1997年問(wèn)世的豐田普瑞斯混合動(dòng)力轎車目前全球累計(jì)銷量達(dá)287萬(wàn)輛;混合動(dòng)力公交客車也已在倫敦、巴塞羅那等歐洲城市運(yùn)營(yíng)；在國(guó)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)城市的保有量已占到“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)駛里程較長(zhǎng)。而插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)采用較大容量的電池組，純電動(dòng)行駛里程更長(zhǎng)更節(jié)能，也是國(guó)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)發(fā)展過(guò)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跨越。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)力車與插電式混合動(dòng)力車對(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)力汽車動(dòng)力電池使用情況不同于純電動(dòng)汽車，在工作時(shí)常處于非周期性充放電循環(huán)中，且通常裝載的電池組容量較小，電池需具備高充放電倍率和效率，以及較高的比功率密度(W/Kg)；此外，混合動(dòng)力汽車需要頻繁對(duì)電池進(jìn)行充電與放電，充放次數(shù)因此較多，對(duì)大充放倍率下的循環(huán)壽命也提出更高要求。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)能單元對(duì)比
國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力公交客車早期使用鎳氫電池作為儲(chǔ)能單元，但其在高溫放電效率、“記憶效應(yīng)”、循環(huán)壽命、熱管理及電池組管理等方面都存在著較難解決的問(wèn)題;超級(jí)電容理論上充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，可快速充電，也可提供很高的放電電流，但其缺點(diǎn)是能量密度低，混合動(dòng)力公交客車在山地城市或者頻繁起步加速的工況中，常出現(xiàn)電能耗盡情況，影響車輛動(dòng)力和節(jié)油率;鋰離子電池具有比鎳氫電池更高的電壓平臺(tái)、能量密度、功率密度及更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，相對(duì)超級(jí)電容具有更高的能量密度與性價(jià)比，然而由于混合動(dòng)力工況條件嚴(yán)苛，鋰離子電池系統(tǒng)壽命，以及在極端情況下的安全問(wèn)題均面臨挑戰(zhàn)。
3.LpTO鋰離子電池特性及應(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，作為負(fù)極材料應(yīng)用，相對(duì)碳負(fù)極有較大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)倍受關(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，循環(huán)性能極佳。LTO材料不與電解液發(fā)生反應(yīng)，無(wú)SEI膜形成，LTO的電勢(shì)也比鋰金屬高，不易析出鋰枝晶，相比石墨負(fù)極鋰離子電池具有更高的安全性能。
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(表一)：
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鎳氫電池
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超級(jí)電容
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磷酸鐵鋰電池
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LpTO電池
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電壓平臺(tái) （V）
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1.2
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2.5
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3.2
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2.3
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單體重量能量密度（Wh/Kg）
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45
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6
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90
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75
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單體體積能量密度（Wh/L）
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140
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10
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200
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140
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峰值比功率密度（W/Kg）
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800
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20,000
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1,800
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2,300
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單體循環(huán)壽命
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600
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500,000
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2,000
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25,000 d
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高低溫性能
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差
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好
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一般
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好
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安全性能
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一般
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好
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一般
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好
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資料來(lái)源：國(guó)內(nèi)知名廠家混合動(dòng)力鎳氫電池?cái)?shù)據(jù)、韓國(guó)知名廠家混合動(dòng)力用超級(jí)電容數(shù)據(jù)、國(guó)內(nèi)知名廠家
混合動(dòng)力用磷酸鐵鋰電池?cái)?shù)據(jù)，6C充/6C放，100%DOD，室溫循環(huán)至80%。
微宏動(dòng)力對(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(guò)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。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)：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;功率密度較高，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;更安全的負(fù)極材料使得電池組整體安全程度更高;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;系統(tǒng)成本也更低。
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，在車輛停靠的間隙充電，充分利用純電模式行駛，以達(dá)到高節(jié)油率目標(biāo)。
采用LpTO電池組的插電式混合動(dòng)力公交客車基本參數(shù)(表二)：
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車輛長(zhǎng)度
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12米
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混合動(dòng)力形式
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并聯(lián)插電式
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發(fā)動(dòng)機(jī)
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CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，170 kW
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電機(jī)
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94 kW永磁同步電機(jī)
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電池組
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20 kWh LpTO電池組，334V 60Ah
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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
混合動(dòng)力汽車與插電式混合動(dòng)力汽車的初始投入和燃油消耗較低，日益受到市場(chǎng)青睞。隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的LpTO電池可望與車輛同壽命，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(guò)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(guò)60,000Km，循環(huán)次數(shù)超過(guò)2,500次。其在插電式混合動(dòng)力公交客車上也正開始規(guī)?；膽?yīng)用。
本文作者系微宏動(dòng)力系統(tǒng)(湖州)有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理
