天然資源的枯竭、空氣污染、交通堵塞和礦物燃料價(jià)格的上漲等等問(wèn)題，迫使社會(huì)和個(gè)人尋求替代運(yùn)輸工具。這當(dāng)中就有用于公交車(chē)和卡車(chē)的混合電力、氫氣和基于燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)，例如ISE(San Diego, CA)從1996年以來(lái)所生產(chǎn)的那些。

這些動(dòng)力系統(tǒng)在整個(gè)汽車(chē)工業(yè)之所以受到歡迎，是因?yàn)樗鼈兲岣吡巳加托?，降低了有害排放。ISE公司專(zhuān)長(zhǎng)于生產(chǎn)串聯(lián)混合電力動(dòng)力系統(tǒng)，其中的引擎完全與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)脫離，且僅僅被用于產(chǎn)生電力。

圖1

該類(lèi)型混合架構(gòu)對(duì)于執(zhí)行大量“停走”驅(qū)動(dòng)的大型車(chē)輛特別有吸引力，如市內(nèi)運(yùn)輸公交車(chē)和貨運(yùn)卡車(chē)。傳統(tǒng)的公交車(chē)和卡車(chē)的效率很低，產(chǎn)生高度有害的排放，因?yàn)樗鼈兇T大的引擎(通常是柴油機(jī))持續(xù)不斷地給車(chē)輛加速和減速--這是一種效率最低的產(chǎn)生動(dòng)力的方式。

在ISE的串聯(lián)混合系統(tǒng)中，較小的引擎與發(fā)電機(jī)緊密配合，在恒定、有效的速度和功率輸出級(jí)上工作。當(dāng)車(chē)輛動(dòng)力暫時(shí)需要增加的時(shí)候，如加速期間或爬山時(shí)，要從車(chē)上由電池和超級(jí)電容組成的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)吸取電力。當(dāng)車(chē)輛的動(dòng)力需求較低時(shí)，該能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)被充電。這樣不僅僅能量效率增加了，而且車(chē)輛能夠通過(guò)再生制動(dòng)(regenerative braking)在它減速時(shí)重新回收(加速時(shí)付出的)能量。

面臨的問(wèn)題

ISE的混合電動(dòng)車(chē)(HEV)技術(shù)的目標(biāo)是利用燃料驅(qū)動(dòng)引擎、電力電機(jī)驅(qū)動(dòng)和能量?jī)?chǔ)存組件的最佳特性。他們的混合架構(gòu)設(shè)計(jì)采用了擔(dān)當(dāng)主動(dòng)力源的內(nèi)燃機(jī)，以及一個(gè)擔(dān)當(dāng)二次動(dòng)力源的、具有電力儲(chǔ)存系統(tǒng)的電機(jī)。設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)?nèi)燃機(jī)的規(guī)格設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足巡航動(dòng)力的要求，因?yàn)槎蝿?dòng)力源要滿(mǎn)足加速對(duì)峰值動(dòng)力需求。此外，再生制動(dòng)能量被二次動(dòng)力系統(tǒng)所捕獲。該能量被用于進(jìn)一步的加速或滿(mǎn)足附屬電器系統(tǒng)的基本能量需求。

存在的缺點(diǎn)

僅僅采用電池提供電力儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)混合動(dòng)力設(shè)計(jì)存在缺陷。這些不足之處很多，它們給汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先，電池要在低溫正常工作存在困難；其次，電池需要非常復(fù)雜精密的電荷均衡管理技術(shù)；第三，電池在極端條件下的壽命大為縮短，從而導(dǎo)致貫穿車(chē)輛生命期內(nèi)高昂的換電池成本。

由于要購(gòu)買(mǎi)和安裝新電池，舊電池就不得不拆除并處置掉。除非制造商已有電池回收設(shè)施，否則電池的處置可能成為問(wèn)題。所有這些問(wèn)題都增加了基于電池的系統(tǒng)的成本，更不用說(shuō)車(chē)輛停工期造成的損失。

或許最重要的是：電池捕獲和再生能量、或短持續(xù)時(shí)間事件(諸如加速和剎車(chē))期間提供突發(fā)大功率的能力有限。這種高功率局限性降低了混合電力動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。因?yàn)榇蠖鄶?shù)城市公交車(chē)都工作在不變的制動(dòng)-加速模式，捕獲和再生剎車(chē)能量的能力就成為了ISE設(shè)計(jì)的中心。

