超级电容-新能源汽车的良好辅助动力_图文

1、 相关报告目录一、超级电容结构简介-2 什么是超级电容-2 传统电容储能方法-2 超级电容工作原理-2二、国内外超级电容研发进展-3三、超级电容是新能源汽车良好的辅助动力-5 超级电容适合用作新能源汽车辅助动力-5 目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况-6 超级电容用做汽车部件的辅助能源-8四、用超级电容作为公交车的主动力正逐步兴起-8五、超级电容市场状况-10 国际市场-10 国内市场-10 六、前景展望与投资思路-12图表图表1 MAXWELL公司超级电容-2图表2 双电层超级电容器结构图- 3 图表3 PNGV超级电容发展目标-4图表4 超级电容在混合动力汽车中的应用- 6图表5

2、 本田FCX及其超级电容安装结构- 7图表6 日产混合动力卡车- 7图表7 “CNG+C ”15吨串联式混合动力大客车-8图表8 超级电容与电池相关指标比较(不包括实验数据- 9图表9 超级电容公交车与电池公交车动力成本对比- 9图表10 超级电容公交车以及充电站-10图表11 国内超级电容市场规模和增速 -11图表12 绕线型超级电容的市场规模和增速-11图表13 纽扣型超级电容的规模和增速-11图表14 国内外主要厂商产品性能对比-11图表15 相关上市公司评级-13. 什么是超级电容超级电容器(Supercapacitor ,Ultracapacitor,又叫黄金电容、法拉电容,通过极化

3、电解质来储能,属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应,因此这种储能过程是可逆的,正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容器是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 图表1 MAXWELL 公司超级电容来源:金元证券研究所 MAXWELL 传统电容储能方法传统电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1或一层介电物质(相对介电常数为所隔离,电容值

4、为:C = ·A / 3.6 d ·10-6 (F 其中A 为极板面积,d 为介质厚度。所储存的能量为: E = C (V 2/2,其中C 为电容值,V 为极板间的电压降。可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A 或减少介质厚度d ,但这个伸缩空间有限,导致它的储电量和储能量较小。因此传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等尽可能的薄的材料。 超级电容工作原理目前主要的双层结构超级电容主要有碳电极双电层电容器,金属氧化物电极双层

5、电容器和有机聚合物电极双层电容器,但是由于金属氧化物(氧化钌电极电容价格高昂,有二次污染等因素,目前主要用于军超级电容结构简介事领域。有机聚合物技术尚未成熟,因此在电动汽车上广泛使用的主要是碳电极超级电容。碳电极超级电容器的面积是基于多孔碳材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000平方米/克,通过一些措施还可以实现更大的表面积。碳电极超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的,该距离(<10Å比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有巨大的静电容量。超级电容器中,多孔化电极采用的

6、是活性碳粉或活性碳或活性碳纤维,电解液采用有机电解质,如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨等。工作时,在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集电容量,其多孔化电极在电解液中吸附电荷,因而可以存储很大的静电能量,超级电容器的这一储电特性介于传统的电容器与电池之间。尽管这能量密度比电池低,但是这能量的储存方式,有快充快放的特点,可以应用在传统电池难以解决的短时高峰值电流应用之中。图表2 双电层超级电容器 来源: 金元证券研究所 电子元器件网双电层电容本质上是一种静电型能量储存方式,目前已经研制出活性碳材料表面积可以达到2000平方米/克,单位重量的电容量可达100F/g ,并且电容的内阻还能保持

7、在很低的水平;而且碳材料还具有成本低,技术成熟等优点,使得该类超级电容在汽车上应用最为广泛。目前,美国、欧洲和日本都在积极开展电动汽车用超级电容的研究开发工作。美国能源部和USABC(US Advanced Batter Consortium从1992年组织国家实验室(Lawrence Livcrmore ,Los Alamos ,Sandia、国内外超级电容研发进展大学(Auburn和工业界(Maxwell,Federal Fibers Fabrics,GE,推出电动汽车用超级电容的可行性研究计划,短期目标是2005年实现能量密度5Wh/kg和功率密度500W/kg,中期目标是实现能景密度1

