電容混合動(dòng)力車的開發(fā)

【日】 土屋孝幸

1 電容混合動(dòng)力系統(tǒng)概述

所謂“電容混合動(dòng)力系統(tǒng)”，是指以電容器為儲(chǔ)能裝置的混合動(dòng)力系統(tǒng)。這里所說的“電容器”，是指相比鋁電解電容器容量更大的法拉級(jí)（F級(jí)）超級(jí)電容器。2002年，日產(chǎn)UD卡車公司（即當(dāng)時(shí)的日產(chǎn)柴油機(jī)工業(yè)公司）首次推出1款以超級(jí)電容器為再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置的中型貨車。

該車型由于采用混合動(dòng)力系統(tǒng)改善燃油經(jīng)濟(jì)性，在當(dāng)時(shí)獲得了較高的評(píng)價(jià)，并榮獲2003年日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣獎(jiǎng)（節(jié)能大獎(jiǎng)中的最高獎(jiǎng)項(xiàng)）?，F(xiàn)在看來，超級(jí)電容混合動(dòng)力技術(shù)在當(dāng)時(shí)多少有些過于領(lǐng)先時(shí)代要求，因而未能在實(shí)際的商品化市場(chǎng)上獲得成功。然而，在自主研發(fā)電容器，以及首次嘗試挑戰(zhàn)幾百伏高電壓系統(tǒng)的過程中，研究人員獲得了大量極為寶貴的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，這些在產(chǎn)品化過程中所積累的經(jīng)驗(yàn)即便在當(dāng)前，也有可供借鑒之處。

2 電容器的基本概念

在電容器的正負(fù)極施加電壓后，電容器元件內(nèi)電解液中的正負(fù)離子會(huì)隨電壓被吸引到正負(fù)兩極。當(dāng)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在離子與電極之間存在被稱為“亥姆霍茲層”的絕緣層，這也被稱為“雙電層電容器（EDLC）”。EDLC在性能方面的最大特征是，其蓄電原理是源自離子對(duì)電極的吸附與解吸，其中不含化學(xué)反應(yīng)，因此也被稱為“物理電池”，其內(nèi)部電阻極低，在充放電時(shí)的爆發(fā)力極高。充放電過程中不存在化學(xué)反應(yīng)也就意味著電容器的循環(huán)（工作）壽命極長，能滿足重型車高功率制動(dòng)能量再生的要求，因此是適合商用車使用的儲(chǔ)能裝置。此外，由于可完全放電，因此能在維修保養(yǎng)時(shí)使電壓為零，這也是超級(jí)電容器的潛在優(yōu)勢(shì)之一。

3 電容混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展背景

20世紀(jì)90年代后期，當(dāng)時(shí)的研究人員不斷探索進(jìn)一步改善城市商用車燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)途徑。如圖1所示，柴油機(jī)即便利用混合動(dòng)力技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，也無法將其效率提高至當(dāng)時(shí)汽油機(jī)的水平，但通過研究證實(shí)，車輛在市區(qū)道路行駛時(shí)，高效率的制動(dòng)能量再生是改善燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵（圖2）。

當(dāng)時(shí)，對(duì)既可高效再生制動(dòng)能量，又具備商用車較長使用壽命這一目標(biāo)起決定性作用的蓄電池裝置尚未被開發(fā)出來，各公司為此均處于不斷探索的階段。此外，鋰離子電池及鎳氫電池等高性能蓄電池在商用車領(lǐng)域尚未進(jìn)入實(shí)用化階段，而可供商用車裝車使用的電容器則更是連概念都未形成。同時(shí)，開發(fā)部門正在為滿足針對(duì)柴油車的日本長期排放法規(guī)的要求而展開相關(guān)研究工作。當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)主要以改善燃燒為中心展開，對(duì)于燃燒技術(shù)開發(fā)而言，即使是降低氮氧化物（NOx）排放的最強(qiáng)有力手段廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，也僅僅是處于開發(fā)的初期階段，甚至于當(dāng)時(shí)的量產(chǎn)開發(fā)部門會(huì)對(duì)此提出各種質(zhì)疑，如廢氣返回發(fā)動(dòng)機(jī)后會(huì)如何等。

