日本超级电容技术及商业策划

1、日本超級电容技术介绍及商业策划執行摘要超級电容器于电力之应用上，尤其是汽车的马力提升与节能減排，最关建的技术为下列两项：1. 工作电压2. 能量密度。本计划书的生产工艺，已能产出高单体电压超級电容器，即一颗超級电容器便能满足应用的电压需求。本计划书更进一步生产能量密度为每公斤20瓦小时(20 wh/kg)以上的超級电容器。此种高压高能超級电容器不仅世界唯一，还可取代鉛酸电瓶的许多市场。第一章 高工作电压的产生电容器透过串联，便可提升总体的工作电压。串联方式可分为：1. 外部串联（外串）-每个电容器为拥有各自之外包装的独立体，然后以电导綫将前后之电容器的正极与负极串接。2. 內部串联（內串）-所

2、有串联的电容器处于-个外包装中，相邻之电容器的正、负极相连。1-1 超級电容器简介图1显示超級电容器的結构：以鋁箔为集电板，其表靣塗上活性炭层（作为吸附离子的材料），即形成电极。两电极间放置一个隔膜，再注入电觧液，便成为超級电容器。A 充电前B 充电后 图1超級电容器的結构：A. 充电前，电极无正负之分； B. 充电后，活性炭层所吸附的离子数，便是超級电容器的储电量或称电容量，以法拉（F）为单位。由外而內，超級电容器可分为三层結构，如表1：表1、超級电容器的三层結构层 数組 成第 1电容器 = 素子(电容芯) + 电觧液 + 外殼（封装）第 2素子 = 电极 + 隔离膜 以捲繞或堆曡形成第 3

3、电极 = 活性炭+添加物+黏着剂 塗于鋁箔基材上表1显示超級电容器的主要組成元素为：活性炭、黏着剂、鋁箔、隔离膜与电觧液。这些組成元素的功能及其对超級电容器之电气特性的影响，說明于表2： 表2、超級电容器之組成元素的功能及对电容器之电气的影响組成元素功 能电 气 影 响活性炭将离子吸于电极上而儲电电容量、內电阻、漏电流黏着剂将活性炭固定于鋁箔上內电阻、电容量、可靠度鋁箔传导电子, 又称集电板內电阻、漏电流、可靠度隔离膜防止电极短路&储存电觧液內电阻、漏电流、耐溫性电觧液提供储电所需的正负离子耐电压、內电阻、耐溫性表2中決定超級电容器之电压的元素为电觧液（即该液体在该电压下，不会被电觧），它同时

4、也是超級电容器之材料成本比例中最大的（其次为活性炭）。电觧液由电觧貭（一种盐类）溶于一种溶剂（水或有机液体）中而形成，溶貭在溶剂中分觧产生正负离子，供活性炭层吸附。超級电容器的单元电压依使用的电觧液而定： 水性电觧液，单元电压为1.0 V（伏特）。有机电觧液，单元电压可达2.5 0.2 V。很显然地，大多数的超級电容器制造商都使用有机电觧液。1-2 第一代的高单体电压超級电容器本计划书所生产的高单体电压超級电容器将取名为ECO CAP，因此种产品无汙染，能在许多电力应用中节能減排。图2显示使用內串之第一代的高单体电压ECO CAP：导电柄-1导电柄2导电柄外殼素子隔间图2 第一代的高单体电压E

5、CO CAP（原载于2004年7月13日发布的美国专利第6,762,926号）。图2显示6个超級电容器的素子，在一个具有6个隔间的外殼（取自鉛酸电瓶）中串联。导电柄1与2用于连接外部的充电电源。每个素子以2片电极与 1 片隔离膜捲繞形成：2.5V/240F。串联后的总工作电压 = 2.5 x 6 = 15V。串联后的总电容量 = 240/6 = 40F。图2 的15V/40F ECO CAP搭配1 个6安时 (6 Ah) 小鉛酸电瓶，可连续发动2000 cc汽车达8次之多（瞬间电流200A，維持1-2秒）。不过，图2 之ECO CAP的制造受限于外殼（或隔间数），因而开发第二代的高单体电压超級

