郑俊生：48V汽车启动电源及混合型锂离子超级电容器

时间:2015-12-30 15:02来源:中国电池联盟作者:西顾

点击: 次

这个题目是我和郑剑平教授一起做的，48V的启停系统要求非常苛刻，今天上午白博士也介绍了汽车行业的蓬勃发展。我们汽车行业从目前来讲产销量连续七年世界第一，包括汽车产业产值超过GDP10%，雇佣了10%以上的劳动力。但是大家的腰杆不硬，包括很多问题，自主品牌的问题，能源的问题，因为我国能源结构比较特殊，少油的国家。因为汽车行业的蓬勃发展，我们石油依存度50%，问题非常严重。

另外是环境的问题，前几天北京、上海雾霾都非常严重，我自己一直是不戴口罩，上次也拿起了口罩。三分之一城市污染来自于汽车行业，所以说怎么样让汽车行业从能源和环境问题解脱出来，我们国家做了很多工作。包括我们国家有新能源汽车研发战略，十几年前就提出来了，包括我们有三纵三横的战略，我自己做电池十多年了，如果真正走向市场要有比较长的路。

在可预见的将来，新能源汽车在路上，包括纯电动汽车这段时间是火爆的，但是每个月的销售是几万辆，但是每年汽车产销量是两千多万。但是国家的法规变的极为苛刻，马上实施的乘用车平均燃油耗能核算办法是5升，所以说我们要找到这个问题方法。预测来算通过回收汽车在减速刹车时候的能量，用于汽车怠速或者交叉口启动的能量，减少20%的排放，节能15%的目的，如果能够达到这个目的，整个行业我们也是可以接受的。

这个系统大家都很熟悉，具体怎么操作的呢？在红灯的时候传统汽车还在工作着，这个时候发动机转速很低，在低的转速情况下能耗排放却是很大的，如果说把汽车的发动机关掉，绿灯的时候通过启停系统把车启动，减少能量排放。

在五年以前启停系统成为汽车行业研究的热点，特别是在日本和欧洲。2011年的时候奥迪、宝马、保时捷、戴姆勒说会采用48V的系统，2012年的时候在宝马七系采用了48V系统，可以根据客户的需求关掉和开启，现在国内比亚迪也做了很好的工作。

这是马自达用的超级电容器的启动系统，但是回收的能量并没有用在启动，主要用来汽车的电子仪表和大灯，通过他们的计算，可以降低10%的能耗。三菱这个车是根据很小的一个发动机，1.1的排量安全可以达到2.2的承重车。事实上我们启停系统有一个新优势，但是这是非常重要的。但是对启停来说，我们不仅要考虑能量好，还要考虑功率密度，对功率和系统密度要求非常高，整个系统包括电极和电缆、控制系统。

这里我列了美国先进电池联盟对48V电池的需求，包括循环寿命15万次，最大工作压力是90。它的功率和能量都达到这个要求，电容器有很嘎的功率特性，可以达到功率和寿命的要求，能量仍然满足不了启停系统的要求。

回过头看一下电容器和电池的产品，对电池来说我们可以想象它像很大的容量，这是它的输出推动，规律性很差。电容器正好相反，超级电容器是双向的结构，很大部分会提高电容器的能量密度，包括很多人报道的非常高的几十瓦斯能量密度。如果你光关注这些是没有问题的，但是我们不仅是电极材料，我们把电解质也认为是储存的部分，这种情况下可以计算出来，对传统来说超级电容器的能量密度即使在充放电过程中的很难程度。但是在这种情况下，铅酸电池和镍氢可以和电动车混合，提高能量密度，为什么电池和电动混合就非常困难呢？对锂电池来讲用钴酸锂或者锰算锂，但是超级电容器的电源是2.7V，如果在这种情况下我们和他们进行混合就会遇到一个问题。

如果在3V以上操作的话，电容器就坏掉了。低于2.7V操作的话，我们用不到锂电池平台，根本达不到混合目的。在这种情况下，无法达到我们希望的提高它的能量密度和功率密度的想法。郑教授发明了离子超级电容器，通过独特的设计，把电容器的电量提高到4.2V，这种情况下我们就可以实现混合了。我们拿到了美国的一项技术，下一步就可以授权了。中间这个是我们混合型电容器，边上是锂电池的，我们可以实现电压的评审。

我们发现在低的输出的时候，我们能量密度是要远远高于电容器，但是要低于锂电池。在高的规律输出的时候，我们能量密度要高于锂离子超级电容器。我们混合型超级电容器可以应用在锂离子电池和超级电容器没法好好工作的区域，在相对比较高的能量密度和很高的功率密度。我们可以做的更高，但是就会一定程度上牺牲功率密度。大概是两千个小时测试了一下，后面可能还需要继续去测试。

我们可以看到汽车启停系统在一定程度上达到节能减排的目的，可以减少20%的能耗，减少15%的排放。但是要求的特别苛刻，无法满足要求。同时在这个基础上开发了混合型的电源，可以实现能量和功率密度统一，目前可以满足汽车启停系统对电源的要求。

同时，这种新型电源系统可用于锂离子电池和电容器无法胜任的产所。

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