隨著北美汽車市場(chǎng)對(duì)啟停系統(tǒng)的接受程度日益增加，各家廠商開始考慮借助鋰離子電池、超級(jí)電容、48V“輕混”系統(tǒng)等一系列技術(shù)，應(yīng)對(duì)相當(dāng)車輛頻繁啟停，通常每天多達(dá)超過20次的工況。簡(jiǎn)單來說，啟停系統(tǒng)的工作原理是通過減少發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，達(dá)到降低車輛燃料消耗和排放的目的。

即使是最不可撼動(dòng)的鉛酸電池也開始進(jìn)化了。如今，過去幾十年來最常用的傳統(tǒng)電池正逐漸被支持深度循環(huán)(deep-cycling)功能的增強(qiáng)型富液式蓄電池(Enhanced Flooded Battery，下簡(jiǎn)稱EFB)和吸附式玻璃纖維隔板(Absorbent Glass Mat，下簡(jiǎn)稱AGM)電池所取代。雖然電子元件的快速普及也是一個(gè)因素，但造成這一趨勢(shì)的關(guān)鍵原因還是在于啟停系統(tǒng)的崛起，而啟停系統(tǒng)會(huì)對(duì)電池的快充功能和使用壽命提出更高要求。

“一般而言，較大的12V AGM電池的使用壽命是傳統(tǒng)電池的4倍，這對(duì)汽車啟停系統(tǒng)目前的推廣非常重要。”通用汽車(GM)啟停系統(tǒng)全球總監(jiān)Kathi Walker表示，“鋰離子電池的應(yīng)用可在近期成為現(xiàn)實(shí)。”

雖然鋰離子電池可能終有一日會(huì)成大氣候，但目前由于其過于高昂的價(jià)格，并不適合用作車輛啟動(dòng)、照明和打火供電的主要電源。不過，鋰離子電池仍然可以在動(dòng)力系統(tǒng)之外發(fā)揮作用。

“如果要綜合考量性能與成本，鉛酸蓄電池和高級(jí)鉛酸電池仍是世界上最適合內(nèi)燃機(jī)汽車的電源技術(shù)，而且這一情況在未來10年內(nèi)不會(huì)改變。”全球最大的鉛酸蓄電池供應(yīng)商江森自控(Johnson Controls)動(dòng)力解決方案部高級(jí)市場(chǎng)&技術(shù)戰(zhàn)略師Craig Rigby表示，“這就是說，我們可以通過新增鋰離子電池等技術(shù)，提高鉛酸電池的燃料經(jīng)濟(jì)性，以支持制動(dòng)動(dòng)能回收等更多的車內(nèi)電動(dòng)功能。”

△江森自控正在不斷提高AGM電池的產(chǎn)量，以滿足北美市場(chǎng)對(duì)啟停系統(tǒng)的需求

目前，啟停系統(tǒng)正是驅(qū)動(dòng)汽車電池領(lǐng)域轉(zhuǎn)型的主要推力。美國(guó)阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾在2015年發(fā)布了一份研究報(bào)告，分析啟停系統(tǒng)對(duì)車輛啟動(dòng)系統(tǒng)元件壽命的影響，其中也包括電池。研究顯示，傳統(tǒng)富液式鉛酸啟動(dòng)器電池的使用壽命與很多因素有關(guān)，其中受車輛啟動(dòng)次數(shù)的影響最小。事實(shí)上，真正影響電池使用壽命的因素，是發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停時(shí)不能充分為蓄電池充電，以及發(fā)動(dòng)機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下的過度放電。由于放電深度的影響，每次發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，車內(nèi)輔助設(shè)備的耗電對(duì)電池使用壽命的影響最大，也最直接。如果電池可以在發(fā)動(dòng)機(jī)兩次啟動(dòng)之間充分充電，上述的耗電對(duì)電池的影響幾乎可以忽略不計(jì)，甚至可以認(rèn)為根本就不會(huì)產(chǎn)生影響。

與此形成對(duì)比的是，阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果顯示，無論發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)如何，如果車輛的電池一直無法達(dá)到滿充狀態(tài)，電池就會(huì)更快發(fā)生故障。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于交流發(fā)電機(jī)的功率輸出較低，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)并不能為電池進(jìn)行有效充電，而駕駛過程中的充電效果最佳。

對(duì)于電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，為頻繁重新啟動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供電力僅是需要面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。為了讓消費(fèi)者接受帶有啟停系統(tǒng)的車型，保證車內(nèi)音響和照明功能處于恒定狀態(tài)非常重要，這就需要12V電池所扮演的“緩沖”角色。

“在啟動(dòng)時(shí)，車輛的電系會(huì)經(jīng)歷一次電壓驟降，從而導(dǎo)致車內(nèi)照明變暗等狀況。”Walker表示，“為了保證車內(nèi)照明等功能的穩(wěn)定性，車輛可以采用多種技術(shù)，保護(hù)車內(nèi)元件不受電壓驟降的影響，從而在車輛啟動(dòng)過程中保證消費(fèi)者的滿意度。這些技術(shù)包括雙電池設(shè)計(jì)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和超級(jí)電容等。”

