電池助力混合動力車有那些？

中國化學與物理電源行業(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電池技術發(fā)展研討會”，會議受到了國內外電池、材料、設備和汽車領域眾多企業(yè)的廣泛關注，400多位國內外嘉賓參會。自2014年4月中國化學與物理電源協(xié)會在北京組織了“第一屆混合動力車市場與先進電池技術發(fā)展研討會”以來，在國內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期的快速發(fā)展。特別是近來進一步提出了發(fā)展48V電池體系與技術的要求,使電池行業(yè)又出現了一個新的發(fā)展熱點。

“第二屆混合動力車市場與先進電池技術研討會”的舉辦，給大家提供了一個交流的平臺，幫助大家了解國內外在混合動力汽車產業(yè)方面的發(fā)展動向、最新進展，交流適用于混合動力汽車發(fā)展的各種電池技術及其最新進展。希望通過技術交流，能對我國混合動力汽車產業(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，以下是根據速記整理的文字，未經本人審核，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的超級電容器和鈦酸鋰電池現狀。

HEV的由來，一個方面是從能源危機，另一方面是環(huán)境污染，再一個就是國家相關政策，從這幾個方面提出了混合動力需求。HEV的分類現在有不同的方法，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，目前HEV的使用特點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，實際工況相對來說比較復雜。溫度方面，工作溫度需求區(qū)域就比較寬。

根據以上實際工作特點，就對我們HEV相關電源提出了電源設計方面的要求。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。三是工作適應溫度比較寬一點，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過安全事故，這塊大家都非常關注。五是充放電效率，動力電池中能量的循環(huán)必須經過充電-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重要的作用。

目前在HEV使用的配套電池解決方案應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，以石墨或者碳為負極材料；四是以三元鎳鈷錳酸鋰為正極材料，石墨為負極材料；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，鈦酸鋰作為負極，就是鈦酸鋰電池，其實它也是我們鋰離子電池的一種，只是負極不同而已。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，基于一些基礎特性。從對比來看，以三元材料為正極，以鈦酸鋰為負極，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，那么缺點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)壽命可以達到百萬次以上，充電時間一般在1分鐘以內就可以充滿電，功率可以達到14.5千瓦每公斤，當然能量密度更低了，6.5瓦時每公斤。

這是現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，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，但是超級電容器有一個弱點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，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到950安，峰值是1680安，使用范圍在零下40到70度，10秒內充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，這是它的一些基礎優(yōu)點。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，這里要特殊強調一點，鈦酸鋰要用納米鈦酸鋰，粒徑足夠小，而且要對材料進行加工處理，現在處理都是用石墨烯包覆攙雜的技術。如果沒有經過處理的話，循環(huán)到兩千次左右會出現脹氣鼓包的現象。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作為啟停啟動，甚至可以作為電驅動系統(tǒng)，優(yōu)勢還是比較明顯的。

超級電容器跟傳統(tǒng)二次電池搭配的復合電源的優(yōu)勢主要有以下幾個方面，0.3秒以內實現瞬間啟動或者完全制動，高達8.7千瓦的瞬時強大電力負載，車輛制動時可以將制動產生的多余能量由儲存系統(tǒng)進行充電從而實現能量回收，還有一個最重要的特點，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合電源，從而用于HEV的啟停、啟動系統(tǒng)，鈦酸鋰電池就單獨作為啟停啟動電源，甚至局部配合發(fā)動機做一定的電驅動功能。

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)生產的超級電容器的參數對比。我們生產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。