)單元的電壓為2.5V。包括控制電路等在內(nèi)的模塊重量約為6kg。隨著馬自達(dá)的采用，日本貴彌功從2012年開(kāi)始量產(chǎn)此次的開(kāi)發(fā)品，包括已經(jīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品在內(nèi)，該公司計(jì)劃在2013年使產(chǎn)能達(dá)到2011年底的2.6倍，即確立48萬(wàn)單元/月的生產(chǎn)體制。

重視成本的日產(chǎn)

綜上所述，鈴木重視成本，選擇了無(wú)需可變電壓式發(fā)電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的鋰離子充電電池，而馬自達(dá)重視蓄電量，選擇了需要可變電壓式發(fā)電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器，會(huì)導(dǎo)致成本上升的雙電層電容器。

比這兩家公司更重視成本，采用鉛蓄電池存儲(chǔ)減速能量的是日產(chǎn)汽車(chē)。該公司配備減速能量再生系統(tǒng)S-HYBRID的賽瑞納，其JC08模式燃效為15.2km/L，比配備S-HYBRID前的14.6km/L提高了0.6km/L（約4％）。配備該功能的車(chē)型售價(jià)為238.455萬(wàn)日元起，與裝備基本相同的原車(chē)型相比提高了5.355萬(wàn)日元。

S-HYBRID是配備兩塊鉛蓄電池的系統(tǒng)，在將法國(guó)法雷奧公司發(fā)電機(jī)的電流容量由原來(lái)的150A提高至200A（約提高30％）、增加了減速時(shí)的再生電力量的同時(shí)（圖9），為了比以往存儲(chǔ)更多的再生電力，又追加了一塊鉛蓄電池。該系統(tǒng)將2塊電池并聯(lián)，通過(guò)監(jiān)控每塊電池的充電狀態(tài)來(lái)分配發(fā)電機(jī)的再生電力。

圖9：“賽瑞納”配備的“MR20DD”發(fā)動(dòng)機(jī)
將發(fā)電機(jī)的電流容量由150A提高到了200A。

未采取通過(guò)增加容量只利用一塊電池的方式，而特意使用兩塊蓄電池是為了不使用DC-DC轉(zhuǎn)換器。在介紹鈴木的系統(tǒng)時(shí)提到過(guò)，從怠速停止?fàn)顟B(tài)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，如果只有一塊蓄電池，電壓會(huì)降低，不采取措施的話(huà)，音響等就會(huì)停止工作。為了預(yù)防這種情況，最近采用怠速停止機(jī)構(gòu)的車(chē)型大多配備了升壓用DC-DC轉(zhuǎn)換器。

對(duì)此，此次的日產(chǎn)S-HYBRID采用2塊電池，用主電池提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電力，用輔助電池為電器部品供電，這樣輔助電池的電壓就不會(huì)降低，從而可以去掉DC-DC轉(zhuǎn)換器，有助于削減成本。

與以配備車(chē)輛的全面改進(jìn)為契機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的鈴木ENE-CHARGE以及馬自達(dá)的i-ELOOP不同，日產(chǎn)的S-HYBRID是配備在已有車(chē)型上，因此存在布局上的問(wèn)題。由于發(fā)電機(jī)的電流容量增加，外形尺寸變大，與散熱器的冷卻扇產(chǎn)生了干擾。因此，日產(chǎn)將原來(lái)的兩個(gè)散熱扇集成為一個(gè)高輸出散熱扇，避免了干擾（圖10）。

圖10：減少一個(gè)散熱扇擴(kuò)大了發(fā)電機(jī)的尺寸
發(fā)電機(jī)前方（照片下側(cè)）配置有散熱器。以前在對(duì)角線(xiàn)上配置兩個(gè)散熱扇。