詳解超級電容在汽車上的應用

阿特茲在同級車裡算得上是個「技術控」了。除了那個讓人耳朵起繭的創馳藍天以外，它的i-stop和i-ELOOP也都算是不錯的「發明創造」。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意。而在這裡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有一個非常大的不同，在於儲能裝置由電池變成了電容。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/327968.htm

　　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，發電機是跟隨發動機一起工作的，並在發動機正常運轉時為整車電氣系統提供電能，以及為蓄電池充電。所有這些能量，均源自發動機的正常工作，成為發動機的負荷之一，從而增加能耗。制動能量回收系統，是通過發電機的逆變原理，搜集車輛無需動力輸出時(例如收油滑行、制動等時候)的剩餘能量，達到節省能耗的目的。

　　具體到工作方式。正常行駛時發電機不再工作，即不成為發動機的負載。電氣系統由蓄電池供電。在收油滑行及踩下制動踏板工況出現時，發電機逆變發電，既有效利用滑行慣性，又能起到制動效果，一舉兩得。這種剩餘能量轉換成電能後存儲在蓄電池中，供加速時為整車提供電能使用。如此一來，理論上可以做到發動機無需再主動為發電機提供能量，整車電氣系統的能量全部來源於剩餘能量的回收。不僅起到了節能的效果，而且還能在加速時減小發動機負荷，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。此時瞬間產生的大量電能，只能有很小一部分能夠「充進電池裡」，其他仍然白白浪費掉了。以至於雖然制動能量遠大於需要充電的能量，但仍有可能導致電池虧電。此時系統就不得不仍舊在加油狀態下啟動發電機，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，都與節能=省錢的初衷相違背。

　　超級電容是個什麼東西？

　　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，為何之前車子上沒見過這玩意？

　　電容的優點是什麼？

　　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，如果手機電池換成電容，每天在充電器上插幾秒鐘就充滿，這是什麼感覺？其次是耐充，幾十萬次沒問題，而且能量不衰減。幾十萬次什麼概念？按照平均水平一天衝放電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。由於是物理變化，它的能量轉換效率遠非化學變化的電池可比。

　　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，相當於一個五號充電電池的電能，與40萬個一萬微法的電容相當。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，它通過極化電解質來實現儲能，但同時與電容一樣屬於物理變化而非電池那樣的化學變化。這個有趣的原理，使得它的特性介於電容和電池之間，或者說集合了二者的優點。它在充放電速度、耐衝性和放電特性上與電容完全一樣，同時容量卻有了質的提升。以目前研發的情況看，其比能量已能達到鉛蓄電池的水平。

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

　　在收油或踩剎車的過程中，特製的發電機可以產生足夠大的電能在幾秒鐘之內就將這個超級電容充滿。然後在加速過程中，發電機不工作，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有充電機會(例如一直加油)，蓄電池還能協同工作。然後只要又一次幾秒鐘的收油機會，超級電容又會立刻「吃飽」。此時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。如此二者協調搭配，可以做到完全無需用發動機正常工作的能量來發電，實現最理想的能量回收。從官方說法來看，這套系統能實現10%的油耗降低。而寶馬對於其制動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的節能率是不一樣的。

　　或許有人問：既然超級電容比能量接近蓄電池，而且有這麼神，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於混合動力

　　充電快、耐充電、能量轉換效率高，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換成熱能白白喪失掉了。而像阿特茲這種，由於回收的能量只是提供電氣系統所用，其回收率同樣很低。如果混動車型採用更大容量的超級電容來實現對制動能量的回收，其節能效果將非常可觀。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用，主要還是源於其幾項缺點。一個是安全性，過快的放電速度和過低的內阻，如果設計不好的話，本身就蘊含著「能量突然大爆發」所隱藏的風險。二是較低的工作電壓，制約了它在驅動汽車上的應用。不過這些都不是死穴。隨著技術的進步，這些問題都可以解決。畢竟它的優勢實在是太誘人了。事實上，豐田已經研發出了採用超級電容的混動車型，其核心訴求是節能、節能、再節能。而寶馬與豐田聯合研發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，其瞬間迸發的能量，可以達到類似「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候，超級電容這個優秀的儲能裝置卻一直被人所忽略。事實上它不光適合於以上所說的這些技術。發散一下思維，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於純電動車，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一步提升，電壓特性更好，然後再與電池結合起來，會是個什麼效果？