善用减速能量提高汽车燃效，以新一代蓄电装置提高效率

在汽车领域，将锂离子充电电池和双电层电容器等新一代蓄电装置用于减速能量再生的做法越来越多。通过只在减速时用发电机发电，可以减轻发动机的负担，将燃效提高5～10％。由于成本比混合动力系统低，预计将在大量生产的车型中普及，该技术还有望降低蓄电装置的成本。

为提高汽车的燃效，积极利用减速动能的动向日益鲜明（图1）。比如，铃木汽车公司在2012年9月上市的新款“Wagon R”中配备了采用锂离子充电电池的车辆减速能量再生系统“ENE-CHARGE”；马自达汽车公司在11月上市的新款“ATENZA”中配备了采用双电层电容器的减速能量再生系统“i-ELOOP”；2012年8月进行了部分改良的日产汽车公司“赛瑞纳”也采用两个铅蓄电池，配备了将发电机再生的减速能量除发电外还用于辅助驱动力的“S-HYBRID”功能。

图1：配备减速能量再生专用蓄电装置的最新车型 （a）铃木的“Wagon R”，（b）马自达的“ATENZA”，（c）日产汽车的“赛瑞纳”。

此前，混合动力车也一直在推进再生能源的利用，但普通发动机车中用来存储再生能量的充电电池的容量有限，因此利用受到限制。而最近上市的新款车除了铅蓄电池外还配备了再生能量专用蓄电装置，能比以往存储更多的再生能量。不过，三家公司对采用哪种蓄电装置的意见截然不同。那么三家的策略究竟有哪些不同呢？

轻型乘用车采用锂离子充电电池

铃木的ENE-CHARGE作为对成本限制严格的轻型乘用车，采用了锂离子充电电池这种新一代充电电池，受到了广泛关注。

新款Wagon R除了标配怠速停止机构并减轻了车重外，还通过改良发动机和CVT（无级变速箱）等，将JC08模式燃效由原来的21km/L提高至28.8km/L（在两轮驱动的同等级别中进行比较），提高了37％。与原车型中带怠速停止机构的车型（22.8km/L）相比，也提高了约26％。据介绍，其中约5个百分点是ENE-CHARGE带来的效果。

ENE-CHARGE的作用是，通过在车辆减速、停止供应燃料时利用发电机集中发电，来最大限度降低普通行驶时的发电量，以减轻发动机的负担，提高燃效。ENE-CHARGE采用东芝的锂离子充电电池“SCiB”作为蓄电装置（图2）。

图2：Wagon R配备的锂离子充电电池 东芝制造的“SCiB”。串联了5个2.4V的单元。

铃木之所以采用锂离子充电电池，是因为铅蓄电池可容纳的充电电流能量不够大。铃木电动汽车设计部第一课股长片冈准称，铃木此次计划通过ENE-CHARGE，实现“在JC08模式下行驶时不使用燃料发电”。

具体目标是，在JC08模式下行驶时，使怠速停止机构、燃料泵、燃料喷射装置等控制装置以及怠速停止后向CVT（无级变速箱）供给油压的电动油泵等消耗的电力，全部通过JC08模式减速时所发的电力来供给。这些电力约为150kJ，只在减速时这一非常短的时间，利用铅蓄电池是无法实现的。

为何不使用双电层电容器？ 

作为可在短时间内接收大电力的蓄电装置，除了锂离子充电电池外还有双电层电容器。从大电力的接收性以及耐反复充放电的特性来看，双电层电容器要更出色一些。

但铃木却选择了锂离子充电电池，这是因为双电层电容器存在电压变动大的难题。由于电容器是在两个电极间物理存储电荷，随着充电的进行，充电电压会随之上升，因此需要采用可变电压式发电机。相反，放电时电压下降，为了稳定电压，需要DC-DC转换器。这都会导致成本上升。而锂离子充电电池即使再充放电时，电压也比较稳定，不但不需要DC-DC转换器，也不必采用可变电压式发电机。

实际的ENE-CHARGE系统如图3（a）所示，并联了锂离子充电电池和铅蓄电池，发电机所发的电力除锂离子充电电池外，还为铅蓄电池充电。

图3：铃木的减速能量再生系统“ENE-CHARGE”的动作 （a）减速时。停止供应燃料时利用发电机发电。（b）行驶时尽量不利用发电机发电，将减速时再生的电力提供给电器部件。

不过，铅蓄电池的电流容量为33Ah，而锂离子充电电池的电流容量为3Ah，只有其1/10左右，但发电机所发的120A电流中，有约100A充到了锂离子充电电池中，充到铅蓄电池中的电流只有约20A。电池容量只有铅蓄电池的1/10，却能接收铅蓄电池5倍的电流，这样一计算，锂离子充电电池的电流容量是铅蓄电池的50倍。

轻型乘用车发电机的发电量一般为60～70A左右，此次铃木将其约提高了1倍，但外形尺寸与原来基本相同。随着发电能力的提高还增加了发电机等辅机的驱动皮带宽度，提高了传动扭矩。

铅蓄电池用来驱动前灯、空调、启动马达及除雾器等，而锂离子充电电池除了上面提到的发动机周围的电器部品外，还为音响、仪表及刹车灯等供电〔图3（b）〕。

区分使用二者的理由是防止电压降低。如果是仅使用普通铅蓄电池的怠速停止机构，重启发动机时蓄电池的电压会降低，因此音响等会暂停工作。

怠速停止后每次重启发动机时音响都暂停会令乘客不愉快，因此一般的怠速停止机构都带DC-DC转换器，通过为蓄电池升压来防止音响等暂停。而ENE-CHARGE利用铅蓄电池重启发动机，利用锂离子充电电池为音响供电，锂离子充电电池的电压不会下降，这样就省去了DC-DC转换器。

马自达采用双电层电容器

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，则需要消耗约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，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公司“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：贵弥功制造的双电层电容器 配备了10个圆筒形电容器。

如果但使用PC，内部电阻一般会增大。贵弥功称，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”。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，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。

日产重视成本

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。

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。

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）。 （日经技术在线！ 供稿）