電容混合動力車的開發

【日】 土屋孝幸

1 電容混合動力系統概述

所謂“電容混合動力系統”，是指以電容器為儲能裝置的混合動力系統。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（F級）超級電容器。2002年，日產UD卡車公司（即當時的日產柴油機工業公司）首次推出1款以超級電容器為再生制動能量儲存裝置的中型貨車。

該車型由于采用混合動力系統改善燃油經濟性，在當時獲得了較高的評價，并榮獲2003年日本經濟產業大臣獎（節能大獎中的最高獎項）?，F在看來，超級電容混合動力技術在當時多少有些過于領先時代要求，因而未能在實際的商品化市場上獲得成功。然而，在自主研發電容器，以及首次嘗試挑戰幾百伏高電壓系統的過程中，研究人員獲得了大量極為寶貴的經驗和知識，這些在產品化過程中所積累的經驗即便在當前，也有可供借鑒之處。

2 電容器的基本概念

在電容器的正負極施加電壓后，電容器元件內電解液中的正負離子會隨電壓被吸引到正負兩極。當時，研究人員發現，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電極的吸附與解吸，其中不含化學反應，因此也被稱為“物理電池”，其內部電阻極低，在充放電時的爆發力極高。充放電過程中不存在化學反應也就意味著電容器的循環（工作）壽命極長，能滿足重型車高功率制動能量再生的要求，因此是適合商用車使用的儲能裝置。此外，由于可完全放電，因此能在維修保養時使電壓為零，這也是超級電容器的潛在優勢之一。

3 電容混合動力技術的發展背景

20世紀90年代后期，當時的研究人員不斷探索進一步改善城市商用車燃油經濟性的技術途徑。如圖1所示，柴油機即便利用混合動力技術實現發動機的高負荷運轉，也無法將其效率提高至當時汽油機的水平，但通過研究證實，車輛在市區道路行駛時，高效率的制動能量再生是改善燃油經濟性的關鍵（圖2）。

當時，對既可高效再生制動能量，又具備商用車較長使用壽命這一目標起決定性作用的蓄電池裝置尚未被開發出來，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域尚未進入實用化階段，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，開發部門正在為滿足針對柴油車的日本長期排放法規的要求而展開相關研究工作。當時的發動機技術研發主要以改善燃燒為中心展開，對于燃燒技術開發而言，即使是降低氮氧化物（NOx）排放的最強有力手段廢氣再循環（EGR）技術，也僅僅是處于開發的初期階段，甚至于當時的量產開發部門會對此提出各種質疑，如廢氣返回發動機后會如何等。

在那樣的時代背景下，最初投放市場的混合動力系統是蓄壓式制動能量再生（ERIP）系統，當時被用于少數市區路線的公交客車。利用ERIP技術，歷經最早的混合動力車開發并最終將其推向市場的過程，首先實現了高功率、高頻率的能量儲存，而在之后不斷探索長壽命儲能技術的努力下，終于找到以超級電容器作為儲能裝置的方法。對此，首先是日本新能源產業技術綜合開發機構屬下的ACE項目組開發了搭載電容器儲能裝置的串聯式混合動力公交客車（原型車），并以反饋形式，將其研發成果應用于主要在市區送貨的中型貨車。1998年，正式啟動了搭載超級電容器儲能裝置的并聯式混合動力貨車的開發計劃。

4 自主研發電容器的挑戰

雖然近年來，EDLC應用于汽車的實例正在逐步增加，但在開發初期階段的20世紀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可行性，同時也不存在相應的零部件（電容器）供應商。為此，研究人員決定自行開發并制作電容器元件。由于當時沒有掌握現場制作電容器的工藝，所以，基本是從零開始進行摸索和研究工作。研發電容器元件的技術人員都是從當時的日產柴油機工業公司內部選拔的從事量產型高功率發動機高強度鑄鐵材料研究的人員。首先開展的工作就是自制構成電極的活性炭粉末，即利用坩堝將炭制成粉末。

此外，對貨車底盤制造商而言，電容器儲能裝置是性質截然不同的部件，尤其是為了營造電容器元件生產所要求的清潔環境，必須開展特殊的研發工作。電容器因導電性及比表面積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及水分，并且在生產過程中保持清潔的環境。針對這些要求，貨車底盤制造商建立了被稱作“手套箱”的小型無塵室，在貨車生產廠區內進行精密元件的制造。