目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了多款采用雙電池系統(tǒng)的車型，這種設(shè)計(jì)可以支持車內(nèi)大量的耗電功能與應(yīng)用。由于如今的車輛不僅采用了很多復(fù)雜的節(jié)能技術(shù)，而且還應(yīng)用了多種多樣的安全功能，這種雙電池的設(shè)計(jì)也將日益普遍。

舉例而言，2016款2.5L雪佛蘭邁銳寶的啟停系統(tǒng)正是采用了雙電池設(shè)計(jì)：一塊12V電池位于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋之下，另一塊則安裝在車尾。系統(tǒng)(為了加快啟動(dòng)速度而搭配了一個(gè)串聯(lián)螺線圈啟動(dòng)器)經(jīng)過特別校準(zhǔn)，當(dāng)車輛內(nèi)燃機(jī)停止工作時(shí)，第二塊電池可以接收信號(hào)立刻接管車內(nèi)的輔助系統(tǒng)供電負(fù)載，比如照明、空調(diào)、音響、車窗和門鎖的功能。此外，即使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，車輛的空調(diào)此時(shí)仍然可以正常運(yùn)行，只不過會(huì)轉(zhuǎn)換為低功率模式。

△基礎(chǔ)款2.5L邁銳寶啟停系統(tǒng)的示意圖，其中1代表12V AGM主電池;2代表雙電池隔離模塊;3代表為了保證車輛配重平衡而安裝在車尾的12V AGM輔助電池。

“雙電池系統(tǒng)可以在多個(gè)方面體現(xiàn)自己的價(jià)值，未來這種設(shè)計(jì)將越來越普遍，”Rigby表示，“兩塊電池可以在車輛的啟停過程中提供更穩(wěn)定的電壓，還能為高級(jí)安全系統(tǒng)提供高級(jí)別的可靠性冗余。此外，這種雙電池、雙化學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是性能和成本之間的最佳平衡，可以為汽車生產(chǎn)商和消費(fèi)者提供最大的價(jià)值。”

通常來說，車輛的第二塊電池多為48V系統(tǒng)。系統(tǒng)的電壓更高，驅(qū)動(dòng)停車攝像頭和整合式傳感器等功能就越容易。雖然48V系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)多多，但專家稱汽車行業(yè)未來可能仍會(huì)沿用12V系統(tǒng)。不過，起亞(Kia)公司曾在2016年芝加哥車展上發(fā)布了2017款Niro混動(dòng)多功能車，這款CUV并未搭配12V鉛酸電池，而是直接通過48V鋰電池組為車輛頭燈、擋風(fēng)窗雨刷等功能供電，而這些功能通常是由傳統(tǒng)的12V鉛酸電池支持的。

“更高的電壓可以降低系統(tǒng)的峰值電流。”德州儀器(Texas Instruments)商業(yè)發(fā)展經(jīng)理Stefano Zanella表示，“電池對(duì)其在特定安培小時(shí)內(nèi)釋放的容量和負(fù)載電流非常敏感，充分利用電池的這一特點(diǎn)，可以有效延長(zhǎng)電池使用壽命、減少電纜尺寸，從而降低成本，并減輕重量。”

Zanella解釋說，48V系統(tǒng)必須搭配DC/DC轉(zhuǎn)換器或第二塊12V電池工作，這是由于目前的汽車采用了大量成本非常低的12V元件，汽車生產(chǎn)商一時(shí)很難將這些元件全部替換為48V元件。

除了48V系統(tǒng)，一些開發(fā)者還選擇使用超級(jí)電容為車輛的啟停系統(tǒng)供電。這些超級(jí)電容可以在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉期間提供電力，不會(huì)給電池造成任何負(fù)擔(dān)。

“由于超級(jí)電容在放電時(shí)并不涉及化學(xué)反應(yīng)，因此放電速度非?？?。”通用汽車的Walker表示，“2016款凱迪拉克ATS和CTS均采用了超級(jí)電容的設(shè)計(jì)，可以在車輛啟動(dòng)時(shí)提供更快的能量提升。這種能量流可以加快發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)速度，有助于為駕駛員提供更加流暢的再啟動(dòng)體驗(yàn)。”

這種設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)鉛酸電池的使用壽命。在凱迪拉克系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，通用公司與大陸集團(tuán)(Continental)合作，采用了麥克斯威科技公司(Maxwell Technologies)的超級(jí)電容，有力補(bǔ)充了車輛的電池電源，但目前高性能版ATS-V和CTS-V尚未采用超級(jí)電容的設(shè)計(jì)。

“增加一個(gè)超級(jí)電容可以顯著降低電池的啟動(dòng)電流，從而延緩電池化學(xué)材料的損耗。”麥克斯威高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Jens Keiser表示，“此外，這種設(shè)計(jì)還能降低電池的峰值電流需求。”