超級電容在混合動力汽車中的使用

 冒著看起來很明顯的風(fēng)險，在經(jīng)過30年永往直前的發(fā)展之后，汽車行業(yè)終于想要尋找提高燃油經(jīng)濟性的途徑了——他們就是沒有做好這方面的工作。

一方面，市場推出的電動汽車(EV)傾向于只銷售給相對富裕的人。例如，日產(chǎn)Leaf的購買者的中值收入為16.5萬美元。插電式混合動力汽車(PHEV)也是這樣——雪佛蘭Volt的購買者的中值收入是19.5萬美元。這兩種汽車都能最大化在可變成本上花費的每一分錢，但需要承擔(dān)巨大的固定成本。事實上，購買這些汽車的成本是如此之高，以致于他們也需要政府和/或制造商的補貼，而且駕駛這些汽車的“1%人士”可以在汽油上節(jié)省不少費用。

另一方面，市場上也有相對便宜的弱混合動力汽車，它們采用的空閑啟停系統(tǒng)(ISS)可以讓你節(jié)省2%或3%的燃油。在北美地區(qū)，集成ISS的汽車通常很少，少數(shù)擁有這種系統(tǒng)的車主也經(jīng)常關(guān)閉ISS。即使開啟了ISS，出廠安裝的電池也會很快供應(yīng)不上電量，在這種情況下汽車自己會關(guān)閉ISS。這還沒有考慮一直關(guān)閉ISS的情況，比如致熱或空調(diào)打開或氣溫低于35℉/2℃時，因為電池只有有限的工作溫度范圍。

許多ISS問題可以用更好的能量存儲技術(shù)解決，但汽車制造商認(rèn)為普通消費者不會出于只是節(jié)省汽油的目的而在汽車上花更多的錢。不過這不是本文要討論的內(nèi)容。本文要討論的是汽車制造商在混合動力汽車產(chǎn)品線方面在做什么或不在做什么。

在混合動力汽車(HEV)市場中有兩個大類：輕混合和強混合。你也許了解強混合汽車，比如豐田的Prius、福特的Fusion以及這些制造商生產(chǎn)的其它型號，還有在美國銷售汽車的幾乎每家制造商推出的型號。強混合和輕混合之間的差別通常表現(xiàn)在能量存儲系統(tǒng)(ESS)的大小以及因此在僅電動模式下巡航距離的長短。

輕混合動力汽車在僅電動模式下的行駛距離很短，目前市場上型號也不多。不過輕混合動力汽車通常兼具弱混合動力汽車的特點，而且性能更好，因為它們具有更大的能量存儲系統(tǒng)，能夠發(fā)揮最大的潛力改善相對于成本的實際燃油經(jīng)濟性。這些系統(tǒng)一般要求不同的傳動或改進的傳動系統(tǒng)，能夠讓電力驅(qū)動與另外的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃發(fā)動機并行工作。從原理上講，這種系統(tǒng)需要電力驅(qū)動、用于驅(qū)動的控制電路以及能量存儲三個部分。

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市場上的液壓模擬系統(tǒng)經(jīng)過了近十年的測試，在中型至重型商用卡車市場占主導(dǎo)地位。Parker Hannifin公司發(fā)起的試驗項目表明，5-8級范圍內(nèi)的UPS供應(yīng)與垃圾收集卡車的實際燃油經(jīng)濟性可以改善達50%。十年來叉車公司也成功實現(xiàn)了電子再生能量的捕獲，并聲稱最新系統(tǒng)可以使用傳統(tǒng)鉛酸存儲系統(tǒng)將運行時間增加多達30%，即使作為能量恢復(fù)一部分的液壓系統(tǒng)損耗可能高達50%。

