近年來，以節(jié)省燃油消耗與降低二氧化碳排放為目的的混合動(dòng)力汽車（HEV）保有量不斷增加，從乘用車到公共交通領(lǐng)域，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成批量的應(yīng)用。1997年正式面世的豐田普瑞斯混合動(dòng)力轎車至今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球累積287萬輛的銷量；在歐洲，混合動(dòng)力公交客車已經(jīng)在倫敦、巴塞羅那等城市運(yùn)營(yíng)；在國內(nèi)公共交通領(lǐng)域，混合動(dòng)力公交客車在各示范運(yùn)營(yíng)城市的保有量也已經(jīng)占到了“十城千輛工程”示范車輛總量的85％以上。混合動(dòng)力汽車可使用更小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，在汽車怠速等情況下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，采用電池或電容作為儲(chǔ)能單元回收制動(dòng)能量，更加有效地提高燃油經(jīng)濟(jì)性；與純電動(dòng)汽車相比，電機(jī)功率較小，可以減少車載動(dòng)力電池組容量，續(xù)駛里程長(zhǎng)。而插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）采用較大容量的電池組，車輛的純電動(dòng)行駛里程更長(zhǎng)，更為節(jié)能，也是國家《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2012-2020）》中提到的與純電動(dòng)汽車并列的發(fā)展對(duì)象。
在混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展過程中，隨著系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)要求的不斷提高，儲(chǔ)能單元也經(jīng)歷了從鉛酸電池、鎳氫電池、超級(jí)電容到鋰離子電池的歷程。目前，混合動(dòng)力汽車尤其是插電式混合動(dòng)力汽車，大多采用鋰離子電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，而超級(jí)電容在混合動(dòng)力公交客車領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。
1. 混合動(dòng)力汽車與插電式混合動(dòng)力汽車對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求
動(dòng)力電池是混合動(dòng)力汽車的基本儲(chǔ)能單元，其性能直接影響到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能，從而影響整車性能�；旌蟿�(dòng)力汽車上的動(dòng)力電池其使用情況不同于純電動(dòng)汽車，在工作時(shí)，動(dòng)力電池常處于非周期性的充放電循環(huán)中，而且通常裝載的電池組容量較小，要求電池的充放電倍率和效率高，需要電池有較高的比功率密度（W/Kg）；同時(shí)，混合動(dòng)力汽車需要頻繁地對(duì)電池進(jìn)行充電與放電，意味著電池的充放次數(shù)較多，對(duì)電池在大充放倍率下的循環(huán)壽命也有更高的要求。對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車而言，由于同時(shí)具有純電動(dòng)行駛工況以及混合動(dòng)力行駛工況，對(duì)電池的比能量密度（Wh/Kg）與比功率密度均有要求。
2. 常用儲(chǔ)能單元
a. 鎳氫電池
在鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用以前，混合動(dòng)力汽車上的電池系統(tǒng)大多為鎳氫電池，國內(nèi)的混合動(dòng)力公交客車在初期也都使用鎳氫電池作為儲(chǔ)能單元。鎳氫電池相對(duì)鉛酸電池而言，具有可大倍率充放，循環(huán)壽命更好的特點(diǎn)，同時(shí)比功率密度也更高。然而，在混合動(dòng)力工況下電池的充放電倍率較高，電池的溫度極容易升高，鎳氫電池在環(huán)境溫度高于35攝氏度時(shí)，綜合效率大大降低，更嚴(yán)重的問題是高溫下氧的析出更容易，導(dǎo)致電池充電的庫倫效率大大降低，在45攝氏度下，高功率的鎳氫電池充電效率只有30％左右，在這種狀態(tài)下其自放電也會(huì)加劇，這些都是目前不太容易解決的難題。除此以外，混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池組的“記憶效應(yīng)”、循環(huán)壽命、熱管理、以及電池組管理等方面也都存在著較難解決的問題，因此隨著鋰離子電池的技術(shù)更新，鎳氫電池正逐漸淡出混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)。
b.超級(jí)電容
超級(jí)電容是一種電容量可達(dá)數(shù)千法拉的電容器，理論的充放電循環(huán)壽命非常長(zhǎng)，一般來說可以達(dá)到50萬次或9萬小時(shí)；超級(jí)電容可以在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，同時(shí)也可以提供很高的放電電流，一般的蓄電池很難達(dá)到這樣的要求。超級(jí)電容一個(gè)較大的缺點(diǎn)是其能量密度很低，一般為蓄電池的5％或者更低，使用超級(jí)電容的混合動(dòng)力公交客車，由于裝配的電能少，在山地城市或者頻繁起步加速的場(chǎng)合，常常出現(xiàn)電能耗盡的情況，影響了車輛動(dòng)力及節(jié)油率。同時(shí)，目前其價(jià)格也是一個(gè)瓶頸。
由于體積能量密度不高，目前超級(jí)電容大多使用在混合動(dòng)力公交客車上，而在能量密度需求較高的插電式混合動(dòng)力公交客車以及混合動(dòng)力乘用車上的應(yīng)用沒有實(shí)際的應(yīng)用案例。
c. 鋰離子電池
鋰離子電池具有比鎳氫電池更高的電壓平臺(tái)、能量密度、功率密度以及更長(zhǎng)的循環(huán)壽命；相對(duì)超級(jí)電容更高的能量密度與性價(jià)比，在混合動(dòng)力汽車與插電式混合動(dòng)力汽車上具有良好的應(yīng)用前景。在國內(nèi)，目前使用鋰離子電池較多的是混合動(dòng)力城市公交客車，盡管相對(duì)鎳氫電池來說在性能上已經(jīng)有了很大的提升，然而由于混合動(dòng)力工況的條件嚴(yán)苛，在高充放電倍率以及高溫的考驗(yàn)下，鋰離子電池系統(tǒng)的壽命以及在極端情況下的安全問題均面臨挑戰(zhàn)，電池廠商也在積極尋找更適用的鋰離子電池。
3. LpTO鋰離子電池及其在混合動(dòng)力汽車與插電式混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用前景
鈦酸鋰（LTO）材料用于電池開發(fā)始于上世紀(jì)90年代，其作為負(fù)極材料應(yīng)用，相對(duì)碳負(fù)極有較大的優(yōu)勢(shì)，近年來受到很大的關(guān)注。LTO是一種零應(yīng)變材料，鋰離子在嵌入與脫出時(shí)晶格常數(shù)與體積變化都很小，使得其具備極優(yōu)的循環(huán)性能。LTO材料不與電解液發(fā)生反應(yīng)，無SEI膜形成；更重要的在于LTO的電勢(shì)比鋰金屬高，不易析出鋰枝晶，使得其相對(duì)石墨負(fù)極的鋰離子電池具有更高的安全性能。微宏對(duì)現(xiàn)有LTO材料進(jìn)行改性，并同時(shí)對(duì)正極材料、隔膜以及電解液進(jìn)行了相應(yīng)的改性開發(fā)，經(jīng)過系統(tǒng)整合，開發(fā)出了更安全與超長(zhǎng)循環(huán)壽命的LpTO電池。
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鎳氫電池a |
超級(jí)電容b |
磷酸鐵鋰電池c |
LpTO電池 |
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電壓平臺(tái)（V） |
1.2 |
2.5 |
3.2 |
2.3 |
|
單體重量能量密度（Wh/Kg） |
45 |
6 |
90 |
75 |
|
單體體積能量密度（Wh/L） |
140 |
10 |
200 |
140 |
|
峰值比功率密度（W/Kg） |
800 |
20,000 |
1,800 |
2,300 |
|
單體循環(huán)壽命 |
600 |
500,000 |
2,000 |
25,000d |
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高低溫性能 |