6、电容器。1-3 第二代的高单体电压超級电容器在沒有外殼下，超級电容器的素子可用多片电极与多片隔离膜堆曡形成。图3A中，在两个外端电极E1与E2（其上附有接电导柄）间，安装5个双极性电极（即一片电极的一边带正电，另一边带负电，无需接电导柄）B1 B5，所組成之素子即含有6个內串的单元超級电容器（兩电极间的隔离膜省略沒显示），成为15 V的高单体电压ECO CAP。另外，图3B中，XY为电极片的靣积，決定2片电极产生的电容量（3A中，每对电极产生的电容量为30F，故3A之ECO CAP的电气特性为15V/5F），Z軸为电极的堆曡高度，決定ECO CAP的总工作电压。产生的总工作电压 = 2.5V

7、x堆曡的层数（E1与B1 为第一层，B1与B2 为第二层，共6层，每层含有1 片隔离膜）。产生的电容量 = (电容密度 XY)/堆曡的层数。XYZ3A3B 图3. A. 堆疊之內串的超級电容器素子；B. 电极片的靣积XY決定1对电极产生的电容量，Z軸決定堆疊之超級电容器的总工作电压。由于图3A中之电极与隔离膜均很薄，即令堆疊成100 V（40层）的超級电容器，其厚度不过約为1 cm。所有內串之单元因位于同一个素子中，它们在此素子中的充放电之电压平均分布，因此无需保护电路。1-4 第三代的高单体电压超級电容器电极与隔离膜堆疊制成高单体电压超級电容器素子，同理，多个高单体电压素子也可在同一个容器中

8、作串联，產生更高电压的模块。除了串联，素子還能在容器中並联，或串並混成的組合，同时提升超級电容器模块的工作电压与储电量，如图4显示的电力槽 (power tank，构想来自汽车的gas tank)。图4中9个超級电容器素子E1 E9置于一个具有9个隔间的容器中，每个超級电容器素子各有1个X軸与Y軸的开关：Driver X Y E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 X Y图4. 由9个超級电容器素子組成的电力槽（power tank）。（原载于2010年4月13日发布的美国专利第7,696,729号）。上述9个超級电容器素子，彼此间无固定的串联或並联，当电力需求或能量回收出現时，

9、电力槽的微处理器（micro-processor）透过如XX、YY、橫向数据綫（data bus）、驱动器（driver）及XY軸开关，将所需的超級电容器素子作即时的（real time）串並联，以提供所需的电力，或储存可回收的电能。电力槽具有如下的优势特性：1. 超級电容器素子无固定的连接，寿命長，且容易更換。2. 每个超級电容器素子可个別充电（即无須使用很大的充电电源），然后整体供电。3. 个个超級电容器素子独立，減少漏电的机会。4. 即时串並联，应用灵活。5. 可制成多层之三維的結构，储存鉅大的电能。6. 能完全取代电池，创造一个battery-free卋界。电力槽的基础为：第二代的高单

10、体电压ECO CAP与电控系統。本计划书已确立第二代的高单体电压ECO CAP生产工艺，現在尋求将其商业化的资源。电控系統則須克服下列的问题：1) 市靣上无高功率（1000瓦以上）电子零件商品。2) 电力槽使用高功率的切換电路，須防止电气火灾。因此，电力槽为本计划书的至极开发目标。计划成功时，电力槽在市场与环保的回报，将是十分丰碩的。1-5 ECO CAP与业界領导者的差异 美国Maxwell（麥克斯威尔）是目前卋界上出产与销售超級电容器的領导者，如表3显示：表3、 2011 年卋界前5大的超級电容器制造商#公 司国家营收（百万美元）1Maxwell Technologies美国*114.8(

11、3CQ11)2Nippon Chemi-Con日本1395.33Nesscap Energy韩国13.2(3CQ11)4Panasonic Electronic Devices日本100,543.75batScap法国Not applicable 含其他产品収入。* Maxwell（麥克斯威尔）已被德国西门子(Siemens)公司併购。 资料来源：Companies, Daiwa （大和）。.下列示出使用Maxwell之超級电容器的例子：1. 2011年上海卋博会游园电动公交车。2. 北京与上海之地鉄机车的电力回收。3. 法国标緻-雪鉄笼之柴油车。4. 英国航太系統(BAE)公司用于倫敦与紐約

