超級電容-新能源汽車的良好輔助動力_圖文

1、 相關報告目錄一、超級電容結構簡介-2 什么是超級電容-2 傳統(tǒng)電容儲能方法-2 超級電容工作原理-2二、國內外超級電容研發(fā)進展-3三、超級電容是新能源汽車良好的輔助動力-5 超級電容適合用作新能源汽車輔助動力-5 目前超級電容作為新能源汽車輔助動力的應用情況-6 超級電容用做汽車部件的輔助能源-8四、用超級電容作為公交車的主動力正逐步興起-8五、超級電容市場狀況-10 國際市場-10 國內市場-10 六、前景展望與投資思路-12圖表圖表1 MAXWELL公司超級電容-2圖表2 雙電層超級電容器結構圖- 3 圖表3 PNGV超級電容發(fā)展目標-4圖表4 超級電容在混合動力汽車中的應用- 6圖表5

2、 本田FCX及其超級電容安裝結構- 7圖表6 日產(chǎn)混合動力卡車- 7圖表7 “CNG+C ”15噸串聯(lián)式混合動力大客車-8圖表8 超級電容與電池相關指標比較(不包括實驗數(shù)據(jù)- 9圖表9 超級電容公交車與電池公交車動力成本對比- 9圖表10 超級電容公交車以及充電站-10圖表11 國內超級電容市場規(guī)模和增速 -11圖表12 繞線型超級電容的市場規(guī)模和增速-11圖表13 紐扣型超級電容的規(guī)模和增速-11圖表14 國內外主要廠商產(chǎn)品性能對比-11圖表15 相關上市公司評級-13. 什么是超級電容超級電容器(Supercapacitor ,Ultracapacitor,又叫黃金電容、法拉電容,通過極化

3、電解質來儲能,屬于雙層電容的一種。由于其儲能的過程并不發(fā)生化學反應,因此這種儲能過程是可逆的,正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。由于其容量很大,對外表現(xiàn)和電池相同,因此也稱作“電容電池”或說“黃金電池”。超級電容器是目前世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種,其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。 圖表1 MAXWELL 公司超級電容來源:金元證券研究所 MAXWELL 傳統(tǒng)電容儲能方法傳統(tǒng)電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空(相對介電常數(shù)為1或一層介電物質(相對介電常數(shù)為所隔離,電容值

4、為:C = ·A / 3.6 d ·10-6 (F 其中A 為極板面積,d 為介質厚度。所儲存的能量為: E = C (V 2/2,其中C 為電容值,V 為極板間的電壓降。可見,若想獲得較大的電容量,儲存更多的能量,必須增大面積A 或減少介質厚度d ,但這個伸縮空間有限,導致它的儲電量和儲能量較小。因此傳統(tǒng)電容器的面積是導體的平板面積,為了獲得較大的容量,導體材料卷制得很長,有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板,一般為塑料薄膜、紙等盡可能的薄的材料。 超級電容工作原理目前主要的雙層結構超級電容主要有碳電極雙電層電容器,金屬氧化物電極雙層

5、電容器和有機聚合物電極雙層電容器,但是由于金屬氧化物(氧化釕電極電容價格高昂,有二次污染等因素,目前主要用于軍超級電容結構簡介事領域。有機聚合物技術尚未成熟,因此在電動汽車上廣泛使用的主要是碳電極超級電容。碳電極超級電容器的面積是基于多孔碳材料,該材料的多孔結構允許其面積達到2000平方米/克,通過一些措施還可以實現(xiàn)更大的表面積。碳電極超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質離子尺寸決定的,該距離(<10Å比傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有巨大的靜電容量。超級電容器中,多孔化電極采用的

6、是活性碳粉或活性碳或活性碳纖維,電解液采用有機電解質,如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨等。工作時,在可極化電極和電解質溶液之間界面上形成的雙電層中聚集電容量,其多孔化電極在電解液中吸附電荷,因而可以存儲很大的靜電能量,超級電容器的這一儲電特性介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。盡管這能量密度比電池低,但是這能量的儲存方式,有快充快放的特點,可以應用在傳統(tǒng)電池難以解決的短時高峰值電流應用之中。圖表2 雙電層超級電容器 來源: 金元證券研究所 電子元器件網(wǎng)雙電層電容本質上是一種靜電型能量儲存方式,目前已經(jīng)研制出活性碳材料表面積可以達到2000平方米/克,單位重量的電容量可達100F/g ,并且電容的內阻還能保持

