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白皮书

超级电容器和混合动力车

简介

由于近期世界范围内的汽油价格有所上涨，而公众及政府又不断施加压力要求交通运输业更

有利于环境发展，更能节省燃油，因此汽车制造商正在开发把真正的选择对象与体现产业特

点的汽油传动器结合起来的产品系列。

这些制造商的终极目标是运用燃料电池技术满足所有车辆对能量的需求。但是，燃料电池至

少在十年内不太可能实现批量生产。其主要原因是，虽然燃料电池是很有前途的技术，但是

它们还存在很多缺陷，真正投入使用之前必须解决这些缺陷。例如，正在考虑应用于汽车产

业的最常见的燃料电池类型是氢/氧技术型。这一技术运用燃料中的氢和空气中的氧产生电能

。虽然这些燃料电池的效率和动力足以供汽车使用，但目前既没有输送氢气的基础设施，也

没有能够便于安全操控的氢气。另外，氢燃料箱的体积往往很大，为了避免发生事故，箱体

必须非常结实，能够承受很高的储存压力。

与此类似，曾经研究想用于汽车的金属燃料电池也缺乏输送的基础设施，不太安全，箱体体

积也很大，对箱体的强度有要求。而且，发动机启动和加速时，需要传送最高功率负荷，燃

料电池必须更大，因此成本也就更高。

也许近期最可能出现的燃料电池驱动车辆技术是混合动力车(HEV)技术，混合动力车技术结合

了燃料发动机、电机驱动和能量储存组件的最佳特点。它设计时配有一个内燃机作为主动力

源，以及一个电力存储系统作为次级电源。次级电源的存在使设计人员能够根据勘测得的电

力需求制定内燃机的尺寸大小。次级电源还能应对加速度时的峰值功率需求。另外，次级电

源还可用来收集再生的制动能，并把这种能量应用于更大的加速度或者用于补充电力系统的

基本能量需求。通过这种基本设计结构，混合动力车能够做到低维护、操作清洁并且非常节

省燃料。

虽然很多制造商在混合动力车控制、发动机和电机设计方面已经取得了进步，但是他们在作

为次级电源的电力储存系统方面尚未取得成功,这方面的不足主要是由于目前正在开发的混合

动力车中电池是用来提供电能储存的。设计人员把电池设计成为储存系统很可能是因为这种

技术更熟悉、更持久简而言之，电池更为人们所熟知。正是因为这种技术是人们所熟知

的，所以电能储存方面的缺陷也就更容易理解。

这些缺陷是多方面的，而且在设计方面使汽车工程师们面临很多挑战。首先，电池难以在寒

冷的天气里工作，这就为乘客、驾驶员以及公交职能部门造成了很大的不便。更值得警惕的

是，它们对安全造成了威胁。第二，电池在极端条件下循环寿命很有限，一辆车的使用寿命

里需要不断地更换电池。更换电池的成本包括购买并安装新电池、卸掉并处理旧电池。第

三，电池不环保。电池一旦耗尽就很难处理。

但是电池一直是混合动力车性能达标的最大阻碍，因为电池不是被设计来满足混合动力车次

级电源最重要的需求的：为像加速、制动和冷启动这类瞬时事件输出脉冲功率。例如，锂离

子电池能够满足高能量应用时，在一段较长的时间内提供少量电流的要求，但是却难以在短

时间内输出脉冲功率。这就是说，虽然这种电池能够为以合理速度行驶的车辆提供足够的电

力，但是要在短时间内输送最大电力而不损害电池的使用寿命却很困难。同样，此种电池持

续削弱车辆性能，致使消费者可能会因为安全性和趣味性拒绝使用混合动力车。由于电池的

功率较弱，它们难以回收再生制动能，因此也就削弱了混合动力车可能节省燃料的优点。

有些制造商只是增加了其传动系统中电池的数量，因为增加电池能够改善电池技术功率不足

带来的影响。但是，这种设计方法的结果是电池组体积过大，增加了车身重量，降低了电池

组的总体使用寿命（电池因为要努力提供足够大的功率，与用于提供高能量相比，电池电量

耗尽的速度更快）。这些结果难以令人满意，因为会损害性能和燃料的燃烧效率。在某种意

义上来说，锂离子电池技术让混合动力车开发人员受到了双重约束：加大电池体积，可以产

生比较充足的电能，但是这么做会破坏性能，增加对汽车进行维护保养的要求，并且降低混

合动力车设计的环保性。

作为锂离子电池的另一种选择，镍氢和铅酸电池也被开发用于混合动力车。虽然这些电池事

实上能够提供足够大的功率处理最大负荷，但是以这种方式使用电池会大幅度降低电池的循

环寿命。例如，放电60%时，典型的铅酸电池持续完成1000个循环后会出现故障，镍氢电池

持续完成10,000个循环后会出现故障。铅酸和镍氢电池用于峰值功率输出时产生故障的速度

很快。由于需要不断更换电池，最终会增加车辆的成本。如上所述，时间短、功率大的情形

在一辆车的使用寿命内要发生上千次。如果使用铅酸或镍氢电池的混合动力车来完成这些事

情，每隔一两年就要更换电池，更换电池的费用每次大约是1.3万到1.7万美元。从这