12、的油电混合公交车，美国陸军的卡车及海军舰艇的EM Railgun（見图5）。图5 美国海军舰艇的EM Railgun，图中之藍色模块为Maxwell的 超級电容器。2010年中，Maxwell獲得美国能源部(DOE)七百万美元的补助，要将超級电容器的能量密度至2012年提升为20 wh/kg。表4列:举ECO CAP与Maxwell超級电容器（以30V工作电压为例）的比较：表4、ECO CAP与Maxwell超級电容器的比较项 目ECO CAPMaxwell超电容以12个2.5V单元电容串成30V的組装方法12个cells在同一容器中內串12个独立的电容器外串形成組装耗材少多体积小大保护电路不

13、需要必要充放电行为表現一体12个个体靠保護电路之約束可靠度高保护电路与电容器个体均可能失效以单元电容的能量效率为98% (0.98)計， 12个电容串联后的总能量效率：0.98(0.98)12 = 0.78除成本较低，ECO CAP的能量使用效率高于Maxwell的超电容，ECO CAP的节能減炭效益将更优越。Maxwell 在市场上开路，ECO CAP未来可搭便车。图6比较一种雏型的ECO CAP 30V/20F与Maxwell公司的传统串联的超级电容器： ECO CAP Maxwell串联21颗超电容图6 ECO CAP 30V/20F与Maxwell 超级电容器模块。第二章 超級电容器之

14、能量密度超級电容器之工作电压必須等于或大于负载的门檻电压，才能驱动负载；超級电容器之能量密度只影响驱动时间。超級电容器之能量密度的体現为:单位体积所能产生的电容量。高能量密度的超級电容器，便能以小体积提供大法拉数，使超級电容器的可用时间增长。另一方靣，超級电容器能释出的瞬间电流，約为其电容量的4-6倍。2-1能量密度的测量能量密度的单位为 wh/Kg (每公斤瓦小时)，wh (瓦小时)就是能量（单位为joule, 焦耳j）： 1 wh = 1W x 1h = 1 joule/sec x 3600 sec = 3600 joule (J) 1 度电 = 1 kwh = 1000 x 1 wh =

15、 3,600,000 J超級电容器之能量密度可测量如下：以短路放电的电流（代表该电容器能提供的最大电流，但最大电流与用于测量之电綫粗細有关，测量綫至少应为22平方或更粗），乘以超級电容器的电压，再乘以放电时间，所得之能量除以超級电容器的重量，即得比能量密度 (specific energy density, 以每公斤计)。以30Vx20F超級电容器雏品为例，曾被测得250A瞬间电流及2秒放电时间，故30Vx20F超級 电容器的总儲能E为： E = 30 x 250 x 2 = 15,000 J = 4.17 Wh上述E来自30Vx20F超級电容器的电容芯，其重量可用表5所显示之一个30Vx20

16、F超級电容器雏品所用的組装材料大畧估计：30Vx20F超級电容器雏品之能量密度估算为： 4.17/0.8615 = 4.84 wh/Kg不过，封边膠与外包装材料的重量会使能量密度降低。表5 、一个30Vx20F超級电容器雏品之組装材料素材重 量 (g)电极330（52片）*隔离紙36.5（48片）*铜端板695（5片）*电解液340（約400 mL）封边膠160*电容芯重量合计1561.5外包装650*均可在量产环境下控制，共可減重700 g。 铜端板更換为铝时，可減重50%。超級电容器的储能与出力（功率）之计算公式如方程式(1)和(2)：儲能(E) = 1/2电容量(C) x电压2 (V)2

17、 E = 1/2 CV2 (1)功率(P) = (1/4)电压2 (V2) ESR（內电阻） P = 1/4 V2/R (2)由方程式(1)和(2)可知，超級电容器的储能E与出力P，均与电压的平方成正比，可見电压对超級电容器之性能的重要影响。使用內串的堆叠組装技术生产超級电容器，不但能制出任何高单体电压的产品，同时还可提升超級电容器的能量密度。2-2 电池与超級电容器之能量密度的比较表6显示日本松下 (Panasonic) 所生产之电池与一些卋界大厂之超級电容器的能量密度比较：表6、电池与超級电容器的能量密度比较储电零件厂商能量(J)体积(mL)重量(g)能 量 密 度J/mLJ/gWh/Kg

