在汽車領(lǐng)域，將鋰離子充電電池和雙電層電容器等新一代蓄電裝置用于減速能量再生的做法越來越多。通過只在減速時(shí)用發(fā)電機(jī)發(fā)電，可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，將燃效提高5～10％。由于成本比混合動(dòng)力系統(tǒng)低，預(yù)計(jì)將在大量生產(chǎn)的車型中普及，該技術(shù)還有望降低蓄電裝置的成本。

為提高汽車的燃效，積極利用減速動(dòng)能的動(dòng)向日益鮮明（圖1）。比如，鈴木汽車公司在2012年9月上市的新款“Wagon R”中配備了采用鋰離子充電電池的車輛減速能量再生系統(tǒng)“ENE-CHARGE”；馬自達(dá)汽車公司在11月上市的新款“ATENZA”中配備了采用雙電層電容器的減速能量再生系統(tǒng)“i-ELOOP”；2012年8月進(jìn)行了部分改良的日產(chǎn)汽車公司“賽瑞納”也采用兩個(gè)鉛蓄電池，配備了將發(fā)電機(jī)再生的減速能量除發(fā)電外還用于輔助驅(qū)動(dòng)力的“S-HYBRID”功能。

圖1：配備減速能量再生專用蓄電裝置的最新車型 （a）鈴木的“Wagon R”，（b）馬自達(dá)的“ATENZA”，（c）日產(chǎn)汽車的“賽瑞納”。

此前，混合動(dòng)力車也一直在推進(jìn)再生能源的利用，但普通發(fā)動(dòng)機(jī)車中用來存儲(chǔ)再生能量的充電電池的容量有限，因此利用受到限制。而最近上市的新款車除了鉛蓄電池外還配備了再生能量專用蓄電裝置，能比以往存儲(chǔ)更多的再生能量。不過，三家公司對(duì)采用哪種蓄電裝置的意見截然不同。那么三家的策略究竟有哪些不同呢？

輕型乘用車采用鋰離子充電電池

鈴木的ENE-CHARGE作為對(duì)成本限制嚴(yán)格的輕型乘用車，采用了鋰離子充電電池這種新一代充電電池，受到了廣泛關(guān)注。

新款Wagon R除了標(biāo)配怠速停止機(jī)構(gòu)并減輕了車重外，還通過改良發(fā)動(dòng)機(jī)和CVT（無級(jí)變速箱）等，將JC08模式燃效由原來的21km/L提高至28.8km/L（在兩輪驅(qū)動(dòng)的同等級(jí)別中進(jìn)行比較），提高了37％。與原車型中帶怠速停止機(jī)構(gòu)的車型（22.8km/L）相比，也提高了約26％。據(jù)介紹，其中約5個(gè)百分點(diǎn)是ENE-CHARGE帶來的效果。

ENE-CHARGE的作用是，通過在車輛減速、停止供應(yīng)燃料時(shí)利用發(fā)電機(jī)集中發(fā)電，來最大限度降低普通行駛時(shí)的發(fā)電量，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高燃效。ENE-CHARGE采用東芝的鋰離子充電電池“SCiB”作為蓄電裝置（圖2）。

圖2：Wagon R配備的鋰離子充電電池 東芝制造的“SCiB”。串聯(lián)了5個(gè)2.4V的單元。

鈴木之所以采用鋰離子充電電池，是因?yàn)殂U蓄電池可容納的充電電流能量不夠大。鈴木電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)部第一課股長(zhǎng)片岡準(zhǔn)稱，鈴木此次計(jì)劃通過ENE-CHARGE，實(shí)現(xiàn)“在JC08模式下行駛時(shí)不使用燃料發(fā)電”。

具體目標(biāo)是，在JC08模式下行駛時(shí)，使怠速停止機(jī)構(gòu)、燃料泵、燃料噴射裝置等控制裝置以及怠速停止后向CVT（無級(jí)變速箱）供給油壓的電動(dòng)油泵等消耗的電力，全部通過JC08模式減速時(shí)所發(fā)的電力來供給。這些電力約為150kJ，只在減速時(shí)這一非常短的時(shí)間，利用鉛蓄電池是無法實(shí)現(xiàn)的。

為何不使用雙電層電容器？ 

作為可在短時(shí)間內(nèi)接收大電力的蓄電裝置，除了鋰離子充電電池外還有雙電層電容器。從大電力的接收性以及耐反復(fù)充放電的特性來看，雙電層電容器要更出色一些。