7、在很低的水平;而且碳材料還具有成本低,技術成熟等優(yōu)點,使得該類超級電容在汽車上應用最為廣泛。目前,美國、歐洲和日本都在積極開展電動汽車用超級電容的研究開發(fā)工作。美國能源部和USABC(US Advanced Batter Consortium從1992年組織國家實驗室(Lawrence Livcrmore ,Los Alamos ,Sandia、國內外超級電容研發(fā)進展大學(Auburn和工業(yè)界(Maxwell,Federal Fibers Fabrics,GE,推出電動汽車用超級電容的可行性研究計劃,短期目標是2005年實現(xiàn)能量密度5Wh/kg和功率密度500W/kg,中期目標是實現(xiàn)能景密度1

8、0Wh/kg和功率密度1000W/kg,長遠目標是實現(xiàn)能量密度15Wh/kg和功率密度1500W/kg。美國三大汽車巨頭成立USABC機構,專門主持EDLC的研究與開發(fā)。到目前為止,超級電容技術基本達到了PNGV所設立的2002年目標要求,尚未達到其設立的2006年目標要求。根據(jù)研究,如果超級電容的比能量達到20Wh/kg,那么用于混合車將是比較理想的。圖表3 PNGV超級電容發(fā)展目標功率比能量W/(W/H >100 >100 >100 >100循環(huán)壽命>100100 400,000 400,000 400,0001000 500 320數(shù)據(jù)來源:金元證券研究所電

9、池世界從1996年初,歐盟開始超級電容的研究計劃,由Salt公司領導項目,其成員有Alcatel Asthom,Fiat,Magneti Maralli SEPA Division,Danioncs,Universityf Kaiserslautem和ECN。歐盟超級電容研究計劃的目標是:達到比能量6Wh/kg,8Wh/L;比功率1500W/kg,2000W/L;循環(huán)壽命超過10萬次;滿足電化學電池和燃料電池電動汽車要求,為工業(yè)開發(fā)做準備。日本政府部門推選的新太陽能規(guī)劃(NewSun Shing Project吸引了很多高新技術企業(yè)參加,超級電容的研究與開發(fā)是重要項目之一,日本也成立了“新電容

10、器研究會”和NEW SUNSHINE開發(fā)機構。俄羅斯專注于電容車技術和電動車制動能量回收的研究,取得了顯著的發(fā)展。其啟動型超級電容器比功率已達3000W/kg,循環(huán)壽命在10萬次以上,領先于其它國家。在俄羅斯,曾有使用950kg超級電容驅動載客50人的電動巴士,盡管其續(xù)駛里程只有810km,但其充電時間也只有15分鐘。我國從九十年代開始研制超級雙電層電容器,與國外先進水平還有一定的差距。國內已經(jīng)研制出比能量為10Wh/kg、比功率為600W/kg的高能量型及比能量為5Wh/kg、比功率為2500W/kg的高功率型超級電容器樣品,循環(huán)使用次數(shù)可達50,000次以上。性能指標已經(jīng)達到國際先進水平,

11、成本較國際平均價格有大幅度下降。超級電容是新能源汽車良好的輔助動力超級電容適合用做電動汽車的輔助動力汽車頻繁的起步、爬坡和制動造成其功率需求曲線的變化很大,在城市路況下更是如此。一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達16:1,但是這些峰值功率的特點是持續(xù)時間一般都比較短,需要的能量并不高。對于純電動、燃料電池和串聯(lián)混合動力汽車而言,這就意味著要么汽車動力性不足,要么電壓總線上要經(jīng)常承受大的尖峰電流,這無疑會大大損害電池、燃料電池或其它APU的壽命。如果使用比功率較大的超級電容,當瞬時功率需求較大時,由超級電容提供尖峰功率,并且在制動回饋時吸收尖峰功率,那么就可以減輕對電池、燃料電池或