在實(shí)現(xiàn)高效率公交車(chē)和卡車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的征程中，電池限制因素是ISE工程師面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，他們要在克服傳統(tǒng)的低效率問(wèn)題的同時(shí)，提供滿(mǎn)足人們期望的牢靠、全天侯、走走停停的運(yùn)輸能力。為了給市場(chǎng)帶來(lái)真實(shí)的可選替代方案，ISE需要設(shè)計(jì)一種電力和儲(chǔ)存系統(tǒng)，以克服混合電力電池及傳統(tǒng)卡車(chē)和公交車(chē)的局限性。

解決方案

為了尋求解決方案，ISE要求Maxwell Technologies幫助開(kāi)發(fā)超級(jí)電容解決方案。緊湊、高性能、長(zhǎng)壽命的超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)了許多電池的功能，但是可靠性更高、儲(chǔ)存功能更先進(jìn)、整體性能更佳。超級(jí)電容補(bǔ)足了電池的性能或完全替代電池。

與電池動(dòng)力相比，Maxwell的超級(jí)電容(BOOSTCAP)提供的好處包括：

低溫性能：容許在零下40度工作；而電池在零度以下未經(jīng)加熱就不能可靠工作。

安全性：對(duì)于公交運(yùn)輸車(chē)，超級(jí)電容是一種安全的解決方案，作為一個(gè)包，一夜之間就可以放電完畢。

壽命長(zhǎng)：超級(jí)電容本質(zhì)上壽命與它們所裝入的設(shè)備一樣長(zhǎng)，低維護(hù)需求節(jié)省了成本。

效率高：效率高達(dá)85-95%，而電池在類(lèi)似應(yīng)用中只有70%甚至更低(ISE測(cè)量的結(jié)果)。

環(huán)保：超級(jí)電容環(huán)保，因?yàn)樗鼈兂酥亟饘?0%可以再生利用。

輸出功率大：電源輸出是電池的10倍，在車(chē)輛加速時(shí)這是一個(gè)特別重要的屬性。

架構(gòu)好：超級(jí)電容能夠有效地捕獲一種剎車(chē)的能量，并將其儲(chǔ)存以滿(mǎn)足下一次加速對(duì)能量的需求。

圖2

下表是ISE開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用、加熱電池解決方案(ZEBRA)及其專(zhuān)有的Thunderpack II(上圖)超級(jí)電容解決方案的比較。

圖表

兩種方案的最佳之處

從該表格可以清楚地看到，電池具有高能量的能力，而超級(jí)電容具有高功率的能力。在優(yōu)化的混合儲(chǔ)存系統(tǒng)中，兩技術(shù)的結(jié)合最大限度地發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢(shì)。

ISE公司新業(yè)務(wù)經(jīng)理Tom Bartley說(shuō)：“由于其優(yōu)異的功率特性，超級(jí)電容就是ISE動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)。超級(jí)電容提高了性能、可靠性和車(chē)載能量?jī)?chǔ)存裝置的耐久力，公交車(chē)配備它之后，對(duì)加速環(huán)保運(yùn)輸工具的社會(huì)影響和生存發(fā)展有著重要的作用。”

本文小結(jié)

自從2003年實(shí)現(xiàn)成功測(cè)試以來(lái)，ISE已經(jīng)將Maxwell的超級(jí)電容整合到汽油、柴油和燃料電池混合動(dòng)力車(chē)之中。特別需要說(shuō)明的是，自從開(kāi)發(fā)Thundercap II超級(jí)電容系統(tǒng)，ISE已經(jīng)將其動(dòng)力系統(tǒng)引入到汽-電混合動(dòng)力車(chē)、柴-電混合動(dòng)力車(chē)、氫-電混合動(dòng)力車(chē)和燃料電池混合動(dòng)力車(chē)的設(shè)計(jì)之中。清潔運(yùn)行、安靜、低維護(hù)要求的車(chē)輛已經(jīng)走上了一些美國(guó)的城市，包括Long Beach和Sacramento CA。ISE已經(jīng)與西門(mén)子及Flyer公司結(jié)成伙伴關(guān)系，共同生產(chǎn)這些混合動(dòng)力車(chē)。

Bartley補(bǔ)充說(shuō)，去年已經(jīng)有102輛混合動(dòng)力車(chē)投入使用，今年還要增加60輛，預(yù)計(jì)2007年將交付使用100到200臺(tái)。目前，在ISE的混合動(dòng)力和燃料電池公交車(chē)上，有3萬(wàn)多超級(jí)電容器在工作，提供超過(guò)7500萬(wàn)法拉的電力驅(qū)動(dòng)和再生剎車(chē)功率。早在2006年初，Bartley就估計(jì)超級(jí)電容供電的公交車(chē)隊(duì)已經(jīng)提供了超過(guò)200萬(wàn)英里的清潔、可靠的服務(wù)，為我們的星球提供了清潔的運(yùn)輸服務(wù)。