18、电池松下锂离子2370017.742.51339.0557.6154.9美国A123锂离子2380034.270695.9340.094.4松下鉛酸54800230590238.392.925.8超电容美国MaxwellPC-1031.33.356.39.35.01.38韩国Nesscap26.52.43.611.07.42.04松下HW系列2.651.111.582.41.70.05表6显示不论以体积或重量为单位的能量密度，皆受零件之“包装”的影响很大。因此，表6之wh/Kg数据不能断言：“松下的锂离子电池优于美国A123之产品，或松下的超級电容器不如Maxwell、Nesscap”。超級电

19、容器重要的実用參数包括：工作电压、电容量（法拉数）、內电阻（或称ESR）及漏电流。前兩參数愈高愈具実用性（价格也愈高），后兩參数則愈低愈佳。2-3 ECO CAP之能量密度提升的策略本计划书将从超級电容器的組成元素：离子吸附材料、电觧貭、隔离膜、封装材料及干燥工艺着手，来提升ECO CAP的能量密度，表7显示所采用的策略大纲，落实后，可使ECO CAP的第一阶段能量密度达到20 wh/kg：表7、ECO CAP之能量密度提升的策略大纲#工 作 项 目目 标1複合吸附材料将电容密度：0.250.30 F/cm22无黏着剂之电极将电容密度：0.250.35 F/cm2 3胶态电觧貭将单元电压：0.

20、250.30 Volt4高电压电觧貭将单元电压：0.250.40 Volt5吸附材料/电极干燥水分含量降至1 % 以下6封边膠/外包装減重重量比現行雏品減少50 %表7之1-5项对ECO CAP的品貭、寿命及实用性，具有直接的影响，第6项则只影响测定能量密度时的結果。第5项常被超級电容器的制造者等闲视之，殊不知吸附材料与电极若含过多水分，超級电容器的漏电流与內电阻(ESR)高，电容量低（因电极的电阻高及电觧貭与水产生电化學反应），电容器也会快速老化。超级电容器的众多生产厂家基本采用了传统的真空干燥方法，从一个工序转移到下一道工序时，超级电容器素子在这个时间段又暴露在大气环境中，导致水份、空气再

21、次进入素子中， 引发前述的种种弊端。觧決之道可采用全自动超级电容器真空干燥系统。全自动真空干燥系统的优势为：将干燥时间从24-36小时缩至3-4小时。制备全过程高真空环境，高工作温度,高温度均匀度。有效排除超级电容器素子内部的水分、氧气与挥发性杂质。超级电容器素子全程处于干燥的环境。2-4 超级电容器储能的有效使用超级电容器由于自身无法產生电能，一旦放电，它必須依靠电源來補充消耗的电能，超级电容器才能再度供电。如图7显示，超级电容器的“一般”放电，为自充飽电压V降至0或较高电压的“非连续式”放电。 图7以两組超级电容器的充电与放电切換（CD swing） 提升超级电容器的能量使用效率。超级电容

22、器一放电，必須进行充电使电压回升至V后，超级电容器才能再作有力的（potent）放电。超级电容器充电至饱满前，將出現一个供电的空窗期， 使超电容不能用于连续式操作的应用。事实上，伴隋超级电容器放电，电压下降至原有的1/4时，超电容剩餘的储能（仍剩3/4）因电压过低（低于负载的驱动电压），而成为“无效的”能量。這个无效的电能于超级电容器放电时被释放，然后于超级电容器充电时被回补，形成能量的一再浪费。为使超级电容器能持续穩定地供电，並提升超级电容器的能量利用率，本计划书以两組超级电容器进行充电与放电切換（charging and discharging swing），开创CD swing技术。每組

23、超级电容器释放有效的电能后，便由另一組超级电容器放电，而原來之超级电容器则进行充电。兩組超级电容器交替担任充电与放电的任务，以flip-flop的方式作充电与放电切換，所输出的电压便如图7之穩定的“平均电壓”。前述的“平均电压”可設計等于或高于负载的驱动电压，使负载能获得持续穩定的供电，操作（如汽车的行驶）自然平順。本计划书之CD swing技术为超级电容器的运用平台，其功用为：1. 使超级电容器持续穩定地供电， 2. 只使用有效的电能，超级电容器的能量效率高，及3. 超级电容器与充电电源（如发电机）平均分摊负载的驱动电压，故电容器与电源两者的用量均可減半。透过CD swing，超级电容器可以