12、其它APU的壓力。從而可以大大增加起步、加速時系統(tǒng)的功率輸出,而且可以高效地回收大功率的制動能量。這樣做還可以提高電池的使用壽命,改善其放電性能。其工作過程如下:1,啟動,加速,爬坡(箭頭代表放電方向 2,正常行駛 3,減速制動 圖表4 超級電容在混合動力汽車中的應用 來源:金元證券研究所 車訊網(wǎng)(超級電容位于控制單元內目前超級電容作為新能源汽車輔助動力的應用情況 應用一:本田FCX本田FCX 燃料電池-超級電容混合動力車是世界上最早實現(xiàn)商品化的燃料電池轎車。該車早在2002年就已經(jīng)在日本和美國加洲上市。第5代FCX 采用了新型質子交換膜形式的燃料電池模塊,用超級電容加燃料電池的電能供應方式,

13、這能夠讓FCX 迅速達到一個較大的輸出功率,彌補了燃料電池車啟動和加速性能差的缺點,并將啟動時間縮短到10s 。同時由于超級電容與燃料電池同樣具有軟特性,結構中取消了DC /DC 變換器,降低了系統(tǒng)重量。車載空調系統(tǒng)是由燃料電池組帶動的,超級電容只提供車輛加速和爬坡時所需的峰值功率,同時回收車輛剎車時的回饋能量,超級電容電量不足時則由燃料電池帶動電機利用輸出的多余電功率來補充。圖表5 本田FCX 及其超級電容安裝結構 數(shù)據(jù)來源 金元證券研究所 HONGDA FCX應用二:日產(chǎn)混合動力卡車在以內燃機作主能源的混合動力電動車方面,日產(chǎn)汽車公司于2002年6月24日推出了安裝有柴油機、電動機和電容器

14、的并聯(lián)混合動力卡車。由額定功率為152千瓦的CIDl 發(fā)動機和55千瓦的永磁電機驅動,安裝有日產(chǎn)公司開發(fā)的新型電容器“超級電力電容器(ECaSS”,具有6.3千瓦的比功率,功率能量比高達80。該卡車使用384個單元組成三串,每串由28個1500法2.7伏單元并聯(lián),共583瓦時。該車制動能量的功效高于其它電池供電的混合動力車。與日產(chǎn)柴油機汽車公司以往生產(chǎn)的柴油機汽車相比,該混合動力卡車可減少燃料成本50%,減少二氧化碳排放量33%,減少氧化氮排放量50%。圖表6 日產(chǎn)混合動力卡車 來源:金元證券研究所 聰惠網(wǎng)應用三:Nissan 混合動力大客車Nissan Diesel 公司開發(fā)了一輛15t 的

15、“CNG +C”串聯(lián)式混合動力大客車,續(xù)駛里程比常規(guī)CNG 大客車提高了2.4倍。超級電容總重200kg ,CNG 發(fā)動機在最優(yōu)效率點帶動一個75kW 的發(fā)電機工作。結構形式 串聯(lián)電容混合超級電容單體額定容量1350F 內阻2.5mo 體積168mL 重量2469 超級電容模塊 80個單體串聯(lián)+兩組串聯(lián) 最高電壓430V 最大輸入輸出功率56kW 每組10WHh 總體218Wh圖表7 “CNG+C ”15噸串聯(lián)式混合動力大客車 來源:金元證券研究所佳工機電瑞士中心應用科學大學(HTA-Luzerne自1992年以來開發(fā)出一種適合車輛使用的能量存儲系統(tǒng)SAM(Super Accumulator

