中國儲能網(wǎng)訊：10月23日，清華大學(xué)汽車系副主任李建秋教授在“中國電力國際合作論壇”的分論壇——“電動汽車國際合作論壇”上和大家分享了其在電動汽車車領(lǐng)域最新的研究成果。
以下文字實錄：
李建秋：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位來賓大家上午好!
我的題目可能前面的幾個專家不一樣，我是搞技術(shù)的，報告偏技術(shù)的，匯報插電式混合動力儲能系統(tǒng)的優(yōu)化，也是我們最近研究的結(jié)果。我報告分為：一個是背景，另外一個是復(fù)合儲能的異化，是把電池和超級電容合起來用在一輛車上，就有一個構(gòu)型，怎么樣把電池和超級電容復(fù)合，第三個就是怎么樣優(yōu)化他們的參數(shù)，最后是一個結(jié)論。
背景的情況，前面幾個專家也介紹了，最近這兩年新能源汽車的發(fā)展勢頭很快，你可以看到綠色的是插電式混合動力，傳統(tǒng)的混合動力尤其是今年由于補貼政策的調(diào)整，逐步的都變成了插電式混合動力。那么混合動力和插電式混合動力有什么不同呢?混合動力是可以不用電池的，比如說你用超級電容來儲能，但是插電式混合動力有超級電容的要求，單獨用超級電容很難保證40公里或者50公里的續(xù)航里程，所以必須要采用電池。怎么樣發(fā)揮超級電容和電池各自優(yōu)勢，就是我們研究的面臨的一個問題。這里研究相應(yīng)的幾個方面，第一方面是他們各自的成本，還有綜合來評價不同的儲能系統(tǒng)面臨的耐用性，也就是循環(huán)的壽命，能量密度、功率密度等等，還有成本、低溫的一些性能，不同的儲能裝置特性是不一樣的，怎么樣發(fā)揮他們的效果，我們的主要就是這個目標(biāo)，而這里面我們給出了一些實際的例子。首先來看看，怎么樣研究把超級電容，電池和超級電容，電機和裂變氣，混合動力還有發(fā)電機，在怎么樣復(fù)合上面，我們大概有幾種構(gòu)型，第一種構(gòu)型是直接把電池和超級電容通過一個雙向的DCDC連接到電機的總線上面，這是構(gòu)型A，它的優(yōu)點是什么呢?是電池和超級電容有各自的工作電壓范圍，比如說電池電壓變化范圍比較窄，超級電容的變化范圍可以比較寬，300伏到700伏。
超級電容電量跟電壓的關(guān)系是線性的，電池電量跟電壓是比較平的，他們兩個是不匹配的，需要有DCDC把他們倆隔開。第二個構(gòu)型從成本的角度考慮，我們可以省掉其中一個DCDC，你可以把DCDC放在電池這邊，也可以把DCDC放在超級電容這邊，只要一個。它的優(yōu)點是什么呢?我也把兩個工作電壓分開了，但是問題是什么呢?問題就在于，你還是用了一個DCDC，這個DCDC的成本、效率對整個動力系統(tǒng)都會有相應(yīng)不利的，成本會增加，效率也會下降。有一個雙向DCDC和沒有DCDC效率下降5%-8%。當(dāng)然還有比較特殊的情況，我不要超級電容了，干脆就用電池，我們現(xiàn)在有這樣的插電式混合動力。問題在哪里呢?這個電池充換電的倍率要求是比較高的，如果你電池的容量比較小的時候，你的換電倍率比較高，而且在低溫的條件下，比如在我們國家東北的地區(qū)，往往零下20度到零下40度，在這樣的條件底下，你就很難能夠保證電池在低溫下高倍率的充電和換電條件下的壽命。所以現(xiàn)在這是一個主流的構(gòu)型，但是也有面臨的一個問題。
下一個構(gòu)型是直接把超級電容和電池兩個并起來，不用任何的DCDC，它的問題就在于，由于超級電容它的工作范圍是可以比較寬的工作電壓，如果你用電池并上來之后，超級電容的能力就得到了限制，就沒有發(fā)揮超級電容的能力。比如本來超級電容可以這個工作電壓工作到這個點，范圍比較寬的，SDC范圍也比較寬，但是并上之后范圍變的非常窄，花了很多錢把超級電容放在車上但是很難發(fā)揮效果，這也是不合理的。