在那樣的時(shí)代背景下，最初投放市場(chǎng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)是蓄壓式制動(dòng)能量再生（ERIP）系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)被用于少數(shù)市區(qū)路線的公交客車。利用ERIP技術(shù)，歷經(jīng)最早的混合動(dòng)力車開發(fā)并最終將其推向市場(chǎng)的過程，首先實(shí)現(xiàn)了高功率、高頻率的能量?jī)?chǔ)存，而在之后不斷探索長壽命儲(chǔ)能技術(shù)的努力下，終于找到以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置的方法。對(duì)此，首先是日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)屬下的ACE項(xiàng)目組開發(fā)了搭載電容器儲(chǔ)能裝置的串聯(lián)式混合動(dòng)力公交客車（原型車），并以反饋形式，將其研發(fā)成果應(yīng)用于主要在市區(qū)送貨的中型貨車。1998年，正式啟動(dòng)了搭載超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的并聯(lián)式混合動(dòng)力貨車的開發(fā)計(jì)劃。

4 自主研發(fā)電容器的挑戰(zhàn)

雖然近年來，EDLC應(yīng)用于汽車的實(shí)例正在逐步增加，但在開發(fā)初期階段的20世紀(jì)90年代后期，用于汽車的大容量電容器還只是初步顯示出其技術(shù)可行性，同時(shí)也不存在相應(yīng)的零部件（電容器）供應(yīng)商。為此，研究人員決定自行開發(fā)并制作電容器元件。由于當(dāng)時(shí)沒有掌握現(xiàn)場(chǎng)制作電容器的工藝，所以，基本是從零開始進(jìn)行摸索和研究工作。研發(fā)電容器元件的技術(shù)人員都是從當(dāng)時(shí)的日產(chǎn)柴油機(jī)工業(yè)公司內(nèi)部選拔的從事量產(chǎn)型高功率發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度鑄鐵材料研究的人員。首先開展的工作就是自制構(gòu)成電極的活性炭粉末，即利用坩堝將炭制成粉末。

此外，對(duì)貨車底盤制造商而言，電容器儲(chǔ)能裝置是性質(zhì)截然不同的部件，尤其是為了營造電容器元件生產(chǎn)所要求的清潔環(huán)境，必須開展特殊的研發(fā)工作。電容器因?qū)щ娦约氨缺砻娣e的緣故而必須使用活性炭電極，這種用于除臭劑的材料具有極高的吸附性。因此，為了確保電容器具有穩(wěn)定的電氣性能及耐久性，必須從原材料選用階段就完全去除雜質(zhì)及水分，并且在生產(chǎn)過程中保持清潔的環(huán)境。針對(duì)這些要求，貨車底盤制造商建立了被稱作“手套箱”的小型無塵室，在貨車生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行精密元件的制造。

為了實(shí)現(xiàn)電容器元件的正式量產(chǎn)，研究人員在開發(fā)階段與工廠生產(chǎn)部門合作，設(shè)立了專門用于電容器元件開發(fā)制造的“手套箱”裝置。設(shè)置這一裝置是為了在操作箱內(nèi)開展手工作業(yè)，工人通過橡膠手套，在密封的清潔環(huán)境（箱體）內(nèi)對(duì)電極板和分離片進(jìn)行層疊加工，注入電解液，并在最后進(jìn)行封焊作業(yè)。開發(fā)初期階段使用的“手套箱”是由外包生產(chǎn)商制造的，但在量產(chǎn)階段所使用的巨型操作箱則采用公司內(nèi)部的生產(chǎn)裝置，由專門的制造部門自行開發(fā)并制造。用這種生產(chǎn)裝置制作的電容器元件特征之一就是采用圖3所示的疊層包裝單元。

