通过减速能量提高汽车燃效,利用新一代蓄电装置提高效率(下)

2012-12-29 14:32:58来源: 日经汽车技术

采用双电层电容器的马自达

       锂离子充电电池也有缺点,那就是不耐高温,因此不能设置在发动机舱内,Wagon R将其配置在了副驾驶席下方(图4)。不过,并没有影响乘坐空间,从第一代Wagon R开始一直未变的副驾驶席下方的储物空间仍与原来一样。

 
图4:锂离子充电电池配置在副驾驶席下方
锂离子充电电池不耐高温,无法配置在发动机舱内。

    用户比较关心的价格方面,新款Wagon R所有车型都标配了ENE-CHARGE,畅销车型“FX”的价格为110.985万日元,比老款FX高出3.885万日元。但新款Wagon R同等级别的车型与配备怠速停止机构的老款车型相比,反而要便宜5.775万日元。

       相对于要消除充放电电压不稳定等特性而采用锂离子充电电池的铃木,马自达的i-ELOOP比较重视充电电流量,因此采用了双电层电容器(图5)。


图5:马自达的减速能量再生系统“i-ELOOP”的部件配置
双电层电容器和可变电压式发电机位于发动机舱内,DC-DC转换器位于副驾驶席下方。

    该系统将再生能量存储在双电层电容器中用来驱动电器部件。据马自达介绍,发动机输出功率的约10%用于发电,如果能通过减速时的动能再生而停用发动机发电,应该可将燃效提高10%。这就是i-ELOOP的构思。

       虽然思路与铃木相同,但燃效的提高幅度比铃木大是因为考虑了JC08模式没考虑的空调及音响的耗电等。汽车消耗的电力量比预想要大,例如打开车灯、空调和雨刷的话,需要消耗约500W的电力。

       不过,即使想有效回收减速时的能量,但就像铃木的示例一样,由于铅蓄电池的电力接收性较低,也不能有效存储能量。对此,此次马自达采用的是名为双电层电容器的电容器,也就是双电层电容器。

       马自达的系统如图6所示,除电容器外,还包括可变电压式发电机和DC-DC转换器。可变电压式发电机随着电容器的充电,可将充电电压由12V最大提高至25V。电容器放电时,电压会从25V逐渐降低,然后通过DC-DC转换器固定为12V输出。电容器的电力可以直接用于电器部品,或临时存储在铅蓄电池中以后再使用。铅蓄电池基本只用于怠速停止后的发动机重启,因此可延长寿命。


图6:i-ELOOP系统的构成
利用可变电压式发电机发电的电力先存储在双电层电容器中,然后经由DC-DC转换器为铅蓄电池充电或驱动电器部品。电器部品的驱动主要使用电容器,铅蓄电池主要用于从怠速停止状态重启发动机。

    双电层电容器的蓄电原理如图7所示。具体为,在电解液中浸入活性炭电极并接通电流后,阳极吸引阴离子,而阴极吸引阳离子,使阴离子和阳离子分别在两个电极表面形成电荷层,电极之间的距离很小,只有零点几纳米。电荷层与电极之间形成一种电容器,称为双电层。通过在双电层中存储电荷来为双电层电容器蓄电。


图7:双电层电容器的蓄电原理
活性炭电极的阳极吸引阴离子,阴极吸引阳离子,电极间以非常短的距离(零点几纳米)排列。在离子和电极间会形成一种电容器,称为双电层。

    电容器的蓄电容量与电极面积成正比,与电极间的距离成反比。在活性炭这种表面积非常大的材料的表面整体形成电极间距非常小的电容器——这种双电层电容器与普通电容器相比,具备容量可以大幅提高的特点。

       另外,双电层电容器是物理存储电荷,因此不同于随着化学反应进行充放电的充电电池,即使反复进行充放电也不容易劣化,可以经受100万次以上的反复充放电。而且,其内部电阻可以控制在很低的水平,因此还能实现大电流的快速充放电。

