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清华教授研究报告:在一辆车上把电池和超级电容合起来

导读: 近日,清华大学汽车系副主任李建秋教授在“电动汽车国际合作论坛”上和大家分享了其在电动汽车车领域最新的研究成果。报告分为:一个是背景,另外一个是复合储能的异化,是把电池和超级电容合起来用在一辆车上,第三个就是怎么样优化他们的参数,最后是一个结论。

  近日,清华大学汽车系副主任李建秋教授在“中国电力国际合作论坛”的分论坛——“电动汽车国际合作论坛”上和大家分享了其在电动汽车车领域最新的研究成果。

  以下文字实录:

  李建秋:各位领导、各位专家、各位来宾大家上午好!

  我的题目可能前面的几个专家不一样,我是搞技术的,报告偏技术的,汇报插电式混合动力储能系统的优化,也是我们最近研究的结果。我报告分为:一个是背景,另外一个是复合储能的异化,是把电池和超级电容合起来用在一辆车上,就有一个构型,怎么样把电池和超级电容复合,第三个就是怎么样优化他们的参数,最后是一个结论。

  背景的情况,前面几个专家也介绍了,最近这两年新能源汽车的发展势头很快,你可以看到绿色的是插电式混合动力,传统的混合动力尤其是今年由于补贴政策的调整,逐步的都变成了插电式混合动力。那么混合动力和插电式混合动力有什么不同呢?混合动力是可以不用电池的,比如说你用超级电容来储能,但是插电式混合动力有超级电容的要求,单独用超级电容很难保证40公里或者50公里的续航里程,所以必须要采用电池。怎么样发挥超级电容和电池各自优势,就是我们研究的面临的一个问题。这里研究相应的几个方面,第一方面是他们各自的成本,还有综合来评价不同的储能系统面临的耐用性,也就是循环的寿命,能量密度、功率密度等等,还有成本、低温的一些性能,不同的储能装置特性是不一样的,怎么样发挥他们的效果,我们的主要就是这个目标,而这里面我们给出了一些实际的例子。首先来看看,怎么样研究把超级电容,电池和超级电容,电机和裂变气,混合动力还有发电机,在怎么样复合上面,我们大概有几种构型,第一种构型是直接把电池和超级电容通过一个双向的DCDC连接到电机的总线上面,这是构型A,它的优点是什么呢?是电池和超级电容有各自的工作电压范围,比如说电池电压变化范围比较窄,超级电容的变化范围可以比较宽,300伏到700伏。

  超级电容电量跟电压的关系是线性的,电池电量跟电压是比较平的,他们两个是不匹配的,需要有DCDC把他们俩隔开。第二个构型从成本的角度考虑,我们可以省掉其中一个DCDC,你可以把DCDC放在电池这边,也可以把DCDC放在超级电容这边,只要一个。它的优点是什么呢?我也把两个工作电压分开了,但是问题是什么呢?问题就在于,你还是用了一个DCDC,这个DCDC的成本、效率对整个动力系统都会有相应不利的,成本会增加,效率也会下降。有一个双向DCDC和没有DCDC效率下降5%-8%。当然还有比较特殊的情况,我不要超级电容了,干脆就用电池,我们现在有这样的插电式混合动力。问题在哪里呢?这个电池充换电的倍率要求是比较高的,如果你电池的容量比较小的时候,你的换电倍率比较高,而且在低温的条件下,比如在我们国家东北的地区,往往零下20度到零下40度,在这样的条件底下,你就很难能够保证电池在低温下高倍率的充电和换电条件下的寿命。所以现在这是一个主流的构型,但是也有面临的一个问题。

  下一个构型是直接把超级电容和电池两个并起来,不用任何的DCDC,它的问题就在于,由于超级电容它的工作范围是可以比较宽的工作电压,如果你用电池并上来之后,超级电容的能力就得到了限制,就没有发挥超级电容的能力。比如本来超级电容可以这个工作电压工作到这个点,范围比较宽的,SDC范围也比较宽,但是并上之后范围变的非常窄,花了很多钱把超级电容放在车上但是很难发挥效果,这也是不合理的。

  还有一种构型是只用超级电容,实际上大概在三年前,两年前,在我们国家补贴政策调整之前,对我们新能源的大客车,尤其是混合动力的大客车,大概有一半是用这种构型。为什么呢?因为这种构型当中,超级电容可以很好的发挥充换电的效率很高,倍率也很高,耐低温的性能也很好,耐久性,尤其是循环寿命跟电池,比电池高两个数量级,所以超级电容的这种构型在我们主流的混合动力当中是占有主流位置的,大概有一半是用这种超级电容的构型。它加速过程当中,可以通过APU很好的补充电量,所以动力性、经济性做的都很好。但是问题就在于,国家补贴政策调整之后,要求这个车的纯电续航里程必须达到40-50公里,超级电容能量存储密度非常的有限,存不了那么多电,所以这个方案必须要做改进。这是我们对各种方案做的一个评估的结果,我们从成本、耐久性、系统的效率、能量密度、功率密度以及可靠性,还有控制的复杂程度几个对各种构型做相应的评价和打分,这个得分,像用两个DCDC,同时有电容和电池的,它的成本是最高的,因为你要两个DCDC,而且这个DCDC的容量是比较大的,电池和超级电容充换电的容量有多大,DCDC就得选多大,所以得分是最低的,成本最高。那么对于单独用超级电容的话,它的成本是最低的。然后类似的你可以作出相应的比较,最后我们来看得分的情况。显然这个地方只用超级电容除了一项指标是最低的,就是能量密度,其他的指标,包括成本,循环的寿命,充换电的效率以及能耗的密度、耐久性、复杂的程度都是最好的,这就是为什么大家最后一弄一半都是基于超级电容的混合动力得到了实际的应用,而公交公司的评价也很不错。

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责任编辑:Aaron
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