就量產(chǎn)效率而言，疊合電極與分離片，并將其卷制成圓筒形元件的方式是較為有利的。但這種制造工藝在制作箱體的鈑金技術(shù)及加工箱蓋的密封技術(shù)方面存在一些須解決的問題。以當(dāng)時(shí)的技術(shù)而言，所采取的方法是在平面交替配置電極與分離片，并用1對(duì)層壓薄膜將其圍住封裝，通過熱封包裝來密封電解液。所謂“層壓薄膜”，就是鋁箔包上使用的復(fù)合材料片，作為屏蔽層的鋁箔是用乙烯聚丙烯及尼龍等增強(qiáng)的多層結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，為了用僅140μm厚的層壓薄膜包裝因?qū)盈B了電極與分離片而具有一定厚度的集合體，必須事先對(duì)層壓薄膜進(jìn)行成形預(yù)加工。為此，與材料供應(yīng)商合作，共同開發(fā)了預(yù)先對(duì)層壓薄膜進(jìn)行冷壓成形的工藝技術(shù)。

進(jìn)入量產(chǎn)階段后，在開發(fā)階段用手工作業(yè)形式進(jìn)行的電極層疊作業(yè)就在量產(chǎn)裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。該裝置也是由當(dāng)時(shí)的日產(chǎn)柴油機(jī)工業(yè)公司自行制造的，可將31片僅350μm厚的電極（活性炭＋鋁箔）與16片對(duì)折的60μm厚分離片交替疊合在一起。

層壓式電容器元件本身的放熱性極高，能夠?qū)?nèi)部電阻抑制在較低水平，但另一方面，元件本身的剛性極差。因此，為了達(dá)到電容器規(guī)定的電壓和容量，必須以電氣方式連接幾百個(gè)電容器元件，并對(duì)容納這些元件的殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。此外，電容器元件在受到適當(dāng)擠壓的狀態(tài)下，如圖5所示，會(huì)隨著充放電的過程，在厚度上出現(xiàn)幾十微米的膨脹和收縮，而當(dāng)幾十個(gè)元件聚集起來，就會(huì)產(chǎn)生達(dá)毫米單位的位移。這也是電容器組件設(shè)計(jì)上須解決的問題之一：必須在吸收上述位移的同時(shí)，確保穩(wěn)定的壓緊力，并兼顧電容器元件的放熱性和約束性。

5 商用車專用的混合動(dòng)力系統(tǒng)

混合動(dòng)力車可以有不同的結(jié)構(gòu)方式，貨車一般會(huì)采用圖6所示并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。主要原因是采用這種混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以更有效地利用效率良好的柴油機(jī)，同時(shí)改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，從而在性能與成本方面獲得良好的平衡。此外，由于當(dāng)時(shí)的電氣系統(tǒng)容易發(fā)生各種故障，若采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，當(dāng)電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能將因故障而導(dǎo)致延誤的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

如后文所述，混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制必須采用自動(dòng)變速器。在當(dāng)時(shí)的日產(chǎn)柴油機(jī)工業(yè)公司，只有用于大型貨車的機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT），即被稱為“ESCOT”的輕便-安全操控型變速器，而能應(yīng)用于中型貨車的AMT尚未被開發(fā)出來。因此，將為客車開發(fā)的自動(dòng)齒輪變速裝置配裝在原有的中型貨車齒輪傳動(dòng)箱上，組合成專用于中型混合動(dòng)力貨車的AMT。即使與當(dāng)時(shí)的大型貨車用ESCOT相比，這一變速裝置也具有毫不遜色的功能與性能，并且兼具混合動(dòng)力系統(tǒng)特征之一的電動(dòng)機(jī)起步功能，除倒車或緊急情況外，完全不需要踩踏離合器踏板的操作，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)變速的目標(biāo)。

