超級電容的話題

2017-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

接觸到超級電容,是11年的事情。當(dāng)時部門考慮增加采購有軌電車,法國的供應(yīng)商推薦了他們的新型產(chǎn)品,帶有超級電容的有軌電車,軌道交通行業(yè)的人都知道,國內(nèi)地鐵,有軌電車的取電基本上都靠車輛的受電弓取電,來實現(xiàn)車輛的電力驅(qū)動。

而當(dāng)時法國推薦新款產(chǎn)品的最大亮點就是車輛配置了超級電容,也就是說30米長的有軌電車完全靠超級電容的充放電來驅(qū)動,充電依靠路面的取流桿(類似于電線桿的設(shè)備)或者敷設(shè)在地面的充電設(shè)備實現(xiàn),車輛配置的超級電容和充電設(shè)備的原廠實際是西門子。

作為技術(shù)維護(hù)人員,已經(jīng)吃夠了原車自帶的電池包的苦頭,原帶的電池包是一個大的電池模塊集成組件,由法國SAFT生產(chǎn),造價240萬RMB,光重量就500kg,模塊為鎳氫電池模塊,共22組,故障極其頻繁(包括電池管理系統(tǒng),電池模塊,電池冷卻液等,后面會詳細(xì)分析國內(nèi)上市公司新能源電池的各個方面的優(yōu)劣)。

考慮到新系統(tǒng)的超級電容完全沒有了解和接觸,防止國外奸商拿中國人做實驗,而且自己使用的牽引電池系統(tǒng)也有國產(chǎn)化的想法,為了便于對比,我們了解并接觸了國內(nèi)外的大功率動力電池和超級電容的廠家,并進(jìn)一步了解到了超級電容的知識。超級電容的知識現(xiàn)在網(wǎng)上一大堆,我就不說了,說了有賣弄之嫌。下面說一下超級電容的實際應(yīng)用情況。

國內(nèi)超級電容做的比較好的是上海奧威,他們和國內(nèi)幾個單位聯(lián)合研究的超級電容04年就用在了上海張江的公交車(12m)上,充電時間90s,充電一次可運行4km。11年的時候據(jù)說充電時間可以降低到75s,充電一次可運行8km,而老美當(dāng)時已經(jīng)可以對有軌電車(25m)做到25s充電,充電一次可運行25km,對比之下,國內(nèi)的差距就出來了。

事實上,不只是老美,歐洲和日本的這方面的技術(shù)比國內(nèi)要領(lǐng)先很多很多,現(xiàn)在國外超級電容在公共交通車輛上的應(yīng)用很普遍,早在2000年,西班牙和德國就使用超級電容對有軌電車和輕軌進(jìn)行供電,

而那個時候國內(nèi)的超級電容在車輛制動能量的回收使用上還未起步,直至2013年,沈陽渾南有軌電車才首次將超級電容作為電源驅(qū)動引入車輛系統(tǒng),該系統(tǒng)由長客研發(fā),按照長客和國外廠家的合作慣例,該超級電容系統(tǒng)極有可能是日本生產(chǎn),另一小部分可能是德國西門子生產(chǎn),沒有具體調(diào)研過。

國內(nèi)與國外大容量超級電容的研發(fā)、使用,客觀說,10年的差距還是有的,差距主要集中在電容本體,冷卻系統(tǒng)和電容管理系統(tǒng)上(后面會詳細(xì)總結(jié))。

現(xiàn)在A股中的超級電容概念的股票主要是江海股份,法拉電子,新宙邦,風(fēng)華高科。都有超級電容概念,但無一例外,都是小容量電容,應(yīng)用于電子產(chǎn)品上,而應(yīng)用于新能源汽車、有軌電車等車輛上的大功率電容則極少。

上面四個票,江海股份成長性比較好,最近加上入股VOLTA,加碼超級電容,想象豐富,一路走高,有故事,中長線逢低可入。

法拉電子不溫不火,每年都是現(xiàn)金分紅,分紅還可以,但是感覺開拓能力不怎么強(qiáng),業(yè)務(wù)范圍老是集中在家電領(lǐng)域,需要事件驅(qū)動。