8、0Wh/kg和功率密度1000W/kg,长远目标是实现能量密度15Wh/kg和功率密度1500W/kg。美国三大汽车巨头成立USABC机构,专门主持EDLC的研究与开发。到目前为止,超级电容技术基本达到了PNGV所设立的2002年目标要求,尚未达到其设立的2006年目标要求。根据研究,如果超级电容的比能量达到20Wh/kg,那么用于混合车将是比较理想的。图表3 PNGV超级电容发展目标功率比能量W/(W/H >100 >100 >100 >100循环寿命>100100 400,000 400,000 400,0001000 500 320数据来源:金元证券研究所电

9、池世界从1996年初,欧盟开始超级电容的研究计划,由Salt公司领导项目,其成员有Alcatel Asthom,Fiat,Magneti Maralli SEPA Division,Danioncs,Universityf Kaiserslautem和ECN。欧盟超级电容研究计划的目标是:达到比能量6Wh/kg,8Wh/L;比功率1500W/kg,2000W/L;循环寿命超过10万次;满足电化学电池和燃料电池电动汽车要求,为工业开发做准备。日本政府部门推选的新太阳能规划(NewSun Shing Project吸引了很多高新技术企业参加,超级电容的研究与开发是重要项目之一,日本也成立了“新电容

10、器研究会”和NEW SUNSHINE开发机构。俄罗斯专注于电容车技术和电动车制动能量回收的研究,取得了显著的发展。其启动型超级电容器比功率已达3000W/kg,循环寿命在10万次以上,领先于其它国家。在俄罗斯,曾有使用950kg超级电容驱动载客50人的电动巴士,尽管其续驶里程只有810km,但其充电时间也只有15分钟。我国从九十年代开始研制超级双电层电容器,与国外先进水平还有一定的差距。国内已经研制出比能量为10Wh/kg、比功率为600W/kg的高能量型及比能量为5Wh/kg、比功率为2500W/kg的高功率型超级电容器样品,循环使用次数可达50,000次以上。性能指标已经达到国际先进水平,

11、成本较国际平均价格有大幅度下降。超级电容是新能源汽车良好的辅助动力超级电容适合用做电动汽车的辅助动力汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大,在城市路况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16:1,但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短,需要的能量并不高。对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言,这就意味着要么汽车动力性不足,要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流,这无疑会大大损害电池、燃料电池或其它APU的寿命。如果使用比功率较大的超级电容,当瞬时功率需求较大时,由超级电容提供尖峰功率,并且在制动回馈时吸收尖峰功率,那么就可以减轻对电池、燃料电池或

12、其它APU的压力。从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出,而且可以高效地回收大功率的制动能量。这样做还可以提高电池的使用寿命,改善其放电性能。其工作过程如下:1,启动,加速,爬坡(箭头代表放电方向 2,正常行驶 3,减速制动 图表4 超级电容在混合动力汽车中的应用 来源:金元证券研究所 车讯网(超级电容位于控制单元内目前超级电容作为新能源汽车辅助动力的应用情况 应用一:本田FCX本田FCX 燃料电池-超级电容混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车。该车早在2002年就已经在日本和美国加洲上市。第5代FCX 采用了新型质子交换膜形式的燃料电池模块,用超级电容加燃料电池的电能供应方式,

13、这能够让FCX 迅速达到一个较大的输出功率,弥补了燃料电池车启动和加速性能差的缺点,并将启动时间缩短到10s 。同时由于超级电容与燃料电池同样具有软特性,结构中取消了DC /DC 变换器,降低了系统重量。车载空调系统是由燃料电池组带动的,超级电容只提供车辆加速和爬坡时所需的峰值功率,同时回收车辆刹车时的回馈能量,超级电容电量不足时则由燃料电池带动电机利用输出的多余电功率来补充。图表5 本田FCX 及其超级电容安装结构 数据来源 金元证券研究所 HONGDA FCX应用二:日产混合动力卡车在以内燃机作主能源的混合动力电动车方面,日产汽车公司于2002年6月24日推出了安装有柴油机、电动机和电容器