還有一種構(gòu)型是只用超級電容，實際上大概在三年前，兩年前，在我們國家補貼政策調(diào)整之前，對我們新能源的大客車，尤其是混合動力的大客車，大概有一半是用這種構(gòu)型。為什么呢?因為這種構(gòu)型當(dāng)中，超級電容可以很好的發(fā)揮充換電的效率很高，倍率也很高，耐低溫的性能也很好，耐久性，尤其是循環(huán)壽命跟電池，比電池高兩個數(shù)量級，所以超級電容的這種構(gòu)型在我們主流的混合動力當(dāng)中是占有主流位置的，大概有一半是用這種超級電容的構(gòu)型。它加速過程當(dāng)中，可以通過APU很好的補充電量，所以動力性、經(jīng)濟性做的都很好。但是問題就在于，國家補貼政策調(diào)整之后，要求這個車的純電續(xù)航里程必須達到40-50公里，超級電容能量存儲密度非常的有限，存不了那么多電，所以這個方案必須要做改進。這是我們對各種方案做的一個評估的結(jié)果，我們從成本、耐久性、系統(tǒng)的效率、能量密度、功率密度以及可靠性，還有控制的復(fù)雜程度幾個對各種構(gòu)型做相應(yīng)的評價和打分，這個得分，像用兩個DCDC，同時有電容和電池的，它的成本是最高的，因為你要兩個DCDC，而且這個DCDC的容量是比較大的，電池和超級電容充換電的容量有多大，DCDC就得選多大，所以得分是最低的，成本最高。那么對于單獨用超級電容的話，它的成本是最低的。然后類似的你可以作出相應(yīng)的比較，最后我們來看得分的情況。顯然這個地方只用超級電容除了一項指標(biāo)是最低的，就是能量密度，其他的指標(biāo)，包括成本，循環(huán)的壽命，充換電的效率以及能耗的密度、耐久性、復(fù)雜的程度都是最好的，這就是為什么大家最后一弄一半都是基于超級電容的混合動力得到了實際的應(yīng)用，而公交公司的評價也很不錯。
下面的問題就來了，如果我們要做插電式混合動力的話，我們要用怎么樣的構(gòu)型呢?就提出新的構(gòu)型，這種構(gòu)型是沒有采用一個主動的DCDC，而是再是采用一個半主動的，二極管把電池和電壓隔開了，二極管的成本非常低，同時有單相的DCDC，只允許能量從超級電容流到電池這邊。這樣有第一個優(yōu)點，我們?nèi)∠藘蓚€主功率源和動力源輸出端的DCDC，每個儲能裝置充電效率不會受到折損，同時考慮能量回收超級電源充滿的話，單相DCDC可以打開，持續(xù)往電池里面充電，也就是說能量回收的效率也可以得到保證，而這樣的話我們再來評價一下，它的得分是可以放在第二位的。在能量密度這一塊得到很大的改善，在其他方面跟純電動相比還有點，但是整個得分是排在第二名的，這就是我們現(xiàn)在在行業(yè)里，在主流推廣的叫復(fù)合儲能，現(xiàn)在像宇通，株洲南車時代電動主流產(chǎn)品用的復(fù)合儲能系統(tǒng)。
下面我們對儲能系統(tǒng)的構(gòu)型研究清楚了，參數(shù)做一個研究。怎么樣配置相應(yīng)的動力電池和超級電容各自要選多大的容量，他們工作電壓怎么匹配，對整個動力系統(tǒng)的效率就是最佳呢?我們做了相應(yīng)的研究，這里就涉及到定量的研究需要建立相應(yīng)的模型。包括電池的熱模型，為什么要把超級電容跟電池復(fù)合在一起，有一個很重要的原因，就是電池對熱更加敏感，低溫的時候充換電都不行，溫度高了充換電也不行，為什么?涉及到安全性，所以這里怎么樣對電池?zé)徇M行管理，這里我們進行了相應(yīng)的研究。還有一個電池你充換電的時候會衰減，衰減的速度跟你充換電的倍率也是相關(guān)的，這里我們也做了相應(yīng)的研究，當(dāng)然也涉及到整個動力系統(tǒng)能量管理算法，用什么樣的能量管理算法。
最后來看結(jié)果，這個結(jié)果就是如果我們電池和超級電容配好了的話，你可以看到，這個是電池的衰減速度，值越大的話，容量衰減的速度就越快，你可以看到有用超級電容和不用超級電容衰減速度是明顯不一樣的。最后看整個成本，我們有三種不同配比的方案，這里比如說超級電容的成本大概是1.3萬、2.5萬和12萬，也就是一個很小的超級電容，一個稍微大一點的超級電容和很大的超級電容，你可以看到對整個，這地方改善不是很大了，可以看到電池容量損失，我們明顯取得了很重要的下降。最后的壽命可以看到，我大概用對10萬塊錢左右的電池系統(tǒng)，我只需要加一個2萬塊錢左右的電池，最后能夠使得電池的壽命延長66%，這個是非常顯著的效果?；旧习央姵氐膲勖梢栽黾拥?6%的效果，而且我超級電容的錢花的是比較少的。相應(yīng)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在雜志上面。
我們的研究結(jié)論是什么呢?對于像城市公交這樣的大客車，尤其是在北方冬天要涉及到零下運營的大客車，最好是采用同時帶有超級電容和電池的復(fù)合儲能系統(tǒng)，超級電容它的作用是能夠提高能量回饋的效率，改善整個車輛的經(jīng)濟性，同時有效的降低電池衰減的速度，這樣必須有足夠量的電池才能保證40公里的耐久性，電池的壽命可以明顯的提高和延長，這就是我們的研究結(jié)果。謝謝大家。