24、高效率运用充电电源提供的电能。超级电容器的CD Swing自动控制电路，可使超级电容器之电源供应器呈現下列电气的特性：1) 输出电压的穩定性，2) 输出功率的大小，及3) 供电之可靠度（reliability）。此自動控制电路的一种概念如图8显示：负载电源(电池)超级电容器图8 CD Swing自動控制电路概念（原载于2006年8月1日 发布的美国专利第7,085,123号）。油电混合车中，电池与发电机的动力組合 (powertrain) 可使用並联或串联形成。图9显示串联油电混合车之powertrain：发电机电池马达 电动 引擎图9油电混合车之串联powertrain。图9中之电池若以超级

25、电容器与CD Swing自動控制电路取代，即可藉由超级电容器的参项特性：1. 快速充电与放电， 2. 高功率密度，提供大马力与大扭矩，及3. 功率放大（电池无此特性）。让车子在市区和高速路的行驶，全都使用超级电容器。发电机只須提供适时适量的电流对超级电容器供电。由于发电机无須满载运作，引擎因此可以減少油料的燃燒，导致废气的排放減少。超级电容器作为功率放大器，可使100马力的引擎产生150马力的扭矩。同时，超级电容器能比电池更“快速、有效”储存再生煞车 (regenerative braking) 的回収电能。2-5 电动车的电池为了降低石油汽车的废气排放，2009 年以来，卋界各国政府大力推广

26、新能源汽车。美国总统奥巴马实施的绿色行政，将发展电动汽 车作为国家的重要战略组成部分，计划到2015年普及100万辆插电式 (plug-in) 混合动力的电力汽车；法国政府宣布，启动一项名为“电动车战役”的新能源汽车发展规 划，按照计划，2020年之前，法国的高速公路上将出现200万辆纯电动或油电混合动力汽车；德国政府在2009年11月提出，未来10年将普及100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车，进而进入电动汽车时代；日本将发展电动汽车作为“低炭革命”的核心内容，计划到2020年开发出至少17款纯电动汽车，普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆；韩国政府决定到2014年为止，将

27、投资4000亿韩元，支援企业研发电动汽车相关核心技术以及零部件和材料，计划到2015年韩国电动汽车在国际市场上的份额要达到10。中国也不例外，新能源汽车特别是电动汽车一直是政府优先发展的产业。国家863计划在启动之初即安排了电动汽车专项，累计投入3亿多元人民币支持多项关键技术的研究。20世纪90年代以来，国家计委、科技部等部门开始有组织、有领导且有步骤地推动电动汽车的研究开发与产业化。“电动汽车关键技术研究”、“电动轿车概念车开发”等国家“八五”、“九五”重大科技产业化工程项目的实施，取得了一批世界领先的技术成果。1999年，国家13个部委联合发起了“清洁汽车行车”号召。作为首选的产业化目标，

28、燃气汽车和电动汽车被列为重点。2000年，科技部进一步将电动汽车的产业化列为“十五”科技工作重中之重的重大专项。2009年，政府更是把新能源汽车作为新一轮的经济增长的突破口和实现交通能源转型的根本途径来 抓。2009年3月，国务院正式出台的汽车产业调整和振兴规划明确提出了新能源汽车的3年产业化目标，即到2011年，要形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车总销量的5%左右。中国还率先启动了大规模推广电动汽车的10城千辆新能源汽车的示范工程，第一批电动汽车已经在全国的13个城市开始运行。到2012年，运行的车辆将超过6万辆，相关基础设施也正在加快

29、建设。根据“十二五”新能源汽车发展规划专家提出的设想，2015年后，中国将真正进入新能源汽车产业化阶段，预计到2020年，中国国内混合动力汽车保有量将达到1800万辆，纯电动车保有量将达到400万辆。2010北京国际车展上，各国汽车制造商共推出了95辆新能源车，其数量几乎占了参展整车数量的1/10。然而，大面积地推广普及新能源汽车还面临着诸多阻碍和发展瓶颈，特别是新能源车高于传统 汽车23倍的价格令消费者望而却步。新能源汽车价格高昂的原因：首先是早期的科研投入和基础设施投入都十分巨大，其次是新能源车的配套设施不完善、续驶里程短，及以小批量车型制造，成本高。更重要的原因是，电动车动力源的电池有以

