電池助力混合動力車有那些？

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會于2016年10月13日-14日在杭州召開了“第二屆混合動力車市場與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會”，會議受到了國內(nèi)外電池、材料、設(shè)備和汽車領(lǐng)域眾多企業(yè)的廣泛關(guān)注，400多位國內(nèi)外嘉賓參會。自2014年4月中國化學(xué)與物理電源協(xié)會在北京組織了“第一屆混合動力車市場與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會”以來，在國內(nèi)外純電動車和插電式混合動力車取得較快發(fā)展的同時，混合動力車輛，特別是微混車輛也在國際上得到預(yù)期的快速發(fā)展。特別是近來進(jìn)一步提出了發(fā)展48V電池體系與技術(shù)的要求,使電池行業(yè)又出現(xiàn)了一個新的發(fā)展熱點(diǎn)。

“第二屆混合動力車市場與先進(jìn)電池技術(shù)研討會”的舉辦，給大家提供了一個交流的平臺，幫助大家了解國內(nèi)外在混合動力汽車產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展動向、最新進(jìn)展，交流適用于混合動力汽車發(fā)展的各種電池技術(shù)及其最新進(jìn)展。希望通過技術(shù)交流，能對我國混合動力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起動一定的借鑒和推動作用，加快我國混合動力汽車用各類電池技術(shù)的快速發(fā)展。

在本次會議上，天津普蘭納米科技有限公司技術(shù)總監(jiān)隨東做了“超級電容和鈦酸鋰電池助力混合動力車”的專題報告，以下是根據(jù)速記整理的文字，未經(jīng)本人審核，僅供參考。

我要分享的是超級電容器和鈦酸鋰電池助力混合動力車。這個報告大概分為四個部分內(nèi)容，一是介紹混合動力汽車的由來、種類和要求，二是目前HEV動力電池的解決方案的對比，三是超級電容器和鈦酸鋰電池的優(yōu)勢劣勢，四是介紹普蘭公司目前生產(chǎn)的超級電容器和鈦酸鋰電池現(xiàn)狀。

HEV的由來，一個方面是從能源危機(jī)，另一方面是環(huán)境污染，再一個就是國家相關(guān)政策，從這幾個方面提出了混合動力需求。HEV的分類現(xiàn)在有不同的方法，上午和下午也介紹了不少。工作原理，我不是專業(yè)的，就不多介紹，主要還是契合主題，講我們的鈦酸鋰電池和超級電容器。

首先要知道HEV的使用特點(diǎn)，目前HEV的使用特點(diǎn)第一個就是使用頻度比較高，頻繁、淺度的充放電循環(huán)；二是功率要求比較大，在充電過程中電流和電壓都有比較大的變化；三是工作環(huán)境，實(shí)際工況相對來說比較復(fù)雜。溫度方面，工作溫度需求區(qū)域就比較寬。

根據(jù)以上實(shí)際工作特點(diǎn)，就對我們HEV相關(guān)電源提出了電源設(shè)計方面的要求。一是循環(huán)壽命，電池循環(huán)壽命要求比較高，最好是能夠持續(xù)使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應(yīng)溫度比較寬一點(diǎn)，盡可能在零下40和70度都有較好的充放電能力。四是安全穩(wěn)定問題，純電動和混合電動都出現(xiàn)過安全事故，這塊大家都非常關(guān)注。五是充放電效率，動力電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電-放電-充電的循環(huán),高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。

目前在HEV使用的配套電池解決方案應(yīng)該差不多有十種左右，一個是鉛酸電池；二是傳統(tǒng)的鎳氫電池；三是以磷酸鐵鋰為正極材料，以石墨或者碳為負(fù)極材料；四是以三元鎳鈷錳酸鋰為正極材料，石墨為負(fù)極材料；五是鋅鎳電池；六是就是我今天要談到的一個，以三元材料做正極，鈦酸鋰作為負(fù)極，就是鈦酸鋰電池，其實(shí)它也是我們鋰離子電池的一種，只是負(fù)極不同而已。七是超級電容器和其他二次電池的搭配使用，用到混合電動車上。當(dāng)然還有液流電池和燃料電池、鐵鎳電池等，大概有十多種。

這是根據(jù)目前掌握的一些材料做了一個簡單的性能對比，基于一些基礎(chǔ)特性。從對比來看，以三元材料為正極，以鈦酸鋰為負(fù)極，這個電池工作溫度范圍是零下40度到70度，循環(huán)壽命可以達(dá)到兩萬五千次左右，有大電流充電能力，可以10C甚至10C以上充電，功率密度相對來說比較大。剛才有朋友提到缺點(diǎn)，那么缺點(diǎn)就是能量密度比較低。再看下一個例子，超級電容器的工作溫度范圍是零下40度到65度之間，循環(huán)壽命可以達(dá)到百萬次以上，充電時間一般在1分鐘以內(nèi)就可以充滿電，功率可以達(dá)到14.5千瓦每公斤，當(dāng)然能量密度更低了，6.5瓦時每公斤。