差 |
好 |
一般 |
好 |
|
安全性能 |
一般 |
好 |
一般 |
好 |
a. 參考國內(nèi)知名廠家混合動(dòng)力鎳氫電池?cái)?shù)據(jù)
b. 參考韓國知名廠家混合動(dòng)力用超級(jí)電容數(shù)據(jù)
c. 參考國內(nèi)知名廠家混合動(dòng)力用磷酸鐵鋰電池?cái)?shù)據(jù)
d. 6C充/6C放，100％DOD，室溫循環(huán)至80％
表1. LpTO電池與其他混合動(dòng)力汽車用儲(chǔ)能單元主要性能參數(shù)對(duì)比
表1列出了常用的幾種混合動(dòng)力汽車用儲(chǔ)能單元的主要性能參數(shù)對(duì)比�？偟膩碚f，LpTO電池技術(shù)應(yīng)用在混合動(dòng)力與插電式混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域有以下的優(yōu)勢(shì)：
1) 高倍率充放條件下的長(zhǎng)循環(huán)壽命，可與車輛同使用壽命；
2) 具備較高的功率密度，同時(shí)滿足混合動(dòng)力與插電式混合動(dòng)力對(duì)電池組能量密度的要求；
3) 更安全的負(fù)極材料使得電池組整體安全程度更高。
4) 能夠經(jīng)濟(jì)地滿足車輛動(dòng)力需求及能量回收的各種復(fù)雜工況；
5) 更低的系統(tǒng)成本。
相對(duì)與磷酸鐵鋰電池而言，LpTO電池具有高倍率充放電條件下十倍的循環(huán)壽命、更高的低溫充放電效率以及更高的安全性能。長(zhǎng)循環(huán)壽命使得電池組可以與車輛同壽命，降低車輛的后期維護(hù)成本。相對(duì)超級(jí)電容而言LpTO電池具有十倍以上的能量密度，可避免出現(xiàn)山地及頻繁起步加速時(shí)電能容易耗盡的情況，同時(shí)相對(duì)更低的成本也增加了其競(jìng)爭(zhēng)力。
目前，LpTO電池已經(jīng)批量應(yīng)用在插電式混合動(dòng)力公交客車上。表2列出了一款采用LpTO電池的12米插電式混合動(dòng)力公交客車的基本參數(shù)，這款車型可采用集電弓從車頂充電，利用電池可快速充電的特性，在車輛�？康拈g隙充電，充分利用純電模式行駛，以達(dá)到高節(jié)油率的目標(biāo)。自2012年4月份以來，這款車已經(jīng)在重慶投放運(yùn)營(yíng)300余輛，到2012年年底總量將達(dá)到500輛。
| 車輛長(zhǎng)度 | 12米 |
| 混合動(dòng)力形式 | 并聯(lián)插電式 |
| 發(fā)動(dòng)機(jī) | CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，170 kW |
| 電機(jī) | 94 kW永磁同步電機(jī) |
| 電池組 | 20 kWh LpTO電池組，334V 60Ah |
表2. 一款采用LpTO電池組的插電式混合動(dòng)力公交客車基本參數(shù)
圖1.裝配LpTO電池組，采用集電弓快速充電的插電式混合動(dòng)力公交客車
4. 小結(jié)
混合動(dòng)力汽車與插電式混合動(dòng)力汽車相對(duì)純電動(dòng)汽車而言較低的初始投入與更低的燃油消耗，正受到市場(chǎng)的青睞。隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的LpTO電池可以快速充電與放電，同時(shí)具備超長(zhǎng)的使用壽命，可達(dá)到與車輛同壽命，兼顧鋰離子電池與超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，這能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有鋰離子電池體系在使用壽命、安全方面的不足，同時(shí)具有比超級(jí)電容更高的能量密度與性價(jià)比，是混合動(dòng)力汽車與插電式混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)更佳的選擇。
LpTO電池組已在重慶經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)冬與酷暑的嚴(yán)格考驗(yàn)，在快速充電純電動(dòng)公交客車上單車?yán)鄯e里程超過60,000Km，循環(huán)次數(shù)超過2,500次。其在插電式混合動(dòng)力公交客車上也正開始規(guī)模化的應(yīng)用。