30、下的缺陷：能量密度低，重量大，寿命短，及价格贵。以最先进的锂离子电池为例，平均能量密度仅能达到100-150 Wh/kg左右，而汽油的平均能量密度为12000 Wh/kg。相比之下，锂离子电池的能量密度仅为汽油的1/120。为满足一定的续驶里程（例如180 km）需求，一辆中型的新能源电动轿车，其携带的电池重量重达400 kg以上，电池的价格与量均约为车价/车重的50%左右。专家指出，要使新能源电动车在电池充满电后具有与汽油发动机汽车相同的续驶里程，电池的能量密度至少須为700 Wh/kg。更有专家指出，电池能量密度必须达到目前锂电池水平的810倍（即 8001000 Wh/kg）才能满足需求

31、。由于目前的动力电池达不到理想的能量密度，因此业界采取的措施是：降低一次充电后的续驶里程数指标（一般为行驶200km以下），或者增加攜帯之电池的重量。即令动力电池能达到理想的8001000 Wh/kg能量密度，其价格必定更加高昂；专家指出1000 Wh/kg的价格应为150美元，为一个不能实現的梦想（參考表8所列的价格）。以研制高性能的电池作为重要的发展方向，有如緣木求魚。 表8超级电容器与电池的价格比较储能零件能量密度(瓦小時/公斤)能量价格($美元/瓦小時)功率价格($美元/仟瓦)超级电容器1 - 51612铅酸电池30 - 450.1280镍氢电池440.6575锂电池70 - 1500

32、.5075 資料来源：麥克斯威尔副总John Miller之2008年简报。美国总统奥巴马 2009年8月宣布以20亿美元支持先进动力电池的研发和产业化；日本政府计划在2011年以前，投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右，新型的锂电池将规模化地应用于下一代电动汽车；德国从2010年起，启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。中国从“八五”计划起就将电池研究列入国家攻关项目，所开发的磷酸铁锂电池的能量密度已能达到80 Wh/kg。下一步，中国动力电池的发展目标是：到2020年，使其成本下降2/3，能量密度提高一倍多。超级电容器的寿命

33、远长于現有或“未来发展成功”的电池，电容器的重量也比电池轻。高单体电压ECO CAP的生产工艺已确定，发展适合新能源车使用的CD Swing自動控制电路，須不到1亿美元的投资，且須时1年左右。发电机 + ECO CAP + CD Swing的組合可新能源电动车获得以下之立竿見影的效果：1. 減少发展的投入金额。2. 车价降低，早日普及。3. 无更換动力組 (powertrain) 的费用，即免保养。4. 车子马力大、行驶平穩、航程远。5. 二氧化碳排放量降低。美国紐約Pike Research机构在2011年第4季发行一本电动车电池的研究报告（訂价3800美元）。以下是该报告的摘要：Elect

34、ric Vehicle BatteriesLithium Ion Batteries for Hybrid, Plug-in Hybrid, and Battery Electric Vehicles: Market Analysis and ForecastsOver the past few years, the automotive industry has increased its focus on the electric vehicle (EV) market by successfully introducing several new plug-in hybrid and b

35、attery electric vehicles as the process of moving away from petroleum based fuels and toward battery power intensifies. These vehicles will rely almost exclusively on lithium ion (Li-ion) batteries, while hybrid vehicles will slowly switch from nickel-metal hydride (NiMH) technology. While the cost

36、of Li-ion batteries is gradually declining, cost still represents a significant hurdle as it accounts for a large portion of total EV cost.The government subsidies that gave the initial impetus to the electric vehicle market will continue to drive the market in the near term. However, significant re

37、ductions in battery cost are imperative for the industry to grow to the $14.6 billion and 28 million kWh market that Pike Research forecasts by 2017. Nearly half of the demand is likely to come from Asia (led primarily by China) while Europe and United States are likely to constitute 25% and 21% sha

38、res respectively. There are currently more than half a dozen battery chemistries with unique properties for power, energy density, and life cycle performance that are being commercialized. While there is no chemistry that emerges as the clear winner (owing to the tradeoffs in the various properties)