14、的并联混合动力卡车。由额定功率为152千瓦的CIDl 发动机和55千瓦的永磁电机驱动,安装有日产公司开发的新型电容器“超级电力电容器(ECaSS”,具有6.3千瓦的比功率,功率能量比高达80。该卡车使用384个单元组成三串,每串由28个1500法2.7伏单元并联,共583瓦时。该车制动能量的功效高于其它电池供电的混合动力车。与日产柴油机汽车公司以往生产的柴油机汽车相比,该混合动力卡车可减少燃料成本50%,减少二氧化碳排放量33%,减少氧化氮排放量50%。图表6 日产混合动力卡车 来源:金元证券研究所 聪惠网应用三:Nissan 混合动力大客车Nissan Diesel 公司开发了一辆15t 的

15、“CNG +C”串联式混合动力大客车,续驶里程比常规CNG 大客车提高了2.4倍。超级电容总重200kg ,CNG 发动机在最优效率点带动一个75kW 的发电机工作。结构形式 串联电容混合超级电容单体额定容量1350F 内阻2.5mo 体积168mL 重量2469 超级电容模块 80个单体串联+两组串联 最高电压430V 最大输入输出功率56kW 每组10WHh 总体218Wh图表7 “CNG+C ”15吨串联式混合动力大客车 来源:金元证券研究所佳工机电瑞士中心应用科学大学(HTA-Luzerne自1992年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统SAM(Super Accumulator

16、Module,它以超级电容和电池为基础组成。并且在1997年开发的“色天使”型混合动力车中仅使用超级电容组就拖动了瑞士联邦铁路公司的80t重的火车头。此项目还在16座4t的中巴车实现了储能系统完全由超级电容提供。超级电容用做汽车部件的辅助能源除了用于动力驱动系统外,超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如,未来汽车设计使用的42V电系统(转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等,如果使用长寿命的超级电容,可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高,另外还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线,同时减少汽车子系统对电池的功率消耗,延长电池使用时间。超级电容作为公交车的主动力正逐步兴起

17、盈由于超级电容具有高功率密度,放电电流可以达到数百安培,在大电流应用场合,特别是高能脉冲环境,可更好地满足功率要求。同时超级电容充放电时间短、效率高,可在很短的时间内完成一个充放电循环,远远低于可充电电池,特别适合短距离行驶车辆。超级电容器的循环使用寿命可达10万次以上,比目前最好的电池要高出100倍,同时在使用过程中不需要经常性维护;其适用温度范围宽,可在-4070范围内使用,可满足车辆动力系统在低温环境下的启动,安全性高,这些锂电池不具有的特性使它成为城市公交理想的动力选择。图表8 超级电容与电池相关指标比较(不包括实验数据指标铅酸电池镍氢电池锂电池能量型超级电容功率型超级电容比能量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使用温度-30-60 -20-55 -10-60(-40度容量减半-40-70 -30-60安全性好一般一般好好记忆性无弱无无无循环次数300-400 500-800 600-800 >50000 >200000 充电时间>2h >2h >2h 10s-3min 10s-5min放电电流一般受温度影响一般受温度影响一般受温度影响不受温度影响,放电时间短不受温度影响,放电时间短来源:金元证券研究所电池世界目

19、前北京,烟台和上海已经试验使用超级电容动力公交车。国内厂商烟台中上自主生产的超级电容公交车一次充电行驶距离已经可以达到12公里,首次充电时间180秒,中间站充电时间15-30秒,最高行驶速度60公里/小时,最大爬坡度不小于25%,刹车工况下能实现能量再生回馈,运行情况良好。中上汽车已研发出第三代超级电容车,续航能力提升至25公里,最高行驶速度70公里/小时,理论上已经能够满足任何城市的公交要求。超级电容公交车不光在功率密度和安全性上有锂电池公交车不可比拟的优势,而且成本也远低于电池主动力公交车。我们假设每台公交车每天消耗功率150KWH,超级电容动力车可以通过增加充电次数减少超级电容使用量,而