16、Module,它以超級電容和電池為基礎組成。并且在1997年開發(fā)的“色天使”型混合動力車中僅使用超級電容組就拖動了瑞士聯(lián)邦鐵路公司的80t重的火車頭。此項目還在16座4t的中巴車實現(xiàn)了儲能系統(tǒng)完全由超級電容提供。超級電容用做汽車部件的輔助能源除了用于動力驅動系統(tǒng)外,超級電容在汽車零部件領域也有廣泛的應用。例如,未來汽車設計使用的42V電系統(tǒng)(轉向、制動、空調、高保真音響、電動座椅等,如果使用長壽命的超級電容,可以使得需求功率經(jīng)常變化的子系統(tǒng)性能大大提高,另外還可以減少車內用于電制動、電轉向等子系統(tǒng)的布線,同時減少汽車子系統(tǒng)對電池的功率消耗,延長電池使用時間。超級電容作為公交車的主動力正逐步興起

17、盈由于超級電容具有高功率密度,放電電流可以達到數(shù)百安培,在大電流應用場合,特別是高能脈沖環(huán)境,可更好地滿足功率要求。同時超級電容充放電時間短、效率高,可在很短的時間內完成一個充放電循環(huán),遠遠低于可充電電池,特別適合短距離行駛車輛。超級電容器的循環(huán)使用壽命可達10萬次以上,比目前最好的電池要高出100倍,同時在使用過程中不需要經(jīng)常性維護;其適用溫度范圍寬,可在-4070范圍內使用,可滿足車輛動力系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的啟動,安全性高,這些鋰電池不具有的特性使它成為城市公交理想的動力選擇。圖表8 超級電容與電池相關指標比較(不包括實驗數(shù)據(jù)指標鉛酸電池鎳氫電池鋰電池能量型超級電容功率型超級電容比能量kwh

18、/kg30-40 60-80 100-120 12-15 4-6比功率kw/kg200-300 500-800 600-800 600-800 2000-2500使用溫度-30-60 -20-55 -10-60(-40度容量減半-40-70 -30-60安全性好一般一般好好記憶性無弱無無無循環(huán)次數(shù)300-400 500-800 600-800 >50000 >200000 充電時間>2h >2h >2h 10s-3min 10s-5min放電電流一般受溫度影響一般受溫度影響一般受溫度影響不受溫度影響,放電時間短不受溫度影響,放電時間短來源:金元證券研究所電池世界目

19、前北京,煙臺和上海已經(jīng)試驗使用超級電容動力公交車。國內廠商煙臺中上自主生產(chǎn)的超級電容公交車一次充電行駛距離已經(jīng)可以達到12公里,首次充電時間180秒,中間站充電時間15-30秒,最高行駛速度60公里/小時,最大爬坡度不小于25%,剎車工況下能實現(xiàn)能量再生回饋,運行情況良好。中上汽車已研發(fā)出第三代超級電容車,續(xù)航能力提升至25公里,最高行駛速度70公里/小時,理論上已經(jīng)能夠滿足任何城市的公交要求。超級電容公交車不光在功率密度和安全性上有鋰電池公交車不可比擬的優(yōu)勢,而且成本也遠低于電池主動力公交車。我們假設每臺公交車每天消耗功率150KWH,超級電容動力車可以通過增加充電次數(shù)減少超級電容使用量,而

20、電池動力公交車則需要一次充足,二者成本相比除鉛酸電池外其他成本完全不在一個而數(shù)量等級上。圖表9 超級電容公交車與電池公交車動力成本對比數(shù)據(jù)來源:金元證券研究所電池世界除了成本上的優(yōu)勢之外,超級電容動力公交車充電十分方便,安全性高,可直接安裝于公交站上方即充即走,即使相對目前的拖尾電車優(yōu)勢也十分明顯,據(jù)報道武漢正考慮采購5000臺超級電容車替代拖尾電車。超級電容鉛酸電車鎳氫電池鋰電池總能量/WH 5000 150000 150000 150000價格(元*W/H60 1.5 8 9總價/元300000 225000 1200000 1350000圖表10 超級電容公交車以及充電站 來源:金元證券

