LpTO电池在混合动力与插电式混合动力汽车的应用前景-【新闻】

发布时间：2021-05-28 17:44:54 阅读：次来源：冲击钻厂家

LpTO电池在混合动力与插电式混合动力汽车的应用前景

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车（HEV）保有量不断增加，从乘用车到公共交通领域，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车至今已经实现了全球累积287万辆的销量；在欧洲，混合动力公交客车已经在伦敦、巴塞罗那等城市运营；在国内公共交通领域，混合动力公交客车在各示范运营城市的保有量也已经占到了“十城千辆工程”示范车辆总量的85％以上。混合动力汽车可使用更小排量的发动机，在汽车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；与纯电动汽车相比，电机功率较小，可以减少车载动力电池组容量，续驶里程长。而插电式混合动力汽车（PHEV）采用较大容量的电池组，车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车并列的发展对象。

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，混合动力汽车尤其是插电式混合动力汽车，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车领域也有着较为广泛的应用。

1. 混合动力汽车与插电式混合动力汽车对储能系统的要求

动力电池是混合动力汽车的基本储能单元，其性能直接影响到驱动电机的性能，从而影响整车性能。混合动力汽车上的动力电池其使用情况不同于纯电动汽车，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，混合动力汽车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车而言，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，混合动力汽车上的电池系统大多为镍氢电池，国内的混合动力公交客车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，混合动力汽车用镍氢电池组的“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车市场。

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车，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，影响了车辆动力及节油率。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车上，而在能量密度需求较高的插电式混合动力公交客车以及混合动力乘用车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，在混合动力汽车与插电式混合动力汽车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车，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车与插电式混合动力汽车的应用前景

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车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车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车领域有以下的优势：

1.高倍率充放条件下的长循环寿命，可与车辆同使用寿命；

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.能够经济地满足车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车辆同寿命，降低车辆的后期维护成本。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车上。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车的基本参数，这款车型可采用集电弓从车顶充电，利用电池可快速充电的特性，在车辆停靠的间隙充电，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，这款车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车基本参数

4. 小结

混合动力汽车与插电式混合动力汽车相对纯电动汽车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，可达到与车辆同寿命，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，是混合动力汽车与插电式混合动力汽车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车上单车累积里程超过60,000Km，循环次数超过2,500次。其在插电式混合动力公交客车上也正开始规模化的应用。