科创中国

如何通过低成本、高效的技术手段实现汽车节能减排战略是汽车厂商面临的迫在眉睫的问题。48V汽车启停电源系统被认为是实现上述目标最切实可行的方案，但是，由于储能机制的限制，目前化学电源，如锂离子电池和超级电容器都无法满足USABC的启停电源标准。化学电源是工业化、信息化和自动化的基础，也是中国制造2025，七大战略性新兴产业中新能源汽车产业、新能源产业、新一代信息技术、高端装备制造业的基础。目前化学电源主要分为能量型器件和功率型器件。能量型器件主要包括锂离子电池，铅酸电池等，优点在于高能量密度，但是功率密度很差，寿命很短；功率型器件以超级电容器为代表，功率密度和寿命是锂电池的20倍以上，但是，能量密度不足锂电池的1/20。这也是目前化学电源技术和产业的痛点。美国Maxwell（已被特斯拉收购）、日本松下和NEC等是中国主要的功率型电源器件进口商，市场占有率接近90%。更为严重的是，这些功率型器件的能量密度极差，不仅远远低于锂离子电池的能量密度，也仅仅是铅酸电池能量密度的1/5。这是现在功率型器件发展的核心问题。  
本产品是我们近二十年来在基础理论突破、器件结构创新和工艺优化的结晶，从原理上解决了电容器和锂离子电池储能机理上的矛盾，可以同时实现高能量密度、高功率密度和长寿命，是目前唯一满足USABC要求的电源。同时，通过工艺创新，实现了电源器件成本的大幅下降，度电成本仅为电容器的1/5。此外，该电源还可以根据不同的使用场合进行电源定制，满足各种各样的需求。本电源可以采用目前商业化的材料、工艺路线和设备，可以快速实现商业化，提高了产业化速度，降低了商业化的风险。   
（1） 这种新型器件世界范围内首先研发出单体混合储能器件，相比传统电容器，能量密度有量级飞跃，同时实现了电源的功率、能量和寿命的平衡也是目前唯一满足汽车启停系统标准的电源，预计市场容量大于1000亿/年。  图1混合型锂离子超级电源器件倍率性能（a）和能量密度/功率密度关系（b）（2） 尤为重要的是，这种混合型锂离子超级电容器具有极高的寿命。图2为按照美国陆军的测试标准，在60C下对混合型电容器进行寿命测试的结果。可以发现，经过3万次的测试，这种电源的容量保持率超过88%。远高于目前报道的其他电源的寿命。目前的测试已经超过6万循环，容量保持率超过83%，远远高于目前研究文献和世界各个公司类似产品的报道，是目前寿命最高的下一代锂离子电源器件。图2 混合型锂离子超级电容器寿命曲线（3） 同国内外其他公司的功率型产品器件相比，本项目产品处于国内和国外领先地位，能量特性远超同类型企业的产品2倍以上，而循环寿命是铅酸蓄电池的200倍以上（锂离子电池的20倍以上），能够完全摆脱国内对于国外同等类型产品的依赖，这对于打破国外厂商技术垄断有着十分重要的意义。表1 主要锂离子电容器的性能对比  
HyLIC是世界范围内首先研发出的单体混合储能器件，相比传统超级电容器，能量密度有量级飞跃，同时实现了电源的功率、能量和寿命的平衡。该电源也是目前唯一满足USABC规定的汽车启停系统标准的电源，预计市场容量大于1000亿/年。可应用于以下领域：1.汽车启停电源汽车启停电源是混合型锂离子电容器潜力最大的目标应用市场，也是我们开发HyLIC的一个主要出发点。节能与减排是汽车行业面临的生死存亡的问题。国家能源战略和法规都给汽车的节能减排工作制定了苛刻的标准，给汽车行业带上了“紧箍咒”。《乘用车能耗核算方法》规定，到2020年我国乘用车新车的平均油耗不高于***升/百公里。目前的汽车企业基本无法达到这个标准。而在现有条件下，大规模的发展新能源汽车还为时尚早，需要在传统汽车动力系统改进和更新上多做文章。 图3 汽车启停系统示意图汽车启停系统通过回收汽车制动时的能量，用于汽车在交叉口的启停和怠速使用，可减少排放20%，同时节约能耗15%，被认为是目前传统汽车应对新法规最切实可行的途径(图3)。如果40%采用启停电源系统，市场容量超过800万套。目前汽车启停电源系统主要采用LIB作为电源，但是，普遍反映的应该问题是节能效果不佳。为了多这个问题进行认识，我们和同济大学交通学院合作，对于汽车在交通路口的运行特征进行了分析，具体分析过程如图4所示。 图4 上海汽车交通路口运营分析过程图     在这些工作的基础上，基于NEDC工况，结合交通路口的运营特征，得到了上海城市工况，如图5所示。