       马自达将双电层电容器配置在左前轮的前方。如果采用锂离子充电电池的话,需要配备冷却扇和结实的电池盒等,应该无法配置在这个空间内。

  此次采用的双电层电容器是日本贵弥功“DLCAP”系列的新产品(图8)。关于采用该公司产品的理由,马自达提到了“安全性高”。开发双电层电容器的其他企业大多在电解液中使用乙腈,乙腈虽然电阻低,但温度升高后会产生有毒气体。而日本贵弥功采用耐热性高的碳酸丙烯酯(PC)作为双电层电容器的电解液,即使高温也难以产生有毒气体。因此安全性比较高。


图8:日本贵弥功制造的双电层电容器
配备了10个圆筒形电容器。

    但使用PC的话,内部电阻一般会增大。日本贵弥功此次在保持静电容量和电压不变的情况下,成功地将内部电阻降到了原产品的1/3,实现了“与使用乙腈的双电层电容器基本相同的电阻值”(日本贵弥功)。该公司没有公布详情,只介绍说,通过改进作为电极的活性炭之间的接触和集电极的构造等,降低了接触电阻和结电阻。另外,耐热性也由原产品的60 ℃提高到了70℃。

       马自达采用的双电层电容器的单元为直径40mm、高150mm的圆筒形,重约280g。串联10个单元形成一个模块,由此可以计算出每个单元的电压为2.5V。包括控制电路等在内的模块重量约为6kg。随着马自达的采用,日本贵弥功从2012年开始量产此次的开发品,包括已经生产的产品在内,该公司计划在2013年使产能达到2011年底的2.6倍,即确立48万单元/月的生产体制。

重视成本的日产

       综上所述,铃木重视成本,选择了无需可变电压式发电机和DC-DC转换器的锂离子充电电池,而马自达重视蓄电量,选择了需要可变电压式发电机和DC-DC转换器,会导致成本上升的双电层电容器。

       比这两家公司更重视成本,采用铅蓄电池存储减速能量的是日产汽车。该公司配备减速能量再生系统S-HYBRID的赛瑞纳,其JC08模式燃效为15.2km/L,比配备S-HYBRID前的14.6km/L提高了0.6km/L(约4%)。配备该功能的车型售价为238.455万日元起,与装备基本相同的原车型相比提高了5.355万日元。

       S-HYBRID是配备两块铅蓄电池的系统,在将法国法雷奥公司发电机的电流容量由原来的150A提高至200A(约提高30%)、增加了减速时的再生电力量的同时(图9),为了比以往存储更多的再生电力,又追加了一块铅蓄电池。该系统将2块电池并联,通过监控每块电池的充电状态来分配发电机的再生电力。


图9:“赛瑞纳”配备的“MR20DD”发动机
将发电机的电流容量由150A提高到了200A。

    未采取通过增加容量只利用一块电池的方式,而特意使用两块蓄电池是为了不使用DC-DC转换器。在介绍铃木的系统时提到过,从怠速停止状态重启发动机时,如果只有一块蓄电池,电压会降低,不采取措施的话,音响等就会停止工作。为了预防这种情况,最近采用怠速停止机构的车型大多配备了升压用DC-DC转换器。

       对此,此次的日产S-HYBRID采用2块电池,用主电池提供发动机启动电力,用辅助电池为电器部品供电,这样辅助电池的电压就不会降低,从而可以去掉DC-DC转换器,有助于削减成本。

       与以配备车辆的全面改进为契机实现实用化的铃木ENE-CHARGE以及马自达的i-ELOOP不同,日产的S-HYBRID是配备在已有车型上,因此存在布局上的问题。由于发电机的电流容量增加,外形尺寸变大,与散热器的冷却扇产生了干扰。因此,日产将原来的两个散热扇集成为一个高输出散热扇,避免了干扰(图10)。 


图10:减少一个散热扇扩大了发电机的尺寸
发电机前方(照片下侧)配置有散热器。以前在对角线上配置两个散热扇。

关键字:通过  减速  能量  提高

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/1229/article_6559.html
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