此外，如圖7所示，通過動(dòng)力輸出軸及減速齒輪箱，與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，這是研發(fā)人員經(jīng)研究與探討后，在限定電動(dòng)機(jī)變速檔位的選擇中得出的電動(dòng)機(jī)布置方案。并且，為降低車輛高速巡航時(shí)電動(dòng)機(jī)接續(xù)部件的摩擦，基于爪形離合器探討離合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終形成上述設(shè)計(jì)方案。用于連接動(dòng)力輸出軸與高速電機(jī)側(cè)齒輪箱的推進(jìn)軸沿用小型貨車所使用的部件。

6 控制技術(shù)

無論在開發(fā)初期，還是現(xiàn)在，影響混合動(dòng)力系統(tǒng)最終性能的關(guān)鍵因素都是控制技術(shù)。為了改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，關(guān)鍵是如何更多地實(shí)施制動(dòng)能量再生，而此時(shí)，在響應(yīng)駕駛員頻繁變化的減速及制動(dòng)要求的過程中，確保沒有不舒適的制動(dòng)感受是必不可

少的。但是，在減速與制動(dòng)能量再生的過程中，如果電容器的充電狀態(tài)達(dá)到上限值，就無法繼續(xù)進(jìn)行再生制動(dòng)，有可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生能量再生失效的情況。因此，研究人員開發(fā)了表1所列各種制動(dòng)模式下的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

表1 各種制動(dòng)模式下的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

在此次開發(fā)過程中，對(duì)于再生失效時(shí)向通常制動(dòng)（機(jī)械制動(dòng)）模式的過渡，以及包括前后制動(dòng)力分配控制在內(nèi)的按再生狀態(tài)實(shí)施的各項(xiàng)控制技術(shù)的開發(fā)，如只利用以傳統(tǒng)樣車為基礎(chǔ)的研發(fā)手段，效果將是極其有限的。因此，首次運(yùn)用了 MATLAB／Simlink等基于模型的開發(fā)方法，而自主研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元本身在當(dāng)時(shí)也被認(rèn)為極具劃時(shí)代意義。與此同時(shí)，應(yīng)用V循環(huán)過程，開發(fā)了硬件在環(huán)模擬技術(shù)。此外，還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的應(yīng)急機(jī)制，一旦混合動(dòng)力系統(tǒng)失效，可快速轉(zhuǎn)換至普通的機(jī)械制動(dòng)模式，從而確保極高的安全性。

7 開發(fā)過程中的技術(shù)難題

在相當(dāng)緊湊的研發(fā)周期內(nèi)，研究人員遇到了許多未能預(yù)想到的技術(shù)難題：如自動(dòng)離合器的控制技術(shù)不完善，導(dǎo)致車輛僅行駛1km就發(fā)生因離合器打滑而無法行駛的情況；電容器的充放電控制出現(xiàn)故障，導(dǎo)致因過充電而使電容器元件破裂；以及因電動(dòng)機(jī)控制的問題而使車輛突然移動(dòng)等。這些極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)課題在整個(gè)研發(fā)過程中接踵而至，而之所以能成功解決這些問題，應(yīng)歸功于技術(shù)人員的廢寢忘食和努力攻關(guān)。在經(jīng)歷多次研究和試驗(yàn)后，最后終于進(jìn)入正式生產(chǎn)階段，2002年6月，首輛超級(jí)電容混合動(dòng)力車被推向市場(chǎng)。在2002年第36次東京汽車展覽會(huì)上，該車型因行駛平穩(wěn)、無變速?zèng)_擊、換檔順暢等優(yōu)點(diǎn)而獲得高度評(píng)價(jià)。

8 結(jié)語

電容混合動(dòng)力貨車雖然未能在開發(fā)成功之后立即獲得當(dāng)時(shí)商品市場(chǎng)的認(rèn)可，但從零開始的技術(shù)研發(fā)，到自制電容器完成產(chǎn)品化的階段所取得的知識(shí)，對(duì)于當(dāng)今的技術(shù)人員來說，也是極為寶貴的經(jīng)驗(yàn)。