21、研究所水母網(wǎng)超級電容市場狀況國際市場狀況2007年,全球鈕扣型超級電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為10.2億美元,卷繞型和大型超級電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為34.8億美元,超級電容器產(chǎn)業(yè)總規(guī)模為45億美元,同比增長45%;2008年全球鈕扣型超級電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為15.3億美元,卷繞型和大型超級電容器產(chǎn)業(yè)規(guī)模為為52.2億美元,超級電容器產(chǎn)業(yè)總規(guī)模為67.5億美元,同比增長50%。主要的生產(chǎn)企業(yè)有:美國的MAXWELL公司,俄羅斯的ECOND公司、ELIT公司,日本的ELNA公司、PANASONIC公司、NEC-TOKIN公司,韓國的NESS公司、KORCHIP公司、NUINTEK公司等。美國Maxwell公司的PC系列

22、產(chǎn)品體積小、內阻低,產(chǎn)品一致性好,串并聯(lián)容易,但價格較高;日本的NEC公司、松下公司、T okin公司均有系列超級屯容器產(chǎn)品其產(chǎn)品多為圓柱體形,規(guī)格較為齊全,適用范圍廣,在超級電容器領域占有較大市場份額;俄羅斯ECOND公司對超級電容器已有25年的研究歷史,該公司代表著俄羅斯的先進水平,其產(chǎn)品以大功率超級電容器產(chǎn)品為主,適用于作動力電容。國內市場狀況近年來,由于看好超級電容廣闊的應用前景,中國一些公司也開始進入這一領域。2004年國內產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2.48億元,2008年國內產(chǎn)業(yè)規(guī)模為13.3億元,年復合增長率超過50%。其中,紐扣型超級電容器從4千萬元,增加到2.1億元,增長超過5倍;卷繞型和大

23、型超級電容器從3.5億元,上升到11.2億元,增長超過3倍,伴隨超級電容的成本逐漸下降和下游應用范圍不斷拓展未來增速還有望進一步提升。圖表11 國內超級電容市場規(guī)模和增速單位億元 圖表12 繞線型超級電容的市場規(guī)模和增速圖表13 紐扣型超級電容的規(guī)模和增速 數(shù)據(jù)來源:金元證券研究所超級電容網(wǎng)目前,國內廠商大多生產(chǎn)液體雙電層電容器,主要的企業(yè)有上海奧威公司、北京集星公司、錦州富辰公司、錦州錦容公司、石家莊高達公司、北京金正平公司、錦州凱美公司、大慶振富公司、江蘇雙登公司、哈爾濱巨容公司、南京集華公司等十多家。其中以錦州富辰公司規(guī)模最大,其主要生產(chǎn)鈕扣型和卷繞型超級電容器,上海奧威公司技術和產(chǎn)品性

24、能領先。國內超級電容產(chǎn)品雖然在工藝和部分產(chǎn)品性能上不及國外公司,但差距正逐步縮小,特別是在繞線和大型超級電容上部分性能超出。圖表14 國內外主要廠商產(chǎn)品性能對比韓NESS 美MAXWELL俄ESMA上海奧威靜電容F 5000 2500 130000 80000能量密度WH/KG 4.3 4 8 10-15功率密度W/KG 2500 2000 1000 800-2500 內電阻OM 0.4 0.7 0.4 0.6數(shù)據(jù)來源金元證券研究所超級電容網(wǎng)上海奧威科技公司是國內一家重要的超級電容器供應商,其技術新能與國外同行已經(jīng)不相上下。該公成于1998年,承擔了國家863計劃電動汽車用超級電容器課題、上海

25、市無軌電車脫線運行改造等項目;在小功率應用方面,其超級電容器作為備用電可用于各類智能儀器儀表、計算機、家用電器和電動玩具等領域;而作為源則可用于各種車輛、內燃機的啟動,以及電動自行車、電動摩托車、電公交車的牽引等領域。在小功率應用方面主要廠商為錦州錦容超級電容器有限公司,其產(chǎn)品包括卷繞式、疊片式和鈕扣式等類型,容量范圍在0.33-270F之間,其產(chǎn)品已經(jīng)應用到太陽能高速公路指示燈、玩具車和微機后備電源等領域。該公司具備年產(chǎn)2000萬只超級電容器的生產(chǎn)能力,目前的超級電容器月產(chǎn)量為十幾萬只左右。南京集華科技公司也與北京融商能達科技發(fā)展有限公司合作,將其產(chǎn)品應用在后者的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)之中,使其在

