善用減速能量提高汽車燃效，以新一代蓄電裝置提高效率

在汽車領域，將鋰離子充電電池和雙電層電容器等新一代蓄電裝置用於減速能量再生的做法越來越多。通過隻在減速時用發電機發電，可以減輕發動機的負擔，將燃效提高5∼10％。由於成本比混合動力系統低，預計將在大量生產的車型中普及，該技術還有望降低蓄電裝置的成本。

為提高汽車的燃效，積極利用減速動能的動向日益鮮明（圖1）。比如，鈴木汽車公司在2012年9月上市的新款“Wagon R”中配備了採用鋰離子充電電池的車輛減速能量再生系統“ENE-CHARGE”﹔馬自達汽車公司在11月上市的新款“ATENZA”中配備了採用雙電層電容器的減速能量再生系統“i-ELOOP”﹔2012年8月進行了部分改良的日產汽車公司“賽瑞納”也採用兩個鉛蓄電池，配備了將發電機再生的減速能量除發電外還用於輔助驅動力的“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）馬自達的“ATENZA”，（c）日產汽車的“賽瑞納”。

此前，混合動力車也一直在推進再生能源的利用，但普通發動機車中用來存儲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，能比以往存儲更多的再生能量。不過，三家公司對採用哪種蓄電裝置的意見截然不同。那麼三家的策略究竟有哪些不同呢？

輕型乘用車採用鋰離子充電電池

鈴木的ENE-CHARGE作為對成本限制嚴格的輕型乘用車，採用了鋰離子充電電池這種新一代充電電池，受到了廣泛關注。

新款Wagon R除了標配怠速停止機構並減輕了車重外，還通過改良發動機和CVT（無級變速箱）等，將JC08模式燃效由原來的21km/L提高至28.8km/L（在兩輪驅動的同等級別中進行比較），提高了37％。與原車型中帶怠速停止機構的車型（22.8km/L）相比，也提高了約26％。據介紹，其中約5個百分點是ENE-CHARGE帶來的效果。

ENE-CHARGE的作用是，通過在車輛減速、停止供應燃料時利用發電機集中發電，來最大限度降低普通行駛時的發電量，以減輕發動機的負擔，提高燃效。ENE-CHARGE採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”。串聯了5個2.4V的單元。

鈴木之所以採用鋰離子充電電池，是因為鉛蓄電池可容納的充電電流能量不夠大。鈴木電動汽車設計部第一課股長片岡准稱，鈴木此次計劃通過ENE-CHARGE，實現“在JC08模式下行駛時不使用燃料發電”。

具體目標是，在JC08模式下行駛時，使怠速停止機構、燃料泵、燃料噴射裝置等控制裝置以及怠速停止后向CVT（無級變速箱）供給油壓的電動油泵等消耗的電力，全部通過JC08模式減速時所發的電力來供給。這些電力約為150kJ，隻在減速時這一非常短的時間，利用鉛蓄電池是無法實現的。

為何不使用雙電層電容器？ 

作為可在短時間內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，這是因為雙電層電容器存在電壓變動大的難題。由於電容器是在兩個電極間物理存儲電荷，隨著充電的進行，充電電壓會隨之上升，因此需要採用可變電壓式發電機。相反，放電時電壓下降，為了穩定電壓，需要DC-DC轉換器。這都會導致成本上升。而鋰離子充電電池即使再充放電時，電壓也比較穩定，不但不需要DC-DC轉換器，也不必採用可變電壓式發電機。

實際的ENE-CHARGE系統如圖3（a）所示，並聯了鋰離子充電電池和鉛蓄電池，發電機所發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“ENE-CHARGE”的動作 （a）減速時。停止供應燃料時利用發電機發電。（b）行駛時盡量不利用發電機發電，將減速時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，隻有其1/10左右，但發電機所發的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隻有約20A。電池容量隻有鉛蓄電池的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。

輕型乘用車發電機的發電量一般為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。隨著發電能力的提高還增加了發電機等輔機的驅動皮帶寬度，提高了傳動扭矩。

鉛蓄電池用來驅動前燈、空調、啟動馬達及除霧器等，而鋰離子充電電池除了上面提到的發動機周圍的電器部品外，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構，重啟發動機時蓄電池的電壓會降低，因此音響等會暫停工作。

怠速停止后每次重啟發動機時音響都暫停會令乘客不愉快，因此一般的怠速停止機構都帶DC-DC轉換器，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動機，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下降，這樣就省去了DC-DC轉換器。

馬自達採用雙電層電容器

鋰離子充電電池也有缺點，那就是不耐高溫，因此不能設置在發動機艙內，Wagon R將其配置在了副駕駛席下方（圖4）。不過，並沒有影響乘坐空間，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，無法配置在發動機艙內。

用戶比較關心的價格方面，新款Wagon R所有車型都標配了ENE-CHARGE，暢銷車型“FX”的價格為110.985萬日元，比老款FX高出3.885萬日元。但新款Wagon R同等級別的車型與配備怠速停止機構的老款車型相比，反而要便宜5.775萬日元。

相對於要消除充放電電壓不穩定等特性而採用鋰離子充電電池的鈴木，馬自達的i-ELOOP比較重視充電電流量，因此採用了雙電層電容器（圖5）。

圖5：馬自達的減速能量再生系統“i-ELOOP”的部件配置 雙電層電容器和可變電壓式發電機位於發動機艙內，DC-DC轉換器位於副駕駛席下方。

該系統將再生能量存儲在雙電層電容器中用來驅動電器部件。據馬自達介紹，發動機輸出功率的約10％用於發電，如果能通過減速時的動能再生而停用發動機發電，應該可將燃效提高10％。這就是i-ELOOP的構思。

