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

這些動力系統(tǒng)在整個汽車工業(yè)之所以受到歡迎，是因為它們提高了燃油效率，降低了有害排放。ISE公司專長于生產(chǎn)串聯(lián)混合電力動力系統(tǒng)，其中的引擎完全與動力傳動系統(tǒng)脫離，且僅僅被用于產(chǎn)生電力。

圖1

該類型混合架構(gòu)對于執(zhí)行大量“停走”驅(qū)動的大型車輛特別有吸引力，如市內(nèi)運輸公交車和貨運卡車。傳統(tǒng)的公交車和卡車的效率很低，產(chǎn)生高度有害的排放，因為它們碩大的引擎(通常是柴油機)持續(xù)不斷地給車輛加速和減速--這是一種效率最低的產(chǎn)生動力的方式。

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

面臨的問題

ISE的混合電動車(HEV)技術(shù)的目標(biāo)是利用燃料驅(qū)動引擎、電力電機驅(qū)動和能量儲存組件的最佳特性。他們的混合架構(gòu)設(shè)計采用了擔(dān)當(dāng)主動力源的內(nèi)燃機，以及一個擔(dān)當(dāng)二次動力源的、具有電力儲存系統(tǒng)的電機。設(shè)計工程師能夠?qū)?nèi)燃機的規(guī)格設(shè)計為滿足巡航動力的要求，因為二次動力源要滿足加速對峰值動力需求。此外，再生制動能量被二次動力系統(tǒng)所捕獲。該能量被用于進(jìn)一步的加速或滿足附屬電器系統(tǒng)的基本能量需求。

存在的缺點

僅僅采用電池提供電力儲存的標(biāo)準(zhǔn)混合動力設(shè)計存在缺陷。這些不足之處很多，它們給汽車設(shè)計工程師帶來了許多設(shè)計挑戰(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)致貫穿車輛生命期內(nèi)高昂的換電池成本。

由于要購買和安裝新電池，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題。所有這些問題都增加了基于電池的系統(tǒng)的成本，更不用說車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)時間事件(諸如加速和剎車)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力系統(tǒng)設(shè)計的效率。因為大多數(shù)城市公交車都工作在不變的制動-加速模式，捕獲和再生剎車能量的能力就成為了ISE設(shè)計的中心。

在實現(xiàn)高效率公交車和卡車系統(tǒng)設(shè)計目標(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)的低效率問題的同時，提供滿足人們期望的牢靠、全天侯、走走停停的運輸能力。為了給市場帶來真實的可選替代方案，ISE需要設(shè)計一種電力和儲存系統(tǒng)，以克服混合電力電池及傳統(tǒng)卡車和公交車的局限性。

解決方案

為了尋求解決方案，ISE要求Maxwell Technologies幫助開發(fā)超級電容解決方案。緊湊、高性能、長壽命的超級電容器實現(xiàn)了許多電池的功能，但是可靠性更高、儲存功能更先進(jìn)、整體性能更佳。超級電容補足了電池的性能或完全替代電池。

與電池動力相比，Maxwell的超級電容(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：對于公交運輸車，超級電容是一種安全的解決方案，作為一個包，一夜之間就可以放電完畢。

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

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

環(huán)保：超級電容環(huán)保，因為它們除了重金屬70%可以再生利用。

輸出功率大：電源輸出是電池的10倍，在車輛加速時這是一個特別重要的屬性。

架構(gòu)好：超級電容能夠有效地捕獲一種剎車的能量，并將其儲存以滿足下一次加速對能量的需求。

圖2

下表是ISE開發(fā)的專用、加熱電池解決方案(ZEBRA)及其專有的Thunderpack II(上圖)超級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，而超級電容具有高功率的能力。在優(yōu)化的混合儲存系統(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。

ISE公司新業(yè)務(wù)經(jīng)理Tom Bartley說：“由于其優(yōu)異的功率特性，超級電容就是ISE動力系統(tǒng)設(shè)計的實質(zhì)。超級電容提高了性能、可靠性和車載能量儲存裝置的耐久力，公交車配備它之后，對加速環(huán)保運輸工具的社會影響和生存發(fā)展有著重要的作用。”

本文小結(jié)

自從2003年實現(xiàn)成功測試以來，ISE已經(jīng)將Maxwell的超級電容整合到汽油、柴油和燃料電池混合動力車之中。特別需要說明的是，自從開發(fā)Thundercap II超級電容系統(tǒng)，ISE已經(jīng)將其動力系統(tǒng)引入到汽-電混合動力車、柴-電混合動力車、氫-電混合動力車和燃料電池混合動力車的設(shè)計之中。清潔運行、安靜、低維護(hù)要求的車輛已經(jīng)走上了一些美國的城市，包括Long Beach和Sacramento CA。ISE已經(jīng)與西門子及Flyer公司結(jié)成伙伴關(guān)系，共同生產(chǎn)這些混合動力車。

Bartley補充說，去年已經(jīng)有102輛混合動力車投入使用，今年還要增加60輛，預(yù)計2007年將交付使用100到200臺。目前，在ISE的混合動力和燃料電池公交車上，有3萬多超級電容器在工作，提供超過7500萬法拉的電力驅(qū)動和再生剎車功率。早在2006年初，Bartley就估計超級電容供電的公交車隊已經(jīng)提供了超過200萬英里的清潔、可靠的服務(wù)，為我們的星球提供了清潔的運輸服務(wù)。