但鈴木卻選擇了鋰離子充電電池，這是因?yàn)殡p電層電容器存在電壓變動(dòng)大的難題。由于電容器是在兩個(gè)電極間物理存儲(chǔ)電荷，隨著充電的進(jìn)行，充電電壓會(huì)隨之上升，因此需要采用可變電壓式發(fā)電機(jī)。相反，放電時(shí)電壓下降，為了穩(wěn)定電壓，需要DC-DC轉(zhuǎn)換器。這都會(huì)導(dǎo)致成本上升。而鋰離子充電電池即使再充放電時(shí)，電壓也比較穩(wěn)定，不但不需要DC-DC轉(zhuǎn)換器，也不必采用可變電壓式發(fā)電機(jī)。

實(shí)際的ENE-CHARGE系統(tǒng)如圖3（a）所示，并聯(lián)了鋰離子充電電池和鉛蓄電池，發(fā)電機(jī)所發(fā)的電力除鋰離子充電電池外，還為鉛蓄電池充電。

圖3：鈴木的減速能量再生系統(tǒng)“ENE-CHARGE”的動(dòng)作 （a）減速時(shí)。停止供應(yīng)燃料時(shí)利用發(fā)電機(jī)發(fā)電。（b）行駛時(shí)盡量不利用發(fā)電機(jī)發(fā)電，將減速時(shí)再生的電力提供給電器部件。

不過，鉛蓄電池的電流容量為33Ah，而鋰離子充電電池的電流容量為3Ah，只有其1/10左右，但發(fā)電機(jī)所發(fā)的120A電流中，有約100A充到了鋰離子充電電池中，充到鉛蓄電池中的電流只有約20A。電池容量只有鉛蓄電池的1/10，卻能接收鉛蓄電池5倍的電流，這樣一計(jì)算，鋰離子充電電池的電流容量是鉛蓄電池的50倍。

輕型乘用車發(fā)電機(jī)的發(fā)電量一般為60～70A左右，此次鈴木將其約提高了1倍，但外形尺寸與原來基本相同。隨著發(fā)電能力的提高還增加了發(fā)電機(jī)等輔機(jī)的驅(qū)動(dòng)皮帶寬度，提高了傳動(dòng)扭矩。

鉛蓄電池用來驅(qū)動(dòng)前燈、空調(diào)、啟動(dòng)馬達(dá)及除霧器等，而鋰離子充電電池除了上面提到的發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的電器部品外，還為音響、儀表及剎車燈等供電〔圖3（b）〕。

區(qū)分使用二者的理由是防止電壓降低。如果是僅使用普通鉛蓄電池的怠速停止機(jī)構(gòu)，重啟發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)蓄電池的電壓會(huì)降低，因此音響等會(huì)暫停工作。

怠速停止后每次重啟發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)音響都暫停會(huì)令乘客不愉快，因此一般的怠速停止機(jī)構(gòu)都帶DC-DC轉(zhuǎn)換器，通過為蓄電池升壓來防止音響等暫停。而ENE-CHARGE利用鉛蓄電池重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，利用鋰離子充電電池為音響供電，鋰離子充電電池的電壓不會(huì)下降，這樣就省去了DC-DC轉(zhuǎn)換器。

馬自達(dá)采用雙電層電容器

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，并沒有影響乘坐空間，從第一代Wagon R開始一直未變的副駕駛席下方的儲(chǔ)物空間仍與原來一樣。

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，無法配置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。

用戶比較關(guān)心的價(jià)格方面，新款Wagon R所有車型都標(biāo)配了ENE-CHARGE，暢銷車型“FX”的價(jià)格為110.985萬日元，比老款FX高出3.885萬日元。但新款Wagon R同等級(jí)別的車型與配備怠速停止機(jī)構(gòu)的老款車型相比，反而要便宜5.775萬日元。

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。汽車消耗的電力量比預(yù)想要大，例如打開車燈、空調(diào)和雨刷，則需要消耗約500W的電力。

不過，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。可變電壓式發(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，稱為雙電層。通過在雙電層中存儲(chǔ)電荷來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，需要配備冷卻扇和結(jié)實(shí)的電池盒等，應(yīng)該無法配置在這個(gè)空間內(nèi)。

此次采用的雙電層電容器是日本貴彌功公司“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：貴彌功制造的雙電層電容器 配備了10個(gè)圓筒形電容器。

如果但使用PC，內(nèi)部電阻一般會(huì)增大。貴彌功稱，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”。該公司沒有公布詳情，只介紹說，通過改進(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，貴彌功從2012年開始量產(chǎn)此次的開發(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48萬單元/月的生產(chǎn)體制。

日產(chǎn)重視成本

綜上所述，鈴木重視成本，選擇了無需可變電壓式發(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。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％）。配備該功能的車型售價(jià)為238.455萬日元起，與裝備基本相同的原車型相比提高了5.355萬日元。

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)，通過監(jiān)控每塊電池的充電狀態(tài)來分配發(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，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，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。

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)角線上配置兩個(gè)散熱扇。

與以配備車輛的全面改進(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是配備在已有車型上，因此存在布局上的問題。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）。 （日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）