新宙邦超級電容方面的產(chǎn)品主要是電解液,該產(chǎn)品在新能源汽車有軌電車上的應(yīng)用也較少。風(fēng)華高科,大股東是國企,對這個不感興趣,就不說了。

動力電源超級電容模塊集成系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成,電容本體,電池管理系統(tǒng),和電池冷卻系統(tǒng)。

對于電容本體,主要為正負(fù)極,電解液和隔膜等其他附屬部件,其中最為核心的,也是要求最嚴(yán)格的是正極材料,正極材料一般為碳材料,為了實現(xiàn)電容的“超級”特性,碳材料表面需要形成孔狀,而孔的大小和分布有很嚴(yán)格的要求,不能太大也不能太小,2nm左右最佳。這一工藝制約著國內(nèi)超級電容電極的性能和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

世界上超級電容廠家里正極碳材料做的最好的公司是美國的maxwell公司,依靠正極碳材料的很多工藝上的專利,maxwell奠定了超級電容的世界級龍頭位,尤其是在交通領(lǐng)域(軌道交通,飛機(jī),新能源汽車,重卡,起重機(jī)等)的市場份額遙遙領(lǐng)先,maxwell的碳電極只出售,不做技術(shù)轉(zhuǎn)讓。因此maxwell公司的超級電容價格昂貴,性能也是非常穩(wěn)定的。

為了擴(kuò)大業(yè)務(wù),maxwell在全球有很多代工工廠,在生產(chǎn)超級電容時,maxwell將自己做好的電極運至代工工廠內(nèi),然后在代工工廠內(nèi)進(jìn)行超級電容的組裝。目前國內(nèi)和maxwell合作的有遼寧百納電氣,香港的百利通和天津力神,香港和天津均為maxwell代工。國內(nèi)A股上市公司里做超級電容碳電極的沒有(下屬控股,參股子公司除外),原因很簡單,國內(nèi)工藝水平很低。

A股里上市公司真正做事業(yè)的公司其實不多,之前看到過 GT周分享的上市潛力公司100強(qiáng),如果說真正做事業(yè)的上市公司,估計最多也就100多個吧。上市公司之外的做的好的也只限于個別大學(xué)的實驗室研究,離產(chǎn)業(yè)化很遠(yuǎn),其他如北京集星,錦州凱美,上海奧威,雖然能夠做出超級電容總成,但只是小功率和小容量的電容。

作為動力電源的超級電容中的電極,國內(nèi)現(xiàn)有應(yīng)用很少,有應(yīng)用的也是基本靠引進(jìn)。雖然國內(nèi)上市公司里沒什么好貨,有看頭的公司還是能找兩三個出來的。

先說江海股份吧,電容器的底子很強(qiáng),公司的財務(wù)指標(biāo)和業(yè)務(wù)就不說了,有心的朋友自己查吧。從我們接觸的國內(nèi)生產(chǎn)新能源電池的廠家(電池和超級電容廠家)來看,不知是巧合還是其他原因,保守估計有50%都來自江蘇,江海股份也不例外,周圍的廠家多,說明行業(yè)分布比較集中,容易形成良好的產(chǎn)業(yè)氛圍,對行業(yè)的最新動態(tài)也能隨時把握。

從2013年的從日本ACT公司購買的鋰電超級電容技術(shù),到2014年的入股VOLTA公司,江海的管理層對行業(yè)的把握還是很準(zhǔn)確的,畢竟國內(nèi)很多產(chǎn)業(yè),尤其是制造業(yè)的細(xì)分行業(yè),與國外相比,差距很大,超級電容只是其中一個。提前布局,能讓江海從未來的國內(nèi)甚至全球市場脫穎而出,從2013年的交易來看,江海的代價是150萬RMB,得到的是53項專利,根據(jù)披露的信息,53項專利中有很多“重要”技術(shù)。

