儲能電池變電容 從馬自達阿特茲看超級電容在汽車上的應用
日期：2024-10-16 07:13:35 作者：宏力精密鋼管 閱讀數：518阿特茲在同級車里算得上是個“技術控”了。除了那個讓人耳朵起繭的創(chuàng)馳藍天以外，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)電機是跟隨發(fā)動機一起工作的，并在發(fā)動機正常運轉時為整車電氣系統(tǒng)提供電能，以及為蓄電池充電。所有這些能量，均源自發(fā)動機的正常工作，成為發(fā)動機的負荷之一，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)電機不再工作，即不成為發(fā)動機的負載。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時，發(fā)電機逆變發(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)動機無需再主動為發(fā)電機提供能量，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“充進電池里”，其他仍然白白浪費掉了。以至于雖然制動能量遠大于需要充電的能量，但仍有可能導致電池虧電。此時系統(tǒng)就不得不仍舊在加油狀態(tài)下啟動發(fā)電機，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(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，如果手機電池換成電容，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。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于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，同時容量卻有了質的提升。以目前研發(fā)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(yōu)勢所在。
在收油或踩剎車的過程中，特制的發(fā)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。然后在加速過程中，發(fā)電機不工作，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)調搭配，可以做到完全無需用發(fā)動機正常工作的能量來發(fā)電，實現最理想的能量回收。從官方說法來看，這套系統(tǒng)能實現10%的油耗降低。而寶馬對于其制動能量回收系統(tǒng)給出的數據是3%。雖然有標準差異，但也折射出兩種技術的節(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阻，如果設計不好的話，本身就蘊含著“能量突然大爆發(fā)”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(yōu)勢實在是太誘人了。事實上，豐田已經研發(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，其瞬間迸發(fā)的能量，可以達到類似“氮氣加速”的神奇效果。
當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。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一步提升，電壓特性更好，然后再與電池結合起來，會是個什么效果?