20、电池动力公交车则需要一次充足,二者成本相比除铅酸电池外其他成本完全不在一个而数量等级上。图表9 超级电容公交车与电池公交车动力成本对比数据来源:金元证券研究所电池世界除了成本上的优势之外,超级电容动力公交车充电十分方便,安全性高,可直接安装于公交站上方即充即走,即使相对目前的拖尾电车优势也十分明显,据报道武汉正考虑采购5000台超级电容车替代拖尾电车。超级电容铅酸电车镍氢电池锂电池总能量/WH 5000 150000 150000 150000价格(元*W/H60 1.5 8 9总价/元300000 225000 1200000 1350000图表10 超级电容公交车以及充电站 来源:金元证券

21、研究所水母网超级电容市场状况国际市场状况2007年,全球钮扣型超级电容器产业规模为10.2亿美元,卷绕型和大型超级电容器产业规模为34.8亿美元,超级电容器产业总规模为45亿美元,同比增长45%;2008年全球钮扣型超级电容器产业规模为15.3亿美元,卷绕型和大型超级电容器产业规模为为52.2亿美元,超级电容器产业总规模为67.5亿美元,同比增长50%。主要的生产企业有:美国的MAXWELL公司,俄罗斯的ECOND公司、ELIT公司,日本的ELNA公司、PANASONIC公司、NEC-TOKIN公司,韩国的NESS公司、KORCHIP公司、NUINTEK公司等。美国Maxwell公司的PC系列

22、产品体积小、内阻低,产品一致性好,串并联容易,但价格较高;日本的NEC公司、松下公司、T okin公司均有系列超级屯容器产品其产品多为圆柱体形,规格较为齐全,适用范围广,在超级电容器领域占有较大市场份额;俄罗斯ECOND公司对超级电容器已有25年的研究历史,该公司代表着俄罗斯的先进水平,其产品以大功率超级电容器产品为主,适用于作动力电容。国内市场状况近年来,由于看好超级电容广阔的应用前景,中国一些公司也开始进入这一领域。2004年国内产业规模为2.48亿元,2008年国内产业规模为13.3亿元,年复合增长率超过50%。其中,纽扣型超级电容器从4千万元,增加到2.1亿元,增长超过5倍;卷绕型和大

23、型超级电容器从3.5亿元,上升到11.2亿元,增长超过3倍,伴随超级电容的成本逐渐下降和下游应用范围不断拓展未来增速还有望进一步提升。图表11 国内超级电容市场规模和增速单位亿元 图表12 绕线型超级电容的市场规模和增速图表13 纽扣型超级电容的规模和增速 数据来源:金元证券研究所超级电容网目前,国内厂商大多生产液体双电层电容器,主要的企业有上海奥威公司、北京集星公司、锦州富辰公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家。其中以锦州富辰公司规模最大,其主要生产钮扣型和卷绕型超级电容器,上海奥威公司技术和产品性

24、能领先。国内超级电容产品虽然在工艺和部分产品性能上不及国外公司,但差距正逐步缩小,特别是在绕线和大型超级电容上部分性能超出。图表14 国内外主要厂商产品性能对比韩NESS 美MAXWELL俄ESMA上海奥威静电容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 内电阻OM 0.4 0.7 0.4 0.6数据来源金元证券研究所超级电容网上海奥威科技公司是国内一家重要的超级电容器供应商,其技术新能与国外同行已经不相上下。该公成于1998年,承担了国家863计划电动汽车用超级电容器课题、上海

