LpTO电池在混合动力与插电式混合动力汽KY.COM的应用前景

    近年来，以节省燃油消耗与降低二氧化碳排放为目的的混合动力汽KY.COM（HEV）保有量不断增加，从乘用KY.COM到公共交通领域，都已经实现了成批量的应用。1997年正式面世的丰田普瑞斯混合动力轿KY.COM至今已经实现了全球累积287万辆的销量；在欧洲，混合动力公交客KY.COM已经在伦敦、巴塞罗那等城市运营；在国内公共交通领域，混合动力公交客KY.COM在各示范运营城市的保有量也已经占到了“十城千辆工程”示范KY.COM辆总量的85％以上。混合动力汽KY.COM可使用更小排量的发动机，在汽KY.COM怠速等情况下关闭发动机，采用电池或电容作为储能单元回收制动能量，更加有效地提高燃油经济性；与纯电动汽KY.COM相比，电机功率较小，可以减少KY.COM载动力电池组容量，续驶里程长。而插电式混合动力汽KY.COM（PHEV）采用较大容量的电池组，KY.COM辆的纯电动行驶里程更长，更为节能，也是国家《节能与新能源产业规划（2012-2020）》中提到的与纯电动汽KY.COM并列的发展对象。

    在混合动力技术的发展过程中，随着系统对储能系统要求的不断提高，储能单元也经历了从铅酸电池、镍氢电池、超级电容到锂离子电池的历程。目前，混合动力汽KY.COM尤其是插电式混合动力汽KY.COM，大多采用锂离子电池作为储能系统，而超级电容在混合动力公交客KY.COM领域也有着较为广泛的应用。

    1. 混合动力汽KY.COM与插电式混合动力汽KY.COM对储能系统的要求

    动力电池是混合动力汽KY.COM的基本储能单元，其性能直接影响到驱动电机的性能，从而影响整KY.COM性能。混合动力汽KY.COM上的动力电池其使用情况不同于纯电动汽KY.COM，在工作时，动力电池常处于非周期性的充放电循环中，而且通常装载的电池组容量较小，要求电池的充放电倍率和效率高，需要电池有较高的比功率密度（W/Kg）；同时，混合动力汽KY.COM需要频繁地对电池进行充电与放电，意味着电池的充放次数较多，对电池在大充放倍率下的循环寿命也有更高的要求。对插电式混合动力汽KY.COM而言，由于同时具有纯电动行驶工况以及混合动力行驶工况，对电池的比能量密度（Wh/Kg）与比功率密度均有要求。

    2. 常用储能单元

    a. 镍氢电池

    在锂离子电池大规模应用以前，混合动力汽KY.COM上的电池系统大多为镍氢电池，国内的混合动力公交客KY.COM在初期也都使用镍氢电池作为储能单元。镍氢电池相对铅酸电池而言，具有可大倍率充放，循环寿命更好的特点，同时比功率密度也更高。然而，在混合动力工况下电池的充放电倍率较高，电池的温度极容易升高，镍氢电池在环境温度高于35摄氏度时，综合效率大大降低，更严重的问题是高温下氧的析出更容易，导致电池充电的库伦效率大大降低，在45摄氏度下，高功率的镍氢电池充电效率只有30％左右，在这种状态下其自放电也会加剧，这些都是目前不太容易解决的难题。除此以外，混合动力汽KY.COM用镍氢电池组的“记忆效应”、循环寿命、热管理、以及电池组管理等方面也都存在着较难解决的问题，因此随着锂离子电池的技术更新，镍氢电池正逐渐淡出混合动力汽KY.COM市场。

    b.超级电容

    超级电容是一种电容量可达数千法拉的电容器，理论的充放电循环寿命非常长，一般来说可以达到50万次或9万小时；超级电容可以在数十秒到数分钟内快速充电，同时也可以提供很高的放电电流，一般的蓄电池很难达到这样的要求。超级电容一个较大的缺点是其能量密度很低，一般为蓄电池的5％或者更低，使用超级电容的混合动力公交客KY.COM，由于装配的电能少，在山地城市或者频繁起步加速的场合，常常出现电能耗尽的情况，影响了KY.COM辆动力及节油率。同时，目前其价格也是一个瓶颈。