得到了上海交通路口汽车运营特征，如表3所示。 图5 NEDC和上海城市工况对比 表3 上海城市交通路口运营特征平均减速度平均加速度平均减速时间平均加速时间***   可以发现，这个特征对于电源的要求极为苛刻，需要电源能实现300C的充放电。锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池和钛酸锂电池均无法满足需求。而高能量密度锂离子电容器是48V汽车启停电源的必然选择。采用我们开发的48V启停系统，以明锐***家庭轿车为基础，通过AVL-cruise构建了整车的动力学模型(如图7)，分析了启停系统对汽车能耗的影响规律。可以发现，不管是针对NEDC工况还是上海城市工况，及节能效果都超过30% (如图8所示)。  图7 基于HyLIC的48V启停系统能够的整车架构 图8 采用48V系统后的节能效果 同时，相对于目前常用的电源系统，基于HyLIC的48V系统具有很好的成本优势。在存储同样能量前提下，我们对比分析了HyLIC、铅酸电池和锂离子电池作为48V电源的性能，如表4所示。可以发现，HyLIC在寿命、功率和成本方面优势显著。如果采用同样的功率（12kW），则HyLIC的成本开可以下降60%。表4不同48V系统电源参数参数铅酸电池磷酸铁锂电池钛酸锂电池HyLIC模块结构24串1并14串1并20串1并15串1并容量/电容量6500 mAh6800 mAh6500 mAh14670F25℃能量313 Wh313 Wh313 Wh313 Wh重量11 *** *** ***循环寿命 100%< 500 次~ 2,000 次~ 15,000 次~150,000 次最大功率2 kW6 kW12 kW49 kW使用成本***分/(Wh×循环)***分/(Wh×循环)***分/(Wh×循环)***分/(Wh×循环) 2.电动汽车混合动力系统电动汽车一个主要的趋势是采用电池-电容器混合方案以达到延长寿命的目的。具体用电池为电动汽车的正常运行提供能量，而加速、拐弯和爬坡时可以由超级电容器来补充能量。另外，用超大容量电容器存储制动时产生的再生能量。  图9 Maxwell开发的商业超低电容器辅助模块 现有公交车用电池需要210千瓦时（2000公斤重量，价格50-70万），平均功率为60-80千瓦。而公交车的峰值功率在250千瓦左右，采用***度电左右的电容器就可以满足公交车的功率补偿要求。图9为Maxwell开发的商业超低电容器辅助模块，整体重量在166公斤左右。如果采用HyLIC，整体重量在25公斤左右，成本为传统电容器的1/5. 表5 几种48V电源模块对比 HyLIC锂离子电容器超级电容器模块结构15串1并15串1并22串1并模块数量121212电容量2300 F2300 F2000 F电压675 V675 V700 V能量*** *** *** kWh重量75 kg135 kg340 kg体积201 L317 L470 L   3.燃料电池汽车   近年来，燃料电池汽车产业化项目建设突飞猛进，多国车企已经或即将推出燃料电池车。本田、通用、现代、福特、克莱斯勒、丰田、奔驰等大公司都已经开发出燃料电池车型并已经在正式运行，普遍状况良好。相对于其他的新能源汽车，燃料电池汽车有其独特的优势。燃料电池汽车效率高于传统内燃机汽车和纯电动汽车；燃料电池汽车无任何污染物排放，被认为是“最干净”的汽车；相对于纯电动汽车，燃料电池汽车具有燃料加注快（和传统汽车类似），续航里程长等优点，具有最好的驾驶适应性和操控性。目前，国内外燃料电池汽车发展方兴未艾，有望成为下一代主流的技术路线。目前燃料电池汽车主要的技术方案为“燃料电池-锂离子电池”混合的技术方案。主要原因为我国的燃料电池电堆技术与国外有一定距离。按照技术路线的演进，全功率燃料电池会成为技术的主流。在这种情况下，HyLIC作为燃料电池功率补偿和能量回收电源必不可少。通过计算发现，采用HyLIC作为辅助电源的燃料电池汽车，可以实现节能15%的效果。4.工厂物流设备领域2015年中国AGV销量为4280台，产值规模约为***亿元。受国家工业***号召，2016年AGV销售量在6500台左右，产值规模约为***亿元，较上一年增长速度超过45%。到2018年AGV销量已突破14500辆，产值约25亿人民币。 