10月23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。
下面的问题就来了，如果我们要做插电式混合动力的话，我们要用怎么样的构型呢?就提出新的构型，这种构型是没有采用一个主动的DCDC，而是再是采用一个半主动的，二极管把电池和电压隔开了，二极管的成本非常低，同时有单相的DCDC，只允许能量从超级电容流到电池这边。这样有第一个优点，我们取消了两个主功率源和动力源输出端的DCDC，每个储能装置充电效率不会受到折损，同时考虑能量回收超级电源充满的话，单相DCDC可以打开，持续往电池里面充电，也就是说能量回收的效率也可以得到保证，而这样的话我们再来评价一下，它的得分是可以放在第二位的。在能量密度这一块得到很大的改善，在其他方面跟纯电动相比还有点，但是整个得分是排在第二名的，这就是我们现在在行业里，在主流推广的叫复合储能，现在像宇通，株洲南车时代电动主流产品用的复合储能系统。
下面我们对储能系统的构型研究清楚了，参数做一个研究。怎么样配置相应的动力电池和超级电容各自要选多大的容量，他们工作电压怎么匹配，对整个动力系统的效率就是最佳呢?我们做了相应的研究，这里就涉及到定量的研究需要建立相应的模型。包括电池的热模型，为什么要把超级电容跟电池复合在一起，有一个很重要的原因，就是电池对热更加敏感，低温的时候充换电都不行，温度高了充换电也不行，为什么?涉及到安全性，所以这里怎么样对电池热进行管理，这里我们进行了相应的研究。还有一个电池你充换电的时候会衰减，衰减的速度跟你充换电的倍率也是相关的，这里我们也做了相应的研究，当然也涉及到整个动力系统能量管理算法，用什么样的能量管理算法。
最后来看结果，这个结果就是如果我们电池和超级电容配好了的话，你可以看到，这个是电池的衰减速度，值越大的话，容量衰减的速度就越快，你可以看到有用超级电容和不用超级电容衰减速度是明显不一样的。最后看整个成本，我们有三种不同配比的方案，这里比如说超级电容的成本大概是1.3万、2.5万和12万，也就是一个很小的超级电容，一个稍微大一点的超级电容和很大的超级电容，你可以看到对整个，这地方改善不是很大了，可以看到电池容量损失，我们明显取得了很重要的下降。最后的寿命可以看到，我大概用对10万块钱左右的电池系统，我只需要加一个2万块钱左右的电池，最后能够使得电池的寿命延长66%，这个是非常显著的效果。基本上把电池的寿命可以增加到66%的效果，而且我超级电容的钱花的是比较少的。相应研究结果已经发表在杂志上面。
我们的研究结论是什么呢?对于像城市公交这样的大客车，尤其是在北方冬天要涉及到零下运营的大客车，最好是采用同时带有超级电容和电池的复合储能系统，超级电容它的作用是能够提高能量回馈的效率，改善整个车辆的经济性，同时有效的降低电池衰减的速度，这样必须有足够量的电池才能保证40公里的耐久性，电池的寿命可以明显的提高和延长，这就是我们的研究结果。谢谢大家。
