储能电池变电容 从马自达阿特兹看超级电容在汽车上的应用

车云网 综合报道

阿特兹在同级车里算得上是个“技术控”了。除了那个让人耳朵起茧的创驰蓝天以外,它的i-stop和i-ELOOP也都算是不错的“发明创造”。有人说了,那不就是自动启停和制动能量回收吗?是,也不全是。例如i-stop的点火式启动就很有创意。而在这里我们真正想说的是它的i-ELOOP。它与目前主流的制动能量回收系统有一个非常大的不同,在于储能装置由电池变成了电容。

电池储能有啥不好的?

目前主流的能量回收系统工作原理大同小异。我们知道,正常情况下,发电机是跟随发动机一起工作的,并在发动机正常运转时为整车电气系统提供电能,以及为蓄电池充电。所有这些能量,均源自发动机的正常工作,成为发动机的负荷之一,从而增加能耗。制动能量回收系统,是通过发电机的逆变原理,搜集车辆无需动力输出时(例如收油滑行、制动等时候)的剩余能量,达到节省能耗的目的。

具体到工作方式。正常行驶时发电机不再工作,即不成为发动机的负载。电气系统由蓄电池供电。在收油滑行及踩下制动踏板工况出现时,发电机逆变发电,既有效利用滑行惯性,又能起到制动效果,一举两得。这种剩余能量转换成电能后存储在蓄电池中,供加速时为整车提供电能使用。如此一来,理论上可以做到发动机无需再主动为发电机提供能量,整车电气系统的能量全部来源于剩余能量的回收。不仅起到了节能的效果,而且还能在加速时减小发动机负荷,提升动力性。

然而,这个看上去很美的过程有两个问题:

1.制动能量回收,能够产生的电能其实是很大的(这个通过直观理解就不难判断),而电池充电却需要时间。此时瞬间产生的大量电能,只能有很小一部分能够“充进电池里”,其他仍然白白浪费掉了。以至于虽然制动能量远大于需要充电的能量,但仍有可能导致电池亏电。此时系统就不得不仍旧在加油状态下启动发电机,从而增加能耗。

2.铅蓄电池是在频繁充放电的过程中是会“折寿”的,因此这种能量回收系统会缩短蓄电池的使用时间,或者增加蓄电池的更换成本(为了延长使用时间而选用性能更好的蓄电池)。这些额外的开销,都与节能=省钱的初衷相违背。

超级电容是个什么东西?

阿特兹的i-ELOOP对应的储能装置不是电池,而是双层电容。双层电容是超级电容的一种。马自达为何用它,为何之前车子上没见过这玩意?

电容的优点是什么?

首先是充电速度超快,别管多大容量,只要电流够,一两秒搞定没问题。打个比方,如果手机电池换成电容,每天在充电器上插几秒钟就充满,这是什么感觉?其次是耐充,几十万次没问题,而且能量不衰减。几十万次什么概念?按照平均水平一天冲放电20次,能用50年以上!第三是放电速度极快,或者说能够承载的功率高,这也是电池所不能比的。第四,效率高。由于是物理变化,它的能量转换效率远非化学变化的电池可比。

看起来十分完美对吗?但普通的电容有个致命缺点:容量极小。这从它常用的单位微法就能看出来。1微法只有1法拉的百万分之一。而1法拉有多少电?0.638毫安时而已。我们常见的五号充电电池多少毫安时?2500毫安时不算高的。折算一下,相当于一个五号充电电池的电能,与40万个一万微法的电容相当。这样的电容显然不能为车辆储能。

超级电容与普通电容截然不同,它通过极化电解质来实现储能,但同时与电容一样属于物理变化而非电池那样的化学变化。这个有趣的原理,使得它的特性介于电容和电池之间,或者说集合了二者的优点。它在充放电速度、耐冲性和放电特性上与电容完全一样,同时容量却有了质的提升。以目前研发的情况看,其比能量已能达到铅蓄电池的水平。

这样一来,超级电容就有具备了被应用在车用储能上的可能。结合阿特兹的i-ELOOP,我们不妨具体看看它的优势所在。

在收油或踩刹车的过程中,特制的发电机可以产生足够大的电能在几秒钟之内就将这个超级电容充满。然后在加速过程中,发电机不工作,超级电容为所有的电气系统提供电能。如果超级电容用完了还没有充电机会(例如一直加油),蓄电池还能协同工作。然后只要又一次几秒钟的收油机会,超级电容又会立刻“吃饱”。此时它除了给电气系统供电以外,还能慢慢释放电能为蓄电池充电。如此二者协调搭配,可以做到完全无需用发动机正常工作的能量来发电,实现最理想的能量回收。从官方说法来看,这套系统能实现10%的油耗降低。而宝马对于其制动能量回收系统给出的数据是3%。虽然有标准差异,但也折射出两种技术的节能率是不一样的。

或许有人问:既然超级电容比能量接近蓄电池,而且有这么神,为何还要蓄电池,岂不多此一举?这就不得不提到超级电容的缺点——自放电速度比电池快得多,通俗的说就是“存不住电”。如果不用蓄电池,只怕车停个几天就打不着火了。

超级电容的特性完全适用于混合动力

充电快、耐充电、能量转换效率高,同时存在高自放电的特性,这种储能装置更适合谁?没错,就是混合动力。目前混合动力技术的电池部分,其实也存在着类似的问题。即便像普锐斯这样的高手,其吸收制动能量的比例仍然是很低的。大量的能量还是被转换成热能白白丧失掉了。而像阿特兹这种,由于回收的能量只是提供电气系统所用,其回收率同样很低。如果混动车型采用更大容量的超级电容来实现对制动能量的回收,其节能效果将非常可观。与此同时,买车者也不必为昂贵的电池寿命有所忧虑。

之所以这种储能装置在汽车上迟迟未能应用,主要还是源于其几项缺点。一个是安全性,过快的放电速度和过低的内阻,如果设计不好的话,本身就蕴含着“能量突然大爆发”所隐藏的风险。二是较低的工作电压,制约了它在驱动汽车上的应用。不过这些都不是死穴。随着技术的进步,这些问题都可以解决。毕竟它的优势实在是太诱人了。事实上,丰田已经研发出了采用超级电容的混动车型,其核心诉求是节能、节能、再节能。而宝马与丰田联合研发的超级电容混动超跑,则看重了它的高放电速度——可以尽情地为其配备高功率电机,其瞬间迸发的能量,可以达到类似“氮气加速”的神奇效果。

当我们将目光总盯在锂电池的时候,超级电容这个优秀的储能装置却一直被人所忽略。事实上它不光适合于以上所说的这些技术。发散一下思维,未来它变成了纯电动车的解决之道也说不定。虽然以目前看,其高自放电特性的确不适用于纯电动车,但别忘了它的超快充电特性——充电时间可能比加油时间还要短,而且没有寿命问题。如果未来它的比能量进一步提升,电压特性更好,然后再与电池结合起来,会是个什么效果?

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