雖然思路與鈴木相同，但燃效的提高幅度比鈴木大是因為考慮了JC08模式沒考慮的空調及音響的耗電等。汽車消耗的電力量比預想要大，例如打開車燈、空調和雨刷，則需要消耗約500W的電力。

不過，即使想有效回收減速時的能量，但就像鈴木的示例一樣，由於鉛蓄電池的電力接收性較低，也不能有效存儲能量。對此，此次馬自達採用的是雙電層電容器。

馬自達的系統如圖6所示，除電容器外，還包括可變電壓式發電機和DC-DC轉換器。可變電壓式發電機隨著電容器的充電，可將充電電壓由12V最大提高至25V。電容器放電時，電壓會從25V逐漸降低，然后通過DC-DC轉換器固定為12V輸出。電容器的電力可以直接用於電器部品，或臨時存儲在鉛蓄電池中以后再使用。鉛蓄電池基本隻用於怠速停止后的發動機重啟，因此可延長壽命。

圖6：i-ELOOP系統的構成 利用可變電壓式發電機發電的電力先存儲在雙電層電容器中，然后經由DC-DC轉換器為鉛蓄電池充電或驅動電器部品。電器部品的驅動主要使用電容器，鉛蓄電池主要用於從怠速停止狀態重啟發動機。

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並接通電流后，陽極吸引陰離子，而陰極吸引陽離子，使陰離子和陽離子分別在兩個電極表面形成電荷層，電極之間的距離很小，隻有零點幾納米。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 活性炭電極的陽極吸引陰離子，陰極吸引陽離子，電極間以非常短的距離（零點幾納米）排列。在離子和電極間會形成一種電容器，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。

另外，雙電層電容器是物理存儲電荷，因此不同於隨著化學反應進行充放電的充電電池，即使反復進行充放電也不容易劣化，可以經受100萬次以上的反復充放電。而且，其內部電阻可以控制在很低的水平，因此還能實現大電流的快速充放電。

馬自達將雙電層電容器配置在左前輪的前方。如果採用鋰離子充電電池，需要配備冷卻扇和結實的電池盒等，應該無法配置在這個空間內。

此次採用的雙電層電容器是日本貴彌功公司“DLCAP”系列的新產品（圖8）。關於採用該公司產品的理由，馬自達提到了“安全性高”。開發雙電層電容器的其他企業大多在電解液中使用乙?，乙?雖然電阻低，但溫度升高后會產生有毒氣體。而貴彌功採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個圓筒形電容器。

如果但使用PC，內部電阻一般會增大。貴彌功稱，此次在保持靜電容量和電壓不變的情況下，成功地將內部電阻降到了原產品的1/3，實現了“與使用乙?的雙電層電容器基本相同的電阻值”。該公司沒有公布詳情，隻介紹說，通過改進作為電極的活性炭之間的接觸和集電極的構造等，降低了接觸電阻和結電阻。另外，耐熱性也由原產品的60 ℃提高到了70℃。

馬自達採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10個單元形成一個模塊，由此可以計算出每個單元的電壓為2.5V。包括控制電路等在內的模塊重量約為6kg。隨著馬自達的採用，貴彌功從2012年開始量產此次的開發品，包括已經生產的產品在內，該公司計劃在2013年使產能達到2011年底的2.6倍，即確立48萬單元/月的生產體制。

日產重視成本

綜上所述，鈴木重視成本，選擇了無需可變電壓式發電機和DC-DC轉換器的鋰離子充電電池，而馬自達重視蓄電量，選擇了需要可變電壓式發電機和DC-DC轉換器，會導致成本上升的雙電層電容器。

比這兩家公司更重視成本，採用鉛蓄電池存儲減速能量的是日產汽車。該公司配備減速能量再生系統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，在將法國法雷奧公司發電機的電流容量由原來的150A提高至200A（約提高30％）、增加了減速時的再生電力量的同時（圖9），為了比以往存儲更多的再生電力，又追加了一塊鉛蓄電池。該系統將2塊電池並聯，通過監控每塊電池的充電狀態來分配發電機的再生電力。

圖9：“賽瑞納”配備的“MR20DD”發動機 將發電機的電流容量由150A提高到了200A。

未採取通過增加容量隻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轉換器。在介紹鈴木的系統時提到過，從怠速停止狀態重啟發動機時，如果隻有一塊蓄電池，電壓會降低，不採取措施的話，音響等就會停止工作。為了預防這種情況，最近採用怠速停止機構的車型大多配備了升壓用DC-DC轉換器。

對此，此次的日產S-HYBRID採用2塊電池，用主電池提供發動機啟動電力，用輔助電池為電器部品供電，這樣輔助電池的電壓就不會降低，從而可以去掉DC-DC轉換器，有助於削減成本。

圖10：減少一個散熱扇擴大了發電機的尺寸 發電機前方（照片下側）配置有散熱器。以前在對角線上配置兩個散熱扇。

與以配備車輛的全面改進為契機實現實用化的鈴木ENE-CHARGE以及馬自達的i-ELOOP不同，日產的S-HYBRID是配備在已有車型上，因此存在布局上的問題。由於發電機的電流容量增加，外形尺寸變大，與散熱器的冷卻扇產生了干擾。因此，日產將原來的兩個散熱扇集成為一個高輸出散熱扇，避免了干擾（圖10）。 （日經技術在線！ 供稿）