一些公司已經(jīng)開始提供測試車輛或可供2-8級卡車使用的電子輕混合動力配件系統(tǒng)系列產(chǎn)品。這些系統(tǒng)的工作幾乎完全獨立于基本驅(qū)動系統(tǒng)，因此在不太可能發(fā)生的故障事件中車輛操作不會受到影響。電子輕混合動力系統(tǒng)通常比液壓系統(tǒng)更簡單、更高效也更可靠。它們還能更加透明，因為它們具有很高的調(diào)整精度，并具有軟件可控的靈活性。另外，電子輕混合系統(tǒng)通常很容易根據(jù)能量存儲和/或驅(qū)動功率級別做出靈活調(diào)整，從而適合不同級別的汽車和種類廣泛的應(yīng)用。

正確應(yīng)用輕混合動力系統(tǒng)可以得到所有混合動力系統(tǒng)中最大的投資回報。弱混合系統(tǒng)相對比較昂貴，燃油經(jīng)濟性提升幅度比較有限。而強或先進(PHEV和EV)混合動力系統(tǒng)具有最大的集成成本，與輕混合動力系統(tǒng)相比在燃油經(jīng)濟性方面只提供有條件的提升。輕混合動力系統(tǒng)不僅燃油經(jīng)濟性好，而且效率最高，能夠使用最小的代價得到最大的好處。良好設(shè)計和正確應(yīng)用的輕混合動力系統(tǒng)可以向原始設(shè)備制造商(OEM)提供滿足管理當(dāng)局制訂的嚴(yán)格的美國公司平均燃油經(jīng)濟性(CAFé)法規(guī)要求的最好機會，并且對成本的影響最小。

1200F、2.7V(1.22Wh)超級電容，它的直徑為60mm，等效串聯(lián)電阻(ESR)為0.3mΩ。

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目前市場上所有輕混合動力汽車都使用傳統(tǒng)電池技術(shù)，如鉛酸、鎳氫和鋰離子電池。不過韋恩州立大學(xué)教授Dennis Corrigan在他的2013 SAE論文中指出，這些技術(shù)很難匹配實際應(yīng)用。這意味著你在開車時在為未用到的電池容量買單。實際上，為了滿足輕混合動力汽車的電源要求，必須使用明顯更多的存儲能量。與超級電容相比，電池技術(shù)存在著充放電損耗、較低功率密度、較高溫度敏感性和更低往復(fù)效率的缺點。此外，超級電容的能量和功率密度經(jīng)過優(yōu)化可以匹配輕混合動力應(yīng)用。因此，工程師轉(zhuǎn)而采用超級電容技術(shù)來改善系統(tǒng)特性，它不僅能極大地增加壽命和性能，而且能減小體積和重量，從而實現(xiàn)更高效的汽車產(chǎn)品。

美國國家可再生能源實驗室對Saturn Vue混合動力汽車的測試表明，較小的大功率能量存儲在短期性能測試中表現(xiàn)也不錯。即使沒有調(diào)整系統(tǒng)以便充分發(fā)揮超級電容的差異化特性，提供35瓦時能量存儲的超級電容在功能上也可完全代替超過300瓦時的鎳氫電池，而且重量可以減輕10公斤，燃油經(jīng)濟性和性能還有少許提升。超級電容的使用還能改善能量存儲系統(tǒng)的循環(huán)性能、可靠性和壽命。

業(yè)界預(yù)測2017年基于超級電容的系統(tǒng)成本將低于目前最好的解決方案(雙路吸附式玻璃纖維(2xAGM電池)，比傳統(tǒng)的雙路啟動-照明-點火(2xSLI)解決方案僅貴20%左右。

隨著全球政府不斷補貼鋰離子技術(shù)的開發(fā);致力于推動可負(fù)擔(dān)技術(shù)不切實際的巨大跨越;汽車工程師集中精力修改方法以滿足這些方面的要求——顯然最好的答案被忽視了?；?strong>超級電容的輕混合動力系統(tǒng)可以通過簡單可靠的整合滿足今天和未來的燃油經(jīng)濟性要求。