26、某一路段失電時可自動向控制中心發(fā)出告警。短時大功率應用方面主要有石家莊高達科技、北京金正平公司。其產(chǎn)品已經(jīng)形成了容量在0.5-2000F、工作電壓在12-400V、最大放電電流在400-2000A的系列超級電容器產(chǎn)品,能在-4080的溫度環(huán)境下正常工作。技術水平已接近俄羅斯,但價格卻僅為俄羅斯的1/3,具有較高的性價比。在環(huán)保型交通工具方面,上海奧威科技參與了上海市有線電車改造項目,主要是解決部分路口的電車架空線被取消后,在這些路段采用超級電容器作為主電源進行“脫辮”行駛。而哈爾濱巨容新能源公司的超級電容器也已在環(huán)保公交車上進行中試。北京集星科技公司的SPSCAP超級電容器也已經(jīng)開始應用于車輛

27、啟動、電力和地質勘測設備等。前景展望與投資思路超級電容器作為本世紀重點發(fā)展的新型儲能產(chǎn)品之一,正在為越來越多的國家和企業(yè)爭相研制和生產(chǎn)。超級電容器價格已經(jīng)由大約1-2美元/法拉,下降到平均0.01-0.02美元/法拉,正逐步接近市場化水平。日本,德國和俄羅斯已在汽車中批量使用,超級電容產(chǎn)品正在向規(guī)?；⑹袌龌?、大眾化方向發(fā)展。而在國內,超級電容器的應用尚處于起步階段,在鈕扣型超級電容器市場中,海外產(chǎn)品幾乎占據(jù)了90%以上的份額,競爭異常激烈,國內廠商正采用的低價策略(約為國外產(chǎn)品的4060%等手段來爭奪市場。目前在卷繞型和大型超級電容器方面,中國產(chǎn)品的技術水平與國際接近,市場份額較為理想。伴隨

28、國內一批示范項目的實施,如上海11路超級電容公交電車,煙臺公交車項目等,國內有望興起超級電容熱潮。技術進步和工藝改進,必將推動超級電容成本進一步下降,質量能量比將逐步提高,當質量能量比超過20KWH/KG 時,超級電容有望步入真正的大規(guī)模市場推廣階段。目前全球超級電容的年需求量約為2億只,增長速度約為160%;中國市場超級電容年需求量達2150萬只,且每年都在以約50%的速度增長。超級電容器占世界能量儲存裝臵(包括電池、電容器的市場份額不足1%,在我國所占市場份額約為0.5%,因此超級電容器存在著巨大的市場潛力。上市公司中尚沒有主營超級電容的公司,只有法拉電子,深圳惠程等有所涉及或者產(chǎn)品作用類

29、似,投資者可關注相關上市公司的超級電容項目進展情況,并選擇上游活性炭電極,電解液等相關原材料供應相關公司和下游相關配套公司進行投資。圖表15 相關上市公司評級數(shù)據(jù)來源:金元證券研究所 WINDEPS10PE 最新進展評級法拉電子 0.7529.84 目前有薄膜電容器配套給比亞迪公司,銷售收入占比0.1%,主要用作汽車輔助動力,與超級買入深圳惠程 0.2653.65 公司控股子公司“惠程新能源公司”專業(yè)從事超級電容器的生產(chǎn)研發(fā),本項目達產(chǎn)后可形成年產(chǎn)50 萬只1000 法拉超級電容器的生產(chǎn)能力。未評級寧波富達0.06 105 與上海交大合作的超級電容項目目前已停止 未評級銅峰電子 0.04104 公司開始發(fā)售機車電容,年銷售在3000-4000臺以,機車電容在機車上主要用作功率補償,作用與輔助動力類似中性金元證券行業(yè)投資評級標準:增持:行業(yè)股票指數(shù)在未來6 個月內超越大盤;中性:行業(yè)股票指數(shù)在未來6 個月內基本與大盤持平;減持:行業(yè)股票指數(shù)在未來6 個月內明顯弱于大盤。金元證券股票投資評級標準:買入:股票價格