【锂产业国际高峰论坛】Andrew Burke：锂离子电池和超级电容的应用

加州大学戴维斯分校交通研究所教授 

非常非常荣幸能够来到本次高峰论坛，我来中国很多次了，但是第一次来到青海省西宁市，来到这样大规模的一个国际高峰论坛上。今天我的演讲可能听起来有点像上课，或者分享的是锂离子电池和超级电容的应用，希望我的演讲让大家能够有兴趣。我演讲的主要内容,是希望通过评估插电式混合动力汽车内部使用超级电容对于电池性能的影响，包括之前也有讲者提到。

对于整个电池的性能、系统成本而言，如何通过超级电容器的引用，在插电式混合动力汽车内部的锂离子电池上使用，使用超电，对比一些比较长行驶里程的纯电动车相比,我们看一看他们的初始成本有什么样的变化。可能有不同类型的大大小小的电池，它的单位成本也是不一样的。

这里是一个简单的回顾，对于不同类型的新能源汽车它所需要的电池以及对于电池的要求，包括HEV混动车，以普锐斯为例，使用的是内燃机，使用比较基础的电机50千瓦以及比较小的高功率的锂离子电池。而进入到纯电动汽车EV，比如说日产的聆风，使用的是比较大的电机，差不多是100—120千瓦。比较大型的电池大约25—60千瓦时，有的时候甚至会超过这个数字。而行驶里程大概100—250英里，转换成公里是乘以1.6。对于这个电池现在它已经是足够大，能够来支持这样的输出功率的要求，而对于插电式混合动力，PHEV雪佛兰的沃蓝达为例，和电池的体系之间是独立的，他有100—120千瓦的电机，现在纯的电动里程是20—50英里。考虑到它的内燃机的发动机和发电机来支持非纯电的里程，有的PHEV是平行式的布置，有的我建议使用串联式的电池布置。现在有很多提升，在电池布置或者说安排上面也有各种不同类型的选择。对于电池方面有什么要求呢？首先必须要满足电机功率的要求，必须要满足纯电里程的要求，我们渴望能够达到的纯电里程。作为电池本身必须要有深度放电，必须要有比较长的生命周期，最后非常重要一点，也是要有可靠的比较低的成本。对于插电而言，它比较大的挑战是小型化的电池、高功率、长寿命、低成本，而对于PHEV这样插电式的车，它的解决之道或者解决方案是能够把纯电动汽车的电池结合超级电容。对于EV的电池、电动车的电池，它已经发展到了非常成熟的阶段，而且它已经有很大的产能，因此它的成本上也是比较可靠的。

这里列出了一款PHEV整个布置图（ppt），在这里有不同的AC的电机，DC/AC的逆变器，还有DC/DC转换器的左边有一个超级电容。有的时候人们会说，我们为什么没有办法使用超级电容呢？因为它有一个DC/DC转换器的存在，这是普锐斯动力总成的架构，他们在这里有两个DC/AC的逆变器，而且他们还有能力，能够把整个电池包，包括两个不同的电机，一个是作为发电机为高压电池充电，然后用高压电池反馈能量，这是超级电容器的系统。

超级电容如何来支持这个电池呢？另外对于电池而言最优的工况，是他们能够提供一个平均的功率，而超电能够满足峰值放电脉冲的要求，特别是在加速的时候，这样一个峰值放电脉冲的要求，而且在再生制动的过程当中也能够满足充电脉冲的要求，也就是换句话说，对于电池的负荷水平引入超电是非常好用的。

我在此呼吁的是，如何在电动汽车的能量电池当中结合HEV所谓的动力电池，今天上午也有很多的讲者，大家展示了很多数字和实例，大家有的提到180瓦时/公斤，在这里也列出了不同电池的能量密度，瓦时/公斤数。当我们不断的提高能量密度的时候，提高EV电池的能量密度的时候，它的功率能力可能赶不上整个能量密度的增长速度。另外还有第二种不同类型的电池，我们把它称作功率电池，所以前面提到的是能量电池，HEV的功率电池，它的能量密度可能要满足相应的需求要做出一些平衡。对于能量电池的能量密度还是属于非常高的，而动力电池的能量密度相应就没有那么高。动力电池的一个循环寿命也是比较短的，与高能量密度的能量电池相比。而且我们也是列出了美元每度电的成本，前者是比较低一点。

而在这张（ppt）上我们也列出了两者重大的差异，包括能量密度，就是每瓦时/公斤数，以及美元/度数，以及整个电池容量按时上面的比较，也比较了功率，而在这个表上底部是一些新的，铬、镍、二氧化锰的电池，列出了两种，一个是强调能量密度，一个是强调功率密度，而且同样引入了倍增系数为2以后做了一个对比。