图10 AGV市场情况 相对于铅酸电池、锂离子电池，HyLIC在AGV具有更长的循环寿命 (100k)，在AGV使用寿命内无需更换电源；更高电压范围（*** V），更好支持电池模块设计；超低内阻来支持40到60秒的AGV快速无线充电。 图11 AGV用HyLIC设计方案 5.储能领域在对电能具有随机性、间歇性和突发性要求的应用场合，通过利用超级电容器备用储能装置，可实现电力能源的快速、稳定、灵活调节，这使超级电容器储能系统在诸多领域具有广泛而深远的应用前景。在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。采用超级电容器储能，可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点，既可以单独储能，也可以与其他储能装置混合储能。超级电容器与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯等。超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发电系统，可以对系统起到瞬间功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性。据百纳电气的报告数据，全国有1400个超大型电站，按照5年后有70%的电站采用超级电容器方案，每套系统600万，销售额有望达到***亿。 6.军用载运工具现代战场条件对于载运工具有新的要求，尤其是对于坦克，自行火炮等工具。现代战场需要这些装备在发射弹药后，能立刻关闭发动机并快速离开当前位置，避免被对方制导武器袭击。通常可以采用铅酸电池、锂离子电池实现这些功能。但是，它们的功率密度、寿命和低温性能无法满足战场条件的要求。目前，美国陆军已经在使用锂离子电容器进行相关的测试和验证试验，我们也需要加大对这方面的研究。而我们开发的混合型锂离子电容器能满足这方面的需求。此外，混合型锂离子电容器还可以配合电池应用于内燃发动机电启动系统，能有效保护电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏电的情况下，确保可靠启动。其工作温度范围宽，可在-40℃环境工作，保证了电启动系统的正常供电，使坦克战车一次启动成功。前期某军区坦克及装甲车启动，拟有300辆采用锂离子电容器方案。预计5年后有6000辆采用锂离子电容器方案，每辆车采用4个32V模块，每个模块按照***万元计算，销售额***亿元。 图12 美国陆军测试锂离子电容器在坦克中的应用 7.军用单兵通讯系统民用个人通信系统目前主要追求长的通话和待机时间，这需要电源具有较高的能量密度，而对功率和寿命要求不是特别高。目前主要为锂离子电池。对于单兵通讯系统，情况则不一样。国际的趋势是在士兵的身上携带一个个人电源中心，由这个电源中心给需要的其他器件，如单兵通讯系统充电。由于战场形势瞬息万变，需要单兵通讯系统具有和基站的远距离通讯能力，这些应用的特殊性，需要单兵通讯系统电源具有很好的功率性能，较长的寿命，以及一定的能量密度。美国陆军目前正在进行锂离子电容器用于单兵电源系统的测试。锂离子电容器的容量为200F，能量密度为13Wh/kg，目标寿命为1万循环（60C下）。HyLIC的性能完全可以满足此需求。 图13 美国陆军正在测试的基于锂离子电容器的单兵通话系统 
平均减速度平均加速度平均减速时间平均加速时间
***
参数铅酸电池磷酸铁锂电池钛酸锂电池HyLIC
模块结构24串1并14串1并20串1并15串1并
容量/电容量6500 mAh6800 mAh6500 mAh14670F
25℃能量313 Wh313 Wh313 Wh313 Wh
重量11 *** *** ***
循环寿命 100%< 500 次~ 2,000 次~ 15,000 次~150,000 次
最大功率2 kW6 kW12 kW49 kW
使用成本***分/(Wh×循环)***分/(Wh×循环)***分/(Wh×循环)***分/(Wh×循环)
 HyLIC锂离子电容器超级电容器
模块结构15串1并15串1并22串1并
模块数量121212
电容量2300 F2300 F2000 F
电压675 V675 V700 V
能量*** *** *** kWh
重量75 kg135 kg340 kg
体积201 L317 L470 L