超级电容集成优化混合动力公交车动力总成

天然资源的枯竭、空气污染、交通堵塞和矿物燃料价格的上涨等等问题，迫使社会和个人寻求替代运输工具。这当中就有用于公交车和卡车的混合电力、氢气和基于燃料电池的动力系统，例如ISE(San Diego, CA)从1996年以来所生产的那些。

这些动力系统在整个汽车工业之所以受到欢迎，是因为它们提高了燃油效率，降低了有害排放。ISE公司专长于生产串联混合电力动力系统，其中的引擎完全与动力传动系统脱离，且仅仅被用于产生电力。

图1

该类型混合架构对于执行大量“停走”驱动的大型车辆特别有吸引力，如市内运输公交车和货运卡车。传统的公交车和卡车的效率很低，产生高度有害的排放，因为它们硕大的引擎(通常是柴油机)持续不断地给车辆加速和减速--这是一种效率最低的产生动力的方式。

在ISE的串联混合系统中，较小的引擎与发电机紧密配合，在恒定、有效的速度和功率输出级上工作。当车辆动力暂时需要增加的时候，如加速期间或爬山时，要从车上由电池和超级电容组成的能量储存系统吸取电力。当车辆的动力需求较低时，该能量储存系统被充电。这样不仅仅能量效率增加了，而且车辆能够通过再生制动(regenerative braking)在它减速时重新回收(加速时付出的)能量。

面临的问题

ISE的混合电动车(HEV)技术的目标是利用燃料驱动引擎、电力电机驱动和能量储存组件的最佳特性。他们的混合架构设计采用了担当主动力源的内燃机，以及一个担当二次动力源的、具有电力储存系统的电机。设计工程师能够将内燃机的规格设计为满足巡航动力的要求，因为二次动力源要满足加速对峰值动力需求。此外，再生制动能量被二次动力系统所捕获。该能量被用于进一步的加速或满足附属电器系统的基本能量需求。

存在的缺点

仅仅采用电池提供电力储存的标准混合动力设计存在缺陷。这些不足之处很多，它们给汽车设计工程师带来了许多设计挑战。首先，电池要在低温正常工作存在困难；其次，电池需要非常复杂精密的电荷均衡管理技术；第三，电池在极端条件下的寿命大为缩短，从而导致贯穿车辆生命期内高昂的换电池成本。

由于要购买和安装新电池，旧电池就不得不拆除并处置掉。除非制造商已有电池回收设施，否则电池的处置可能成为问题。所有这些问题都增加了基于电池的系统的成本，更不用说车辆停工期造成的损失。

或许最重要的是：电池捕获和再生能量、或短持续时间事件(诸如加速和刹车)期间提供突发大功率的能力有限。这种高功率局限性降低了混合电力动力系统设计的效率。因为大多数城市公交车都工作在不变的制动-加速模式，捕获和再生刹车能量的能力就成为了ISE设计的中心。

在实现高效率公交车和卡车系统设计目标的征程中，电池限制因素是ISE工程师面临的严峻挑战，他们要在克服传统的低效率问题的同时，提供满足人们期望的牢靠、全天侯、走走停停的运输能力。为了给市场带来真实的可选替代方案，ISE需要设计一种电力和储存系统，以克服混合电力电池及传统卡车和公交车的局限性。

解决方案

为了寻求解决方案，ISE要求Maxwell Technologies帮助开发超级电容解决方案。紧凑、高性能、长寿命的超级电容器实现了许多电池的功能，但是可靠性更高、储存功能更先进、整体性能更佳。超级电容补足了电池的性能或完全替代电池。

与电池动力相比，Maxwell的超级电容(BOOSTCAP)提供的好处包括：

低温性能：容许在零下40度工作；而电池在零度以下未经加热就不能可靠工作。

安全性：对于公交运输车，超级电容是一种安全的解决方案，作为一个包，一夜之间就可以放电完毕。

寿命长：超级电容本质上寿命与它们所装入的设备一样长，低维护需求节省了成本。

效率高：效率高达85-95%，而电池在类似应用中只有70%甚至更低(ISE测量的结果)。

环保：超级电容环保，因为它们除了重金属70%可以再生利用。

输出功率大：电源输出是电池的10倍，在车辆加速时这是一个特别重要的属性。

架构好：超级电容能够有效地捕获一种刹车的能量，并将其储存以满足下一次加速对能量的需求。

图2

下表是ISE开发的专用、加热电池解决方案(ZEBRA)及其专有的Thunderpack II(上图)超级电容解决方案的比较。

图表

两种方案的最佳之处

从该表格可以清楚地看到，电池具有高能量的能力，而超级电容具有高功率的能力。在优化的混合储存系统中，两技术的结合最大限度地发挥了两者的优势。

ISE公司新业务经理Tom Bartley说：“由于其优异的功率特性，超级电容就是ISE动力系统设计的实质。超级电容提高了性能、可靠性和车载能量储存装置的耐久力，公交车配备它之后，对加速环保运输工具的社会影响和生存发展有着重要的作用。”

本文小结

自从2003年实现成功测试以来，ISE已经将Maxwell的超级电容整合到汽油、柴油和燃料电池混合动力车之中。特别需要说明的是，自从开发Thundercap II超级电容系统，ISE已经将其动力系统引入到汽-电混合动力车、柴-电混合动力车、氢-电混合动力车和燃料电池混合动力车的设计之中。清洁运行、安静、低维护要求的车辆已经走上了一些美国的城市，包括Long Beach和Sacramento CA。ISE已经与西门子及Flyer公司结成伙伴关系，共同生产这些混合动力车。

Bartley补充说，去年已经有102辆混合动力车投入使用，今年还要增加60辆，预计2007年将交付使用100到200台。目前，在ISE的混合动力和燃料电池公交车上，有3万多超级电容器在工作，提供超过7500万法拉的电力驱动和再生刹车功率。早在2006年初，Bartley就估计超级电容供电的公交车队已经提供了超过200万英里的清洁、可靠的服务，为我们的星球提供了清洁的运输服务。