电池助力混合动力车有那些？

中国化学与物理电源行业协会于2016年10月13日-14日在杭州召开了“第二届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”，会议受到了国内外电池、材料、设备和汽车领域众多企业的广泛关注，400多位国内外嘉宾参会。自2014年4月中国化学与物理电源协会在北京组织了“第一届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”以来，在国内外纯电动车和插电式混合动力车取得较快发展的同时，混合动力车辆，特别是微混车辆也在国际上得到预期的快速发展。特别是近来进一步提出了发展48V电池体系与技术的要求,使电池行业又出现了一个新的发展热点。

“第二届混合动力车市场与先进电池技术研讨会”的举办，给大家提供了一个交流的平台，帮助大家了解国内外在混合动力汽车产业方面的发展动向、最新进展，交流适用于混合动力汽车发展的各种电池技术及其最新进展。希望通过技术交流，能对我国混合动力汽车产业的发展起动一定的借鉴和推动作用，加快我国混合动力汽车用各类电池技术的快速发展。

在本次会议上，天津普兰纳米科技有限公司技术总监随东做了“超级电容和钛酸锂电池助力混合动力车”的专题报告，以下是根据速记整理的文字，未经本人审核，仅供参考。

我要分享的是超级电容器和钛酸锂电池助力混合动力车。这个报告大概分为四个部分内容，一是介绍混合动力汽车的由来、种类和要求，二是目前HEV动力电池的解决方案的对比，三是超级电容器和钛酸锂电池的优势劣势，四是介绍普兰公司目前生产的超级电容器和钛酸锂电池现状。

HEV的由来，一个方面是从能源危机，另一方面是环境污染，再一个就是国家相关政策，从这几个方面提出了混合动力需求。HEV的分类现在有不同的方法，上午和下午也介绍了不少。工作原理，我不是专业的，就不多介绍，主要还是契合主题，讲我们的钛酸锂电池和超级电容器。

首先要知道HEV的使用特点，目前HEV的使用特点第一个就是使用频度比较高，频繁、浅度的充放电循环；二是功率要求比较大，在充电过程中电流和电压都有比较大的变化；三是工作环境，实际工况相对来说比较复杂。温度方面，工作温度需求区域就比较宽。

根据以上实际工作特点，就对我们HEV相关电源提出了电源设计方面的要求。一是循环寿命，电池循环寿命要求比较高，最好是能够持续使用15年以上。二是大功率充放电性能。三是工作适应温度比较宽一点，尽可能在零下40和70度都有较好的充放电能力。四是安全稳定问题，纯电动和混合电动都出现过安全事故，这块大家都非常关注。五是充放电效率，动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环,高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。

目前在HEV使用的配套电池解决方案应该差不多有十种左右，一个是铅酸电池；二是传统的镍氢电池；三是以磷酸铁锂为正极材料，以石墨或者碳为负极材料；四是以三元镍钴锰酸锂为正极材料，石墨为负极材料；五是锌镍电池；六是就是我今天要谈到的一个，以三元材料做正极，钛酸锂作为负极，就是钛酸锂电池，其实它也是我们锂离子电池的一种，只是负极不同而已。七是超级电容器和其他二次电池的搭配使用，用到混合电动车上。当然还有液流电池和燃料电池、铁镍电池等，大概有十多种。

这是根据目前掌握的一些材料做了一个简单的性能对比，基于一些基础特性。从对比来看，以三元材料为正极，以钛酸锂为负极，这个电池工作温度范围是零下40度到70度，循环寿命可以达到两万五千次左右，有大电流充电能力，可以10C甚至10C以上充电，功率密度相对来说比较大。刚才有朋友提到缺点，那么缺点就是能量密度比较低。再看下一个例子，超级电容器的工作温度范围是零下40度到65度之间，循环寿命可以达到百万次以上，充电时间一般在1分钟以内就可以充满电，功率可以达到14.5千瓦每公斤，当然能量密度更低了，6.5瓦时每公斤。