25、市无轨电车脱线运行改造等项目;在小功率应用方面,其超级电容器作为备用电可用于各类智能仪器仪表、计算机、家用电器和电动玩具等领域;而作为源则可用于各种车辆、内燃机的启动,以及电动自行车、电动摩托车、电公交车的牵引等领域。在小功率应用方面主要厂商为锦州锦容超级电容器有限公司,其产品包括卷绕式、叠片式和钮扣式等类型,容量范围在0.33-270F之间,其产品已经应用到太阳能高速公路指示灯、玩具车和微机后备电源等领域。该公司具备年产2000万只超级电容器的生产能力,目前的超级电容器月产量为十几万只左右。南京集华科技公司也与北京融商能达科技发展有限公司合作,将其产品应用在后者的城市照明监控系统之中,使其在

26、某一路段失电时可自动向控制中心发出告警。短时大功率应用方面主要有石家庄高达科技、北京金正平公司。其产品已经形成了容量在0.5-2000F、工作电压在12-400V、最大放电电流在400-2000A的系列超级电容器产品,能在-4080的温度环境下正常工作。技术水平已接近俄罗斯,但价格却仅为俄罗斯的1/3,具有较高的性价比。在环保型交通工具方面,上海奥威科技参与了上海市有线电车改造项目,主要是解决部分路口的电车架空线被取消后,在这些路段采用超级电容器作为主电源进行“脱辫”行驶。而哈尔滨巨容新能源公司的超级电容器也已在环保公交车上进行中试。北京集星科技公司的SPSCAP超级电容器也已经开始应用于车辆

27、启动、电力和地质勘测设备等。前景展望与投资思路超级电容器作为本世纪重点发展的新型储能产品之一,正在为越来越多的国家和企业争相研制和生产。超级电容器价格已经由大约1-2美元/法拉,下降到平均0.01-0.02美元/法拉,正逐步接近市场化水平。日本,德国和俄罗斯已在汽车中批量使用,超级电容产品正在向规模化、市场化、大众化方向发展。而在国内,超级电容器的应用尚处于起步阶段,在钮扣型超级电容器市场中,海外产品几乎占据了90%以上的份额,竞争异常激烈,国内厂商正采用的低价策略(约为国外产品的4060%等手段来争夺市场。目前在卷绕型和大型超级电容器方面,中国产品的技术水平与国际接近,市场份额较为理想。伴随

28、国内一批示范项目的实施,如上海11路超级电容公交电车,烟台公交车项目等,国内有望兴起超级电容热潮。技术进步和工艺改进,必将推动超级电容成本进一步下降,质量能量比将逐步提高,当质量能量比超过20KWH/KG 时,超级电容有望步入真正的大规模市场推广阶段。目前全球超级电容的年需求量约为2亿只,增长速度约为160%;中国市场超级电容年需求量达2150万只,且每年都在以约50%的速度增长。超级电容器占世界能量储存装臵(包括电池、电容器的市场份额不足1%,在我国所占市场份额约为0.5%,因此超级电容器存在着巨大的市场潜力。上市公司中尚没有主营超级电容的公司,只有法拉电子,深圳惠程等有所涉及或者产品作用类

29、似,投资者可关注相关上市公司的超级电容项目进展情况,并选择上游活性炭电极,电解液等相关原材料供应相关公司和下游相关配套公司进行投资。图表15 相关上市公司评级数据来源:金元证券研究所 WINDEPS10PE 最新进展评级法拉电子 0.7529.84 目前有薄膜电容器配套给比亚迪公司,销售收入占比0.1%,主要用作汽车辅助动力,与超级买入深圳惠程 0.2653.65 公司控股子公司“惠程新能源公司”专业从事超级电容器的生产研发,本项目达产后可形成年产50 万只1000 法拉超级电容器的生产能力。未评级宁波富达0.06 105 与上海交大合作的超级电容项目目前已停止 未评级铜峰电子 0.04104 公司开始发售机车电容,年销售在3000-4000台以,机车电容在机车上主要用作功率补偿,作用与辅助动力类似中性金元证券行业投资评级标准:增持:行业股票指数在未来6 个月内超越大盘;中性:行业股票指数在未来6 个月内基本与大盘持平;减持:行业股票指数在未来6 个月内明显弱于大盘。金元证券股票投资评级标准:买入:股票价格