但是從我們和日本人打交道的經(jīng)驗來看,53項專利中應(yīng)該不會含有核心的技術(shù),所謂專利,大多是外觀,生產(chǎn)過程中的操作文件等,完全是給級別比較低的作業(yè)人員看的,充其量會提供早期的的工藝技術(shù)。以我們公司使用的牽引電機(jī)為例,當(dāng)時完全從東芝進(jìn)口,高層喊的口號是我們完全進(jìn)口,日本提供了全部的技術(shù)資料,現(xiàn)在的結(jié)果是,牽引電機(jī)的大修還得日本工程師來指導(dǎo),或者直接返回日本在中國的工廠大連東芝進(jìn)行維修。

所以說,指望從外國人手里獲取核心技術(shù),基本上是天方夜談。雖然日本人不咋地,但是日本的產(chǎn)品還是很不錯的,我們2000年進(jìn)口的是日本70年代的產(chǎn)品,現(xiàn)在還在用,性能相當(dāng)穩(wěn)定。所以,盡管江海獲得的日本專利不會有太多核心技術(shù),但是起碼有完整的鋰電超級電容生產(chǎn)流程,畢竟錢花的比較少,能夠獲得很多“重要”技術(shù)還是為未來的鋰電超級電容的投產(chǎn)打下了基礎(chǔ),有了模子,模型就快了。

相比之下,2014年入股VOLTA,就是很劃算的買賣了。200萬美元,占8%的股份,關(guān)鍵是VOLTA的管理層,實際控制人盧峰,年輕有為,加州大學(xué)洛杉磯分校教授,美國能源局超級電容電極材料頂級專家,個人能力十分強(qiáng),有興趣的球友可以查一下。上文提過,電極是超級電容的核心,江海股份的管理層眼光獨到。以目前江海的情況,60億左右的盤子有點稍大,如果市值在40-50億左右,那將是絕佳的入場機(jī)會。要是能抓住這幾年與國外公司的合作機(jī)會,提升自身的技術(shù)水平,相信不久的未來,江海會大放異彩。

超級電容的另外一個關(guān)鍵材料就是電解液,目前國內(nèi)無論是鋰電池的電解液,還是超級電容的電解液,都做的不錯,網(wǎng)上的資料很多,這里不多敘述。

鋰電池電解液做的比較好的幾家公司,江蘇國泰,新宙邦,天賜高新等。超級電容電解液做的好的還數(shù)新宙邦,目前有機(jī)電解液為國際主流電解液,新宙邦的超級電容電解液直接為MAXWELL供貨。但相比其他業(yè)務(wù),規(guī)模還不大,作為化工行業(yè)的一員,如果未來能夠在超級電容電解液繼續(xù)擴(kuò)大自己的優(yōu)勢,加強(qiáng)與世界級的超級電容生產(chǎn)商的合作,新宙邦則會成為超級電容家族細(xì)分行業(yè)的龍頭。

下面是電池管理系統(tǒng),這里的電池管理系統(tǒng)在電池行業(yè)通用(包括超級電容電池),提到電池管理系統(tǒng),大多數(shù)人會想到A股中的均勝電子,都會說它是A股上市公司中稍有的能做電池管理系統(tǒng)的,而且為寶馬I系車提供電池管理系統(tǒng),這更加惹人注目。拋開對均勝電子公司質(zhì)地的好壞的評判,這里只介紹國內(nèi)和國外電池管理系統(tǒng)行業(yè)的大概情況。

目前國內(nèi)的電池管理系統(tǒng)在小容量和小功率電池(筆記本,智能手機(jī))中做的比較成熟,因為小容量和小功率的電池模塊較少,充放電較為簡單。但在大容量和大功率電池中,電池模塊較多,單體充放電平衡,需要電池管理系統(tǒng)來實現(xiàn)。

國內(nèi)目前能做的主要是電壓,電流,溫度,電量等的顯示,有技術(shù)含量的公司可能能夠做到對簡單故障的判斷。而國外比較成熟的電池管理系統(tǒng)除了以上功能外,能夠?qū)崿F(xiàn)對電池的充放電管理,單體電池間均衡,單個電池模塊故障判斷,整體電池模塊系統(tǒng)故障判斷,和電池的保護(hù)。