这是现在用得最多的磷酸铁锂电池，我做了一个简单的对比。黄色的线是超级电容的特征参数，白色的这个就是钛酸锂电池特性，红色的就是目前磷酸铁锂正极、碳负极。钛酸锂电池和超级电容器都有比磷酸铁锂电池更好的表现，但是超级电容器有一个弱点就是荷电保持能力比较差，还有就是能量密度相对比较小。

简单介绍一下超级电容器的特点，超级电容器是介于电池和电容器之间的储能元件，荷电容量大，现在做的超级电容器有5000法拉，循环寿命是50万次或者9万小时，这是目前得到的报告。然后它的功率特性，2700法拉来讲额定电流达到950安，峰值是1680安，使用范围在零下40到70度，10秒内充50%以上的电。

钛酸锂电池，安全性好，使用温度区域比较广，电压平台稳定，快速充电能力好，使用寿命长，这是它的一些基础优点。但是这里有一个前提的先决条件，就是刚才朋友谈到的胀气问题，这里要特殊强调一点，钛酸锂要用纳米钛酸锂，粒径足够小，而且要对材料进行加工处理，现在处理都是用石墨烯包覆搀杂的技术。如果没有经过处理的话，循环到两千次左右会出现胀气鼓包的现象。我们知道了超级电容器和钛酸锂的优势，就涉及到和HEV怎么搭配的问题，现在提出来两个建议，超级电容器可以与传统的其他二次电池搭配使用，用到HEV的启停上面，钛酸锂电池可以单独作为启停启动，甚至可以作为电驱动系统，优势还是比较明显的。

超级电容器跟传统二次电池搭配的复合电源的优势主要有以下几个方面，0.3秒以内实现瞬间启动或者完全制动，高达8.7千瓦的瞬时强大电力负载，车辆制动时可以将制动产生的多余能量由储存系统进行充电从而实现能量回收，还有一个最重要的特点，就是可以延长电池使用寿命。这是超级电容器方面的性能优势。

钛酸锂电池在HEV上的应用，12伏和48伏的启停电池，甚至用到轻混、微混，48伏是我们目标的安全电压，电压比较低用到纯电动输出电流比较大，可能会引起其他电气问题。如果把48伏调整成高电压，把容量降下来，通过这种变化的话也是可以用到部分的强度混合动力或者一些小型行驶距离比较短的纯电动。

钛酸锂电池用到启停上，建议做48伏5Ah到8Ah的电源，特性如图表所示。根据以上钛酸锂电池和超级电容器的特性，推荐方案是超级电容器搭配于其他的电池做一个复合电源，从而用于HEV的启停、启动系统，钛酸锂电池就单独作为启停启动电源，甚至局部配合发动机做一定的电驱动功能。

下面我介绍一下我们公司普兰纳米电容器和钛酸锂材料，我们是基于石墨烯包覆的纳米钛酸锂和薄膜电极。石墨烯改进以后的材料薄膜电极循环好、功率密度大。这是我们公司的超级电容器3500法和国外日本一家企业生产的超级电容器的参数对比。我们生产350—4200法拉的超级电容器。

下面是钛酸锂材料，基于搀杂石墨烯，循环寿命长、体积应变小、安全性好、高输出功率、高温度窗、容量利用率比较高。我们用的石墨烯包覆钛酸锂材料。这几个性能测试图，石墨烯包覆以后的钛酸锂材料，客容量大概是165毫安时/克。这是一个充电的曲线，钛酸锂电池的充电曲线，差不多10C充电，6到10分钟就可以充满，充电95%，高功率充电还是挺高的。这是一个不同倍率下的放电曲线图，10倍率放电的话可以放出来95%以上的容量。在零下40度情况下放电平台会比较低一些，但是在零下40度的放电容量接近90%，就是在低温条件下高功率工作的能力还是相当明显的。我们做成电池之后的6C充放的循环寿命曲线，差不多循环3000次，容量保持率在初始容量的85%左右。