鄭俊生：48V汽車啟動電源及混合型鋰離子超級電容器

時(shí)間:2015-12-30 15:02來源:中國電池聯(lián)盟 作者:西顧
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        這個(gè)題目是我和鄭劍平教授一起做的，48V的啟停系統(tǒng)要求非常苛刻，今天上午白博士也介紹了汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展。我們汽車行業(yè)從目前來講產(chǎn)銷量連續(xù)七年世界第一，包括汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過GDP10%，雇傭了10%以上的勞動力。但是大家的腰桿不硬，包括很多問題，自主品牌的問題，能源的問題，因?yàn)槲覈茉唇Y(jié)構(gòu)比較特殊，少油的國家。因?yàn)槠囆袠I(yè)的蓬勃發(fā)展，我們石油依存度50%，問題非常嚴(yán)重。
 
         另外是環(huán)境的問題，前幾天北京、上海霧霾都非常嚴(yán)重，我自己一直是不戴口罩，上次也拿起了口罩。三分之一城市污染來自于汽車行業(yè)，所以說怎么樣讓汽車行業(yè)從能源和環(huán)境問題解脫出來，我們國家做了很多工作。包括我們國家有新能源汽車研發(fā)戰(zhàn)略，十幾年前就提出來了，包括我們有三縱三橫的戰(zhàn)略，我自己做電池十多年了，如果真正走向市場要有比較長的路。
 
         在可預(yù)見的將來，新能源汽車在路上，包括純電動汽車這段時(shí)間是火爆的，但是每個(gè)月的銷售是幾萬輛，但是每年汽車產(chǎn)銷量是兩千多萬。但是國家的法規(guī)變的極為苛刻，馬上實(shí)施的乘用車平均燃油耗能核算辦法是5升，所以說我們要找到這個(gè)問題方法。預(yù)測來算通過回收汽車在減速剎車時(shí)候的能量，用于汽車怠速或者交叉口啟動的能量，減少20%的排放，節(jié)能15%的目的，如果能夠達(dá)到這個(gè)目的，整個(gè)行業(yè)我們也是可以接受的。
 
         這個(gè)系統(tǒng)大家都很熟悉，具體怎么操作的呢？在紅燈的時(shí)候傳統(tǒng)汽車還在工作著，這個(gè)時(shí)候發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速很低，在低的轉(zhuǎn)速情況下能耗排放卻是很大的，如果說把汽車的發(fā)動機(jī)關(guān)掉，綠燈的時(shí)候通過啟停系統(tǒng)把車啟動，減少能量排放。
 
         在五年以前啟停系統(tǒng)成為汽車行業(yè)研究的熱點(diǎn)，特別是在日本和歐洲。2011年的時(shí)候奧迪、寶馬、保時(shí)捷、戴姆勒說會采用48V的系統(tǒng)，2012年的時(shí)候在寶馬七系采用了48V系統(tǒng)，可以根據(jù)客戶的需求關(guān)掉和開啟，現(xiàn)在國內(nèi)比亞迪也做了很好的工作。
 
          這是馬自達(dá)用的超級電容器的啟動系統(tǒng)，但是回收的能量并沒有用在啟動，主要用來汽車的電子儀表和大燈，通過他們的計(jì)算，可以降低10%的能耗。三菱這個(gè)車是根據(jù)很小的一個(gè)發(fā)動機(jī)，1.1的排量安全可以達(dá)到2.2的承重車。事實(shí)上我們啟停系統(tǒng)有一個(gè)新優(yōu)勢，但是這是非常重要的。但是對啟停來說，我們不僅要考慮能量好，還要考慮功率密度，對功率和系統(tǒng)密度要求非常高，整個(gè)系統(tǒng)包括電極和電纜、控制系統(tǒng)。
 
          這里我列了美國先進(jìn)電池聯(lián)盟對48V電池的需求，包括循環(huán)壽命15萬次，最大工作壓力是90。它的功率和能量都達(dá)到這個(gè)要求，電容器有很嘎的功率特性，可以達(dá)到功率和壽命的要求，能量仍然滿足不了啟停系統(tǒng)的要求。
 
          回過頭看一下電容器和電池的產(chǎn)品，對電池來說我們可以想象它像很大的容量，這是它的輸出推動，規(guī)律性很差。電容器正好相反，超級電容器是雙向的結(jié)構(gòu)，很大部分會提高電容器的能量密度，包括很多人報(bào)道的非常高的幾十瓦斯能量密度。如果你光關(guān)注這些是沒有問題的，但是我們不僅是電極材料，我們把電解質(zhì)也認(rèn)為是儲存的部分，這種情況下可以計(jì)算出來，對傳統(tǒng)來說超級電容器的能量密度即使在充放電過程中的很難程度。但是在這種情況下，鉛酸電池和鎳氫可以和電動車混合，提高能量密度，為什么電池和電動混合就非常困難呢？對鋰電池來講用鈷酸鋰或者錳算鋰，但是超級電容器的電源是2.7V，如果在這種情況下我們和他們進(jìn)行混合就會遇到一個(gè)問題。
 
          如果在3V以上操作的話，電容器就壞掉了。低于2.7V操作的話，我們用不到鋰電池平臺，根本達(dá)不到混合目的。在這種情況下，無法達(dá)到我們希望的提高它的能量密度和功率密度的想法。鄭教授發(fā)明了離子超級電容器，通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)，把電容器的電量提高到4.2V，這種情況下我們就可以實(shí)現(xiàn)混合了。我們拿到了美國的一項(xiàng)技術(shù)，下一步就可以授權(quán)了。中間這個(gè)是我們混合型電容器，邊上是鋰電池的，我們可以實(shí)現(xiàn)電壓的評審。
 
          我們發(fā)現(xiàn)在低的輸出的時(shí)候，我們能量密度是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電容器，但是要低于鋰電池。在高的規(guī)律輸出的時(shí)候，我們能量密度要高于鋰離子超級電容器。我們混合型超級電容器可以應(yīng)用在鋰離子電池和超級電容器沒法好好工作的區(qū)域，在相對比較高的能量密度和很高的功率密度。我們可以做的更高，但是就會一定程度上犧牲功率密度。大概是兩千個(gè)小時(shí)測試了一下，后面可能還需要繼續(xù)去測試。
 
          我們可以看到汽車啟停系統(tǒng)在一定程度上達(dá)到節(jié)能減排的目的，可以減少20%的能耗，減少15%的排放。但是要求的特別苛刻，無法滿足要求。同時(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上開發(fā)了混合型的電源，可以實(shí)現(xiàn)能量和功率密度統(tǒng)一，目前可以滿足汽車啟停系統(tǒng)對電源的要求。
 
          同時(shí)，這種新型電源系統(tǒng)可用于鋰離子電池和電容器無法勝任的產(chǎn)所。
 
 
 
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