故障診斷系統(tǒng)能夠診斷出微小的傳感器或者是具體某一層某一個電池模塊的故障,而國內(nèi)的電池管理系統(tǒng)在充放電管理,電池均衡和深度故障診斷,電池保護(hù)方面的技術(shù)相差甚遠(yuǎn)。而均勝電子的電池管理系統(tǒng)技術(shù),還是依賴于德國的子公司瑞普,如果靠自己研發(fā),至少還需要十年時間。

繼續(xù)說電池管理系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)。

以法國SAFT公司的電池管理系統(tǒng)為例,最強(qiáng)大的功能在于它的診斷功能和管理功能。如果是普通的電池模塊系統(tǒng)還好,動力電池模塊一般為30-50個模塊,而對于超級電容的動力電池模塊系統(tǒng),內(nèi)部超級電容有500個以上。

電池管理系統(tǒng)對這幾百個電容通過幾百個集成傳感器進(jìn)行管理和診斷,其中的任何一個電池模塊或者電容出現(xiàn)故障,電池管理系統(tǒng)中的BMC集成電路(相當(dāng)于電腦中的CPU),對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,反饋到診斷軟件的界面上,供技術(shù)人員進(jìn)行分析。國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)針對單個或者少數(shù)電池模塊組的電池管理系統(tǒng)不成問題,在處理大規(guī)模電池模塊組的電池管理系統(tǒng)上,還是差的很遠(yuǎn)。

當(dāng)然,并不是國外的什么都好,他們的月亮也不是天天都又圓又亮。

10年的時候,意大利的某動力電池驅(qū)動的有軌電車發(fā)生了一次動力電池著火事故,把整個有軌電車都燒焦了。我們當(dāng)時得到消息后,對自己所有的動力牽引電池進(jìn)行了專項檢查,法國人連夜研究新方案,在所有動力電池的內(nèi)部設(shè)置了報警系統(tǒng),只要內(nèi)部溫度超過某一設(shè)定值,就立刻會對司機(jī)進(jìn)行報警提示。

意大利的有軌電車事故其實遠(yuǎn)比上一次的特斯拉電動車著火事故和以前發(fā)生的比亞迪電動汽車的著火事故嚴(yán)重,只是特斯拉和比亞迪太有名氣,而這個有軌電車起火只是發(fā)生在意大利一個不知名的小鎮(zhèn)而已,國內(nèi)外媒體并沒有關(guān)注而已。無論是有軌電車著火,還是大名鼎鼎的特斯拉著火事故,都凸顯了動力電池模塊系統(tǒng)中涉及安全的另一個極其重要的系統(tǒng),電池冷卻系統(tǒng)。

大家都知道,電池使用久了都會發(fā)熱,只要看看現(xiàn)在大家手上的智能手機(jī)就知道,一個小小的手機(jī)玩一會兒都燙手,更何況幾十組,幾百組單體電池作為動力電池使用呢,散發(fā)出來的熱量如果無法迅速擴(kuò)散和冷卻,在封閉環(huán)境中逐漸積累,電池著火甚至爆炸完全有可能發(fā)生。

所以,在動力電池組中的冷卻系統(tǒng)成了影響設(shè)備安全的最重要的系統(tǒng)。一般的電池冷卻系統(tǒng)都是安裝在電池組模塊附近,原理和空調(diào)的制冷原理相似,冷卻系統(tǒng)通過管路和單個電池模塊相連,管路里循環(huán)流動冷卻液(一般是乙二醇),將單個電池模塊的熱量帶走,冷卻系統(tǒng)將乙二醇制冷,多余熱量通過風(fēng)扇排到外界,而乙二醇再次循環(huán)進(jìn)入電池模塊,繼續(xù)吸收電池散發(fā)的熱量。

冷卻系統(tǒng)看似簡單,但對于動力電池來說,電池所占空間是有限的,甚至是非常緊湊的,如果電池占用空間太大,對車輛來說負(fù)擔(dān)太大,估計新能源汽車也就沒有優(yōu)勢了。所以,冷卻系統(tǒng)和電池模塊,傳感器,各類接觸器和線路的布局,無一不考驗著設(shè)計人員。特斯拉之所以火爆,還是它凝聚著無數(shù)優(yōu)秀設(shè)計師和工程師的智慧。對于國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)計水準(zhǔn)和研發(fā)水準(zhǔn),個人只能表示遺憾,泱泱大國,十幾億人啊,桑心……

