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鄭俊生：48V汽車啟動電源及混合型鋰離子超級電容器

時間:2015-12-30 15:02來源:中國電池聯盟作者:西顧

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這個題目是我和鄭劍平教授一起做的，48V的啟停系統要求非常苛刻，今天上午白博士也介紹了汽車行業的蓬勃發展。我們汽車行業從目前來講產銷量連續七年世界第一，包括汽車產業產值超過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，因為我國能源結構比較特殊，少油的國家。因為汽車行業的蓬勃發展，我們石油依存度50%，問題非常嚴重。

另外是環境的問題，前幾天北京、上海霧霾都非常嚴重，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，所以說怎么樣讓汽車行業從能源和環境問題解脫出來，我們國家做了很多工作。包括我們國家有新能源汽車研發戰略，十幾年前就提出來了，包括我們有三縱三橫的戰略，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。

在可預見的將來，新能源汽車在路上，包括純電動汽車這段時間是火爆的，但是每個月的銷售是幾萬輛，但是每年汽車產銷量是兩千多萬。但是國家的法規變的極為苛刻，馬上實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問題方法。預測來算通過回收汽車在減速剎車時候的能量，用于汽車怠速或者交叉口啟動的能量，減少20%的排放，節能15%的目的，如果能夠達到這個目的，整個行業我們也是可以接受的。

這個系統大家都很熟悉，具體怎么操作的呢？在紅燈的時候傳統汽車還在工作著，這個時候發動機轉速很低，在低的轉速情況下能耗排放卻是很大的，如果說把汽車的發動機關掉，綠燈的時候通過啟停系統把車啟動，減少能量排放。

在五年以前啟停系統成為汽車行業研究的熱點，特別是在日本和歐洲。2011年的時候奧迪、寶馬、保時捷、戴姆勒說會采用48V的系統，2012年的時候在寶馬七系采用了48V系統，可以根據客戶的需求關掉和開啟，現在國內比亞迪也做了很好的工作。

這是馬自達用的超級電容器的啟動系統，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，通過他們的計算，可以降低10%的能耗。三菱這個車是根據很小的一個發動機，1.1的排量安全可以達到2.2的承重車。事實上我們啟停系統有一個新優勢，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，對功率和系統密度要求非常高，整個系統包括電極和電纜、控制系統。

這里我列了美國先進電池聯盟對48V電池的需求，包括循環壽命15萬次，最大工作壓力是90。它的功率和能量都達到這個要求，電容器有很嘎的功率特性，可以達到功率和壽命的要求，能量仍然滿足不了啟停系統的要求。

回過頭看一下電容器和電池的產品，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，規律性很差。電容器正好相反，超級電容器是雙向的結構，很大部分會提高電容器的能量密度，包括很多人報道的非常高的幾十瓦斯能量密度。如果你光關注這些是沒有問題的，但是我們不僅是電極材料，我們把電解質也認為是儲存的部分，這種情況下可以計算出來，對傳統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行混合就會遇到一個問題。

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，根本達不到混合目的。在這種情況下，無法達到我們希望的提高它的能量密度和功率密度的想法。鄭教授發明了離子超級電容器，通過獨特的設計，把電容器的電量提高到4.2V，這種情況下我們就可以實現混合了。我們拿到了美國的一項技術，下一步就可以授權了。中間這個是我們混合型電容器，邊上是鋰電池的，我們可以實現電壓的評審。

我們發現在低的輸出的時候，我們能量密度是要遠遠高于電容器，但是要低于鋰電池。在高的規律輸出的時候，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用在鋰離子電池和超級電容器沒法好好工作的區域，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。大概是兩千個小時測試了一下，后面可能還需要繼續去測試。

我們可以看到汽車啟停系統在一定程度上達到節能減排的目的，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。同時在這個基礎上開發了混合型的電源，可以實現能量和功率密度統一，目前可以滿足汽車啟停系統對電源的要求。

同時，這種新型電源系統可用于鋰離子電池和電容器無法勝任的產所。

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