39、, initial indications point to a greater interest in the lithium iron phosphate chemistry in the years to come due to its superior performance characteristics coupled with increased safety.第三章 超級电容器与汽车超級电容器目前在汽车界应用最多的，是为石油车节油。由於二氧化碳来自石油的燃燒，故节省若干%油，便減少相同%之废气排放。虽然ECO CAP目前实测的数据很少，但超級电容器在倫敦与紐約之油电混合公交车上

40、的数年试验，支持ECO CAP之实测結果是真实的。3-1 ECO CAP为石油车节油在2011年3月及4月2026日间，兩颗高单体电压ECO CAP：30V/9F与30V/20F分別装在台湾台南市新營客运的柴油大巴上，和电瓶並联进行路测，以评估ECO CAP能否为柴油引擎节油減排，結果显示于表9： 表9 、柴油大巴以375公升(375 L)柴油在无与加装ECO CAP下的行驶测 试距离 (Km)每行驶1 公里的用油 (L)节油量 (L)CO2 減排量*无ECO CAP10060.373-30V/9F 15270.24666.2145 Kg30V/20F16470.22892.9203 Kg*汽

41、油每燃燒1公升产生2.19 Kg CO2。另一颗30V/20F ECO CAP安装于图10之15吨游览车：图10. 30V/20F ECO CAP 为15吨游览车节省31%油料。运转电压：游览车因车上安裝有許多电器設備:如110V音响及多部液晶电視，卡拉OK等，其电压负荷较高，一般正常车況：未裝(30V/20F)前电压：怠速运转:25.5V 高速运转:27.5V安裝(30V/20F)後电压：怠速运转:26.5V 高速运转:28.5V油耗：(每公升柴油以29元新台币计)无电容器:平均每公里油耗11.5元/km (一般道路及高速公路平均值)加电容器:平均每公里油耗 7.9元/km (一般道路及高速

42、公路平均值)每公里节省3.6元新台币（約0.8元人民币），或31%油料。ECO CAP与汽车电瓶的连接可采直接並联（如图11），或安裝在方向盤下方的ACC (Accessory)电源綫上（如图12）：图11. 一个30V/6F ECO CAP 图12. 一个30V/6F ECO CAP安与一部送貨小卡车的电瓶並联， 装于一部1997本田Civic (1600cc) 为小卡车节省30% 油料。 方向盤下方之驾驶員左恻，为车子 节省10-15% 油料。图10至图12之ECO CAP与汽车电源的连接中，具有一个共同奌，即以车鑰匙控制ECO CAP与电瓶的电气连接，如图13显示： 图13. ECO C

43、AP与汽车电源的连接。车子起动时，钥匙的电源输送一小电流，使ECO CAP与电瓶马上连接，电瓶开ECO CAP。车子一熄火，ECO CAP便与电瓶断连，避免超級电容器洩露电瓶的储电。現代汽车在燃油效益技术的提升及电脑控制，使ECO CAP为汽车节能的效率无法像表9那般显著。例如，ECO CAP为本田Civic节省的油料便比柴油公交车及游览车少。另外，以30V/20F或30V/6F雛品进行汽车之节能減排测试，显示現行ECO CAP技术的可行性：1. ECO CAP增加汽车的运转电压，及穩定火星塞的奌火电压，产生 节油的功效。2. 30V ECO CAP的应用范围広泛，可用于柴油车与汽油车。3.

44、ECO CAP的电容量应以20F为基准。超級电容器能提供汽车在：启动、加速、爬坡、点大灯/冷气时所需的额外电流，避免引擎燃燒额外汽（柴）油而节油。対汽油车而言，节油主要來自超級电容器能使火星塞的点火电压穩定，汽油燃燒完全，产生足夠的动力，減少汽油的使用量。柴油车不用火星塞，但超級电容器能提供大电流，使柴油引擎容易启动；柴油引擎的启动次数愈多，节油效果愈显著。3-2超級电容器与柴油引擎結合的実例早在2000年初，汽车工业便已展示：超級电容器的节能減排功效。 以下是兩个超級电容器与柴油引擎結合而节油的実例：3-2-1 丰田 ES3 概念车日本丰田汽车公司在2002年，推出一款取名为ES3 (Eco

45、 Spirit Cubic) 的柴油-电动混合概念车。这款车创下：1) 以2.7公升柴油跑了100公里，及2) 每公里只产生71g CO2的記錄。不过，丰田沒有量产ES3，而将技术应用于2003年的Raum 並命名为Toyota Eco-Plastic.。 图14 丰田之ES3 为使用超級电容器的柴油-电动混合车，曾以2.7公升柴油行驶100公里（100Km/3L为业界公认的里程碑）。ES3之傑出的节油与环保表現可帰功于下列因素：1. 车体使用鋁及树脂，总车重只有 700 Kg；2, 流线形车体，空气阻力系数为Cd 0.23；3. 1.4公升的直噴式与采用无級変速 (CVT) 的柴油引擎；4.