電池冷卻系統(tǒng)如果出了故障,電池溫度過高,引起失火和爆炸的概率就會增大,所以電池管理系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著對冷卻系統(tǒng)監(jiān)控的作用,冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)不循、冷卻液缺失和泄露、或者電路故障,電池管理系統(tǒng)都會報警。電池管理系統(tǒng)同時監(jiān)控電池模塊和冷卻系統(tǒng),相當(dāng)于門神啊,沒有這個門神,估計使用者連死都不知道怎么死的。

所以現(xiàn)在國內(nèi)很多公司都不惜余力的開發(fā)電池管理系統(tǒng),競相進(jìn)入這個細(xì)分行業(yè)。像借助德國瑞普的均勝電子,已經(jīng)研發(fā)成功的拓邦股份,正在研發(fā)電池管理系統(tǒng)的科士達(dá),有技術(shù)儲備的德賽電池,還有很多非上市公司。除了均勝的瑞普外,其他都是小功率和小容量電池的電池管理系統(tǒng)。

這些不能說沒有技術(shù)含量,畢竟國內(nèi)正在一步步的追趕國外,但是技術(shù)含量相對不高。像我們12年接觸的江蘇海四達(dá),電池的各個系統(tǒng)技術(shù)儲備還是可以的,但是一提到小空間要布局那么多的設(shè)備,他們也望而卻步,海四達(dá)貌似12年上市首發(fā)未通過。

個人覺得,同時生產(chǎn)電池模塊系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的廠家做出來的產(chǎn)品會可能更好一點,因為自己熟悉自己的電池,因而電池管理系統(tǒng)也會有針對性的加強(qiáng)某方面的性能,更容易把產(chǎn)品的質(zhì)量做好。

舉個非電池行業(yè)的例子,像去年的奮達(dá)科技推的可穿戴設(shè)備,看似都是自己組裝的,核心的控制部分還是自己的東西,只是其他少部分部件用了別人的,雖然沒有貼自己的牌子,但是對于產(chǎn)品的性能和各個部分的匹配性能,相信只有奮達(dá)自己才知道。

如何能夠做的更好,緊跟時代的創(chuàng)新技術(shù)才是企業(yè)最根本的護(hù)城河,其實奮達(dá)科技的CEO汪則其定的戰(zhàn)略非常前瞻,包括入股傳感器公司,只是很多人大腦跟不上而已。

國內(nèi)很多上市公司只做最低端產(chǎn)業(yè)鏈的低級產(chǎn)品,掙到錢就覺得夠了,其實這些都無法長久。最近看到拓邦股份不僅生產(chǎn)鋰電池,還研發(fā)了自己的電池管理系統(tǒng),這些項目已經(jīng)通過驗收,這是一個好的開端,希望拓邦能更進(jìn)一步。

對于投資國內(nèi)股票和產(chǎn)業(yè)鏈的投資者,通過深挖電池模塊整個系統(tǒng),還是能找到好的標(biāo)的的,如深挖冷卻系統(tǒng),可以聯(lián)想到制冷行業(yè)(漢鐘精機(jī),煙臺冰輪等),深挖電池管理系統(tǒng)的信息接收,可以聯(lián)想到精密傳感器行業(yè)(如士蘭微等),深挖電池控制系統(tǒng)的處理器BMC(這是我們自己的叫法,網(wǎng)絡(luò)俗稱ECU),可以聯(lián)想到芯片行業(yè)(如中穎電子)等等,至于布局的時間,雪球很多牛人,大家可以向他們學(xué)習(xí)。

無論是新能源鋰電池系統(tǒng),還是超級電容,未來的路還很長,尤其是在動力電池方面,除了以上提到的,其實動力電池的充電器或者充電樁的問題也會很多。

關(guān)于充電器方面的知識,以后有時間再寫。衷心希望國內(nèi)企業(yè)能夠跟上國外主流技術(shù)的腳步,敢于引進(jìn),學(xué)習(xí)、使用和研發(fā),這是一個不斷進(jìn)步的過程,只有這樣,企業(yè)才能更加具有競爭力!

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才