当我们提到超级电容器的时候，它能够提供的是汽车加速时候的高脉冲，并且在做回收制动的时候也能够满足相应的要求，超级电容它的设计本身是用于不同的整车应用，尤其包括我前面提到，无论是充放电的过程当中，结合超级电容，能够让EV的电池发挥更大的作用，包括在这里能量密度内阻，同样列出了瓦时/公斤，能量密度，以及做了一系列的不同，超级电容器这些生产商之间的对比，他们的能量密度相较于我们前面提到的普通的HEV动力电池的功率都要高。但是这里的能量密度差不多是在5—10瓦时/公斤，这是一个60秒放电，在汽车上如果有机会要获得一个非常好的功率的时候，是需要在电池当中引入超电，这里通过一些具体的已经商业化可用的那些含超级电容的，这是一家公司3200法拉的电池，这是它的电池组有6个电芯，这个是比较高压的应用情况，48V的超级电容模块，同样它有18个3000法拉的单体组装组成。

我这里也可以跟大家比较一下重量成本，我们有动力电池、能量电池，还有超级电容器，这里我们进行了简要的总结，这里是按照千瓦时/千克、千瓦时/升，以及分别的成本是按照美元来计价。目前我们的超级电容器大概是2.5美元/千瓦时，如果说可以有更大的规模的话，可能成本也可以进一步的下降。这些电容器的生产也是在向着大规模的方向在去发展，我们也进行了一些计算，我们这里是针对20英里、40英里、60英里PHEV的行驶里程，以及它的一个电池的成本进行了计算。我们是使用美国的一个测试循环，75%的能量储存在电池类的能量被使用。

这张图（ppt）上，同样的20、40、60英里的PHEV的总结对比，这里的参数更加的丰富，包括像20英里，这两个系统其实是非常接近的，如果说60英里的话，使用超级电容器的优势就更加的明显，比我们使用能量电池的优势更加明显。我们也进行了一系列的模拟仿真，对于我们的能量和功率的要求进行了进一步的比较，主要是电池、还有我们的电容器之间的比较结果。动力电池和能量电池以及电容器之间的一些的不同点。

为了跟大家更好的展示一下结果，我们的目标是希望电池能够实现最稳定的功率、能够降低波动，在左边是一个小型的能量电池，它的续航里程大概是20英里，右边是除了这个能量电池之外的是加了一个24千克的超级电容器，可以看到它的电流波动在左边是非常快速、非常剧烈的，如果是在右边这张图上，他的电池的电流是更加的平稳，曲线也非常的平缓，所以电容器可以帮助我们很好的去降低电流的波动，由电池来去提供相应的这些能量，同时也为电容器来进行充电。我们也有研究电池温度的变化，如果说没有进行冷却的话，它的温度变化是什么样的一个趋势。

可以看到，加了电容器之后，整个温度的变化是比左边的只有能量电池的表现要更好的，我们尝试了一个更大的80千克的一个能量电池，6个循环，是40英里的行驶里程。可以看到结果和之前也是比较类似的，如果是加了电容器，它整个电流的波动可以进一步的降低，这些脉冲都可以被电容器缓冲掉。

最后简要的总结，我们认为在插电式混合动力车辆里面，可以把我们的超级电容器联合我们的电池来进行使用，能够去降低我们的峰值电流，并且降低对于我们电池的压力，即使是混合动力的车型，也可以从中获益。除此之外，它的成本跟我们的动力电池、能量电池相比还是非常有吸引力的。我们也有进行这三种技术路线的比较，随着我们技术、我们锂离子电池性能进一步的提升，我们也会进一步的跟进。随着我们生产规模的增大，相信电容器的成本也会进一步的下降，特别是在混合动力这样一个趋势上面，我们可以进一步的提升在成本这方面的竞争力。

为了进一步的在将来让我们的PHEV有更大的吸引力，成本肯定是我们要解决的一个首要的问题，像中国政府的策略是非常的偏向于纯电动，还有PHEV，如果是我自己的话，我也非常的理解充电设施的重要性。作为驾驶电动车的一个驾驶员来说，我们的充电设施非常的重要，PHEV充电设施也非常的关键，如果说我们不能够获取充电的话，我们还可以使用混合动力的方式进一步的行驶，所以PHEV是有很大的吸引力的。在这方面超级电容器也是有非常光明的前景，其中PHEV就是一个非常好的应用的方向。

今天我就分享到这里。谢谢大家！

（本文根据速记整理，未经嘉宾审核）

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