46、 排气管上装柴油颗粒NOx減少 (DPNR) 器；5. 以再生煞车与Stop & Go （车子靜止时，引擎便熄火）节油，6. 车子減速与停止时产生的回收电能，儲存于以DC/DC转换器和12V电瓶並联的42V超級电容器里。电容器可单独或与电瓶合作使引擎再启动。丰田已证実超級电容器和鉛酸电瓶的結合，比丰田热売的Prius油电混合车所用之镍氢电池，更有效率且较便宜。3-2-2标緻-雪鉄笼停-开(Stop-Start) 系統法国汽车公司PSA标緻-雪鉄笼 (Peugeot-Citron) 在2010年，使用美国麥克斯威尔 (Maxwell) 公司生产的超級电容器模块，开发一种輕度 (mild) 油电混

47、合动力马达称为e-HDI。 e-HDI 马达的电路拓扑结构显示于图15：发电机电子控制引擎充电14V 或高至30V电压车子电气负载 图15 PSA标緻-雪鉄笼e-HDI马达的电路拓扑结构。当车速低于20 Km/hr时，系統中的変速箱会使柴油引擎熄火減少油耗，超級电容器供应引擎再启动所需的电力。 PSA的HDI马达为一种启动发电机（启动马达与发电机整合为一体，称为ISA），包含一具传統的 1.4-L 或 1.6-L 柴油引擎，一个鉛酸电瓶，及数百歐元的新零件（亦即HDI马达比原马达貴数百歐元，但省油）。为維持 开-停无怠速 (idling) 系統的运作，超級电容器模块必須依指令，提供ISA之快速

48、頻繁启动所需的电力。车上的电子控制管理“煞车/节流逻辑”，在低车速时关闭引擎，当驾驶腳踏加油板或离合器时，电子控制便发出指令，使车子在400微秒 (0.4秒) 內启动（比传統柴油引擎快速）。透过停-开系統， PSA 使其汽车在市区的行驶減少15% 的油耗和CO2 。PSA 也发現以超級电容器启动车子，可使鉛酸电瓶縮小30%，电瓶因此可从行李箱移至引擎室，免除使用20 呎长的粗铜线、复雜配电及人工。这些节省可沖消开-停系統之新零件的部份成本。PSA标緻-雪鉄笼汽车公司计划2012年起，所生产的柴油汽车中，三成使用停-开系統，並期望接下來的3年，能売出100万辆以上的新柴油车。3-3 Mazda發

49、表i-ELOOP高效率电容式動能回收系統2011/11/29 繼日前以世界第一的14：1高壓縮比SKYACTIV-G 1.3节能引擎，獲得日本RJC2012年最佳車輛科技大獎之后，Mazda原廠研發團隊再接再勵，發表世界首創的高效率电容式動能回收系統，命名为MAZDAi-ELOOP，藉由這套系統回收儲存車輛減速时的動能，能提高10的燃油經濟性，且這項技术已經相當成熟，Mazda預告将于2012年開始将i-ELOOP系統配置于量產車型之上，使Mazda未來世代車款更节能、更環保！图16MAZDAi-ELOOP是Intelligent Energy Loop（智慧動能循環）系統的縮寫，這套系統与傳統的Hybrid或是煞車動能回收系統不同之處，在于以电容取代电池，儲存車輛減速时回收的動能，相较于电池擁有更理想的充电与放电速度，除了減速瞬间较大的充电需求有较寬容的彈性，可以吸收和提供更大的电力之外，同时也擺脫电池頻繁充放电容易衰退的問題，捨棄傳統動能回收系統需要專用馬達与电池的麻煩。 以电容替代电瓶的動能回收节能技术图17Mazdai-ELOOP系統採用一具12-25V可變电壓發电機，及低电阻雙电層电容做为电力儲存装置