這是現(xiàn)在用得最多的磷酸鐵鋰電池，我做了一個簡單的對比。黃色的線是超級電容的特征參數(shù)，白色的這個就是鈦酸鋰電池特性，紅色的就是目前磷酸鐵鋰正極、碳負(fù)極。鈦酸鋰電池和超級電容器都有比磷酸鐵鋰電池更好的表現(xiàn)，但是超級電容器有一個弱點(diǎn)就是荷電保持能力比較差，還有就是能量密度相對比較小。

簡單介紹一下超級電容器的特點(diǎn)，超級電容器是介于電池和電容器之間的儲能元件，荷電容量大，現(xiàn)在做的超級電容器有5000法拉，循環(huán)壽命是50萬次或者9萬小時，這是目前得到的報告。然后它的功率特性，2700法拉來講額定電流達(dá)到950安，峰值是1680安，使用范圍在零下40到70度，10秒內(nèi)充50%以上的電。

鈦酸鋰電池，安全性好，使用溫度區(qū)域比較廣，電壓平臺穩(wěn)定，快速充電能力好，使用壽命長，這是它的一些基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)。但是這里有一個前提的先決條件，就是剛才朋友談到的脹氣問題，這里要特殊強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，鈦酸鋰要用納米鈦酸鋰，粒徑足夠小，而且要對材料進(jìn)行加工處理，現(xiàn)在處理都是用石墨烯包覆攙雜的技術(shù)。如果沒有經(jīng)過處理的話，循環(huán)到兩千次左右會出現(xiàn)脹氣鼓包的現(xiàn)象。我們知道了超級電容器和鈦酸鋰的優(yōu)勢，就涉及到和HEV怎么搭配的問題，現(xiàn)在提出來兩個建議，超級電容器可以與傳統(tǒng)的其他二次電池搭配使用，用到HEV的啟停上面，鈦酸鋰電池可以單獨(dú)作為啟停啟動，甚至可以作為電驅(qū)動系統(tǒng)，優(yōu)勢還是比較明顯的。

超級電容器跟傳統(tǒng)二次電池搭配的復(fù)合電源的優(yōu)勢主要有以下幾個方面，0.3秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)瞬間啟動或者完全制動，高達(dá)8.7千瓦的瞬時強(qiáng)大電力負(fù)載，車輛制動時可以將制動產(chǎn)生的多余能量由儲存系統(tǒng)進(jìn)行充電從而實(shí)現(xiàn)能量回收，還有一個最重要的特點(diǎn)，就是可以延長電池使用壽命。這是超級電容器方面的性能優(yōu)勢。

鈦酸鋰電池在HEV上的應(yīng)用，12伏和48伏的啟停電池，甚至用到輕混、微混，48伏是我們目標(biāo)的安全電壓，電壓比較低用到純電動輸出電流比較大，可能會引起其他電氣問題。如果把48伏調(diào)整成高電壓，把容量降下來，通過這種變化的話也是可以用到部分的強(qiáng)度混合動力或者一些小型行駛距離比較短的純電動。

鈦酸鋰電池用到啟停上，建議做48伏5Ah到8Ah的電源，特性如圖表所示。根據(jù)以上鈦酸鋰電池和超級電容器的特性，推薦方案是超級電容器搭配于其他的電池做一個復(fù)合電源，從而用于HEV的啟停、啟動系統(tǒng)，鈦酸鋰電池就單獨(dú)作為啟停啟動電源，甚至局部配合發(fā)動機(jī)做一定的電驅(qū)動功能。

下面我介紹一下我們公司普蘭納米電容器和鈦酸鋰材料，我們是基于石墨烯包覆的納米鈦酸鋰和薄膜電極。石墨烯改進(jìn)以后的材料薄膜電極循環(huán)好、功率密度大。這是我們公司的超級電容器3500法和國外日本一家企業(yè)生產(chǎn)的超級電容器的參數(shù)對比。我們生產(chǎn)350—4200法拉的超級電容器。

下面是鈦酸鋰材料，基于攙雜石墨烯，循環(huán)壽命長、體積應(yīng)變小、安全性好、高輸出功率、高溫度窗、容量利用率比較高。我們用的石墨烯包覆鈦酸鋰材料。這幾個性能測試圖，石墨烯包覆以后的鈦酸鋰材料，客容量大概是165毫安時/克。這是一個充電的曲線，鈦酸鋰電池的充電曲線，差不多10C充電，6到10分鐘就可以充滿，充電95%，高功率充電還是挺高的。這是一個不同倍率下的放電曲線圖，10倍率放電的話可以放出來95%以上的容量。在零下40度情況下放電平臺會比較低一些，但是在零下40度的放電容量接近90%，就是在低溫條件下高功率工作的能力還是相當(dāng)明顯的。我們做成電池之后的6C充放的循環(huán)壽命曲線，差不多循環(huán)3000次，容量保持率在初始容量的85%左右。