為了實現電容器元件的正式量產，研究人員在開發階段與工廠生產部門合作，設立了專門用于電容器元件開發制造的“手套箱”裝置。設置這一裝置是為了在操作箱內開展手工作業，工人通過橡膠手套，在密封的清潔環境（箱體）內對電極板和分離片進行層疊加工，注入電解液，并在最后進行封焊作業。開發初期階段使用的“手套箱”是由外包生產商制造的，但在量產階段所使用的巨型操作箱則采用公司內部的生產裝置，由專門的制造部門自行開發并制造。用這種生產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及加工箱蓋的密封技術方面存在一些須解決的問題。以當時的技術而言，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的多層結構。

如圖4所示，為了用僅140μm厚的層壓薄膜包裝因層疊了電極與分離片而具有一定厚度的集合體，必須事先對層壓薄膜進行成形預加工。為此，與材料供應商合作，共同開發了預先對層壓薄膜進行冷壓成形的工藝技術。

進入量產階段后，在開發階段用手工作業形式進行的電極層疊作業就在量產裝置內實現自動化生產。該裝置也是由當時的日產柴油機工業公司自行制造的，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，能夠將內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，為了達到電容器規定的電壓和容量，必須以電氣方式連接幾百個電容器元件，并對容納這些元件的殼體內部結構進行精心設計。此外，電容器元件在受到適當擠壓的狀態下，如圖5所示，會隨著充放電的過程，在厚度上出現幾十微米的膨脹和收縮，而當幾十個元件聚集起來，就會產生達毫米單位的位移。這也是電容器組件設計上須解決的問題之一：必須在吸收上述位移的同時，確保穩定的壓緊力，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力系統

混合動力車可以有不同的結構方式，貨車一般會采用圖6所示并聯式混合動力系統。主要原因是采用這種混合動力系統，可以更有效地利用效率良好的柴油機，同時改善車輛的燃油經濟性，從而在性能與成本方面獲得良好的平衡。此外，由于當時的電氣系統容易發生各種故障，若采用并聯式混合動力系統，當電氣系統出現故障時，能將因故障而導致延誤的風險降至最低。

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

此外，如圖7所示，通過動力輸出軸及減速齒輪箱，與驅動系統相連，這是研發人員經研究與探討后，在限定電動機變速檔位的選擇中得出的電動機布置方案。并且，為降低車輛高速巡航時電動機接續部件的摩擦，基于爪形離合器探討離合機構的設計，最終形成上述設計方案。用于連接動力輸出軸與高速電機側齒輪箱的推進軸沿用小型貨車所使用的部件。

6 控制技術

無論在開發初期，還是現在，影響混合動力系統最終性能的關鍵因素都是控制技術。為了改善車輛的燃油經濟性，關鍵是如何更多地實施制動能量再生，而此時，在響應駕駛員頻繁變化的減速及制動要求的過程中，確保沒有不舒適的制動感受是必不可

少的。但是，在減速與制動能量再生的過程中，如果電容器的充電狀態達到上限值，就無法繼續進行再生制動，有可能會導致發生能量再生失效的情況。因此，研究人員開發了表1所列各種制動模式下的協調控制技術。

表1 各種制動模式下的協調控制技術

在此次開發過程中，對于再生失效時向通常制動（機械制動）模式的過渡，以及包括前后制動力分配控制在內的按再生狀態實施的各項控制技術的開發，如只利用以傳統樣車為基礎的研發手段，效果將是極其有限的。因此，首次運用了 MATLAB／Simlink等基于模型的開發方法，而自主研發的發動機電控單元本身在當時也被認為極具劃時代意義。與此同時，應用V循環過程，開發了硬件在環模擬技術。此外，還設計了系統的應急機制，一旦混合動力系統失效，可快速轉換至普通的機械制動模式，從而確保極高的安全性。

7 開發過程中的技術難題

在相當緊湊的研發周期內，研究人員遇到了許多未能預想到的技術難題：如自動離合器的控制技術不完善，導致車輛僅行駛1km就發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故障，導致因過充電而使電容器元件破裂；以及因電動機控制的問題而使車輛突然移動等。這些極具挑戰性的技術課題在整個研發過程中接踵而至，而之所以能成功解決這些問題，應歸功于技術人員的廢寢忘食和努力攻關。在經歷多次研究和試驗后，最后終于進入正式生產階段，2002年6月，首輛超級電容混合動力車被推向市場。在2002年第36次東京汽車展覽會上，該車型因行駛平穩、無變速沖擊、換檔順暢等優點而獲得高度評價。

8 結語

電容混合動力貨車雖然未能在開發成功之后立即獲得當時商品市場的認可，但從零開始的技術研發，到自制電容器完成產品化的階段所取得的知識，對于當今的技術人員來說，也是極為寶貴的經驗。