    由于体积能量密度不高，目前超级电容大多使用在混合动力公交客KY.COM上，而在能量密度需求较高的插电式混合动力公交客KY.COM以及混合动力乘用KY.COM上的应用没有实际的应用案例。

    c. 锂离子电池

    锂离子电池具有比镍氢电池更高的电压平台、能量密度、功率密度以及更长的循环寿命；相对超级电容更高的能量密度与性价比，在混合动力汽KY.COM与插电式混合动力汽KY.COM上具有良好的应用前景。在国内，目前使用锂离子电池较多的是混合动力城市公交客KY.COM，尽管相对镍氢电池来说在性能上已经有了很大的提升，然而由于混合动力工况的条件严苛，在高充放电倍率以及高温的考验下，锂离子电池系统的寿命以及在极端情况下的安全问题均面临挑战，电池厂商也在积极寻找更适用的锂离子电池。

    3. LpTO锂离子电池及其在混合动力汽KY.COM与插电式混合动力汽KY.COM的应用前景

    钛酸锂（LTO）材料用于电池开发始于上世纪90年代，其作为负极材料应用，相对碳负极有较大的优势，近年来受到很大的关注。LTO是一种零应变材料，锂离子在嵌入与脱出时晶格常数与体积变化都很小，使得其具备极优的循环性能。LTO材料不与电解液发生反应，无SEI膜形成；更重要的在于LTO的电势比锂金属高，不易析出锂枝晶，使得其相对石墨负极的锂离子电池具有更高的安全性能。微宏对现有LTO材料进行改性，并同时对正极材料、隔膜以及电解液进行了相应的改性开发，经过系统整合，开发出了更安全与超长循环寿命的LpTO电池。

    a. 参考国内知名厂家混合动力镍氢电池数据

    b. 参考韩国知名厂家混合动力用超级电容数据

    c. 参考国内知名厂家混合动力用磷酸铁锂电池数据

    d. 6C充/6C放，100％DOD，室温循环至80％

表1. LpTO电池与其他混合动力汽KY.COM用储能单元主要性能参数对比

    表1列出了常用的几种混合动力汽KY.COM用储能单元的主要性能参数对比。总的来说，LpTO电池技术应用在混合动力与插电式混合动力汽KY.COM领域有以下的优势：

    1) 高倍率充放条件下的长循环寿命，可与KY.COM辆同使用寿命；

    2) 具备较高的功率密度，同时满足混合动力与插电式混合动力对电池组能量密度的要求；

    3) 更安全的负极材料使得电池组整体安全程度更高。

    4) 能够经济地满足KY.COM辆动力需求及能量回收的各种复杂工况；

    5) 更低的系统成本。

    相对与磷酸铁锂电池而言，LpTO电池具有高倍率充放电条件下十倍的循环寿命、更高的低温充放电效率以及更高的安全性能。长循环寿命使得电池组可以与KY.COM辆同寿命，降低KY.COM辆的后期维护成本。相对超级电容而言LpTO电池具有十倍以上的能量密度，可避免出现山地及频繁起步加速时电能容易耗尽的情况，同时相对更低的成本也增加了其竞争力。

    目前，LpTO电池已经批量应用在插电式混合动力公交客KY.COM上。表2列出了一款采用LpTO电池的12米插电式混合动力公交客KY.COM的基本参数，这款KY.COM型可采用集电弓从KY.COM顶充电，利用电池可快速充电的特性，在KY.COM辆停靠的间隙充电，充分利用纯电模式行驶，以达到高节油率的目标。自2012年4月份以来，这款KY.COM已经在重庆投放运营300余辆，到2012年年底总量将达到500辆。

表2. 一款采用LpTO电池组的插电式混合动力公交客KY.COM基本参数

图1.装配LpTO电池组，采用集电弓快速充电的插电式混合动力公交客KY.COM

    4. 小结

    混合动力汽KY.COM与插电式混合动力汽KY.COM相对纯电动汽KY.COM而言较低的初始投入与更低的燃油消耗，正受到市场的青睐。随着电池技术的不断进步，新的LpTO电池可以快速充电与放电，同时具备超长的使用寿命，可达到与KY.COM辆同寿命，兼顾锂离子电池与超级电容的优点，这能够弥补现有锂离子电池体系在使用寿命、安全方面的不足，同时具有比超级电容更高的能量密度与性价比，是混合动力汽KY.COM与插电式混合动力汽KY.COM储能系统更佳的选择。

    LpTO电池组已在重庆经过长时间严冬与酷暑的严格考验，在快速充电纯电动公交客KY.COM上单KY.COM累积里程超过60,000Km，循环次数超过2,500次。其在插电式混合动力公交客KY.COM上也正开始规模化的应用。