微宏動力宋寒：淺析LpT鋰電池應用前景

近年來，具有節省燃料消耗和減少二氧化碳排放優勢的混合動力電動汽車（HEV）數量不斷增加，并已從乘用車批量應用到公共交通。

豐田普銳斯混合動力汽車于1997年問世，目前已在全球售出287萬輛。混合動力公交車也在倫敦和巴塞羅那等歐洲城市運營。在國內公共交通領域，示范城市的混合動力公交車數量已占“十城千車工程”示范車輛總數的85%以上。

混合動力電動汽車可以使用較小排量的發動機，在車輛怠速時關閉發動機，并使用電池或電容器作為儲能單元來回收制動能量，從而更有效地提高燃油經濟性。與純電動汽車相比，電機功率更小，可以降低車載動力電池組的容量，使續航里程更長。插電式混合動力汽車（PHEV）使用了大電池組，這使得純電動汽車的續航里程更長，也更節能。它也是《國家節能與新能源產業規劃（2012-2020）》中提到的與純電動汽車并列的發展目標。

在混合動力技術的發展中，隨著儲能系統要求的不斷提高，儲能單元也經歷了從鉛酸電池、鎳氫電池、超級電容器到鋰離子電池的跨越。目前，大多數混合動力汽車，特別是插電式混合動力汽車都使用鋰離子電池作為儲能系統，超級電容器也廣泛應用于混合動力公交車領域。

1.混合動力汽車和插電式混合動力汽車對儲能系統的要求。

動力電池是混合動力電動汽車的基本儲能單元，其性能直接影響驅動電機的性能，從而影響整車的性能。動力電池在混合動力汽車中的使用與純電動汽車不同，而且它往往處于非周期性的充放電循環中，電池組的容量通常較小，因此電池需要具有高的充放電速率和效率，以及高的比功率密度（W/kg）。此外，混合動力電動汽車需要頻繁地對電池進行充放電，因此充放電次數更多，這也對大充放電率下的循環壽命提出了更高的要求。對于插電式混合動力電動汽車，由于純電動駕駛條件和混合動力駕駛條件，對電池的比能量密度（Wh/Kg）和比功率密度都有要求。

2.常見儲能單元的比較

鎳氫電池早期被用作國內混合動力公交車的儲能單元，但在高溫放電效率、“記憶效應”、循環壽命、熱管理和電池管理等方面存在一些問題。理論上，超級電容器具有長的充放電循環壽命，可以快速充電并提供高放電電流，但其缺點是能量密度低。混合動力公交車在山區城市或在頻繁啟動和加速的工作條件下經常出現電量不足的情況，影響車輛的動力性和燃油經濟性。鋰離子電池具有比鎳氫電池更高的電壓平臺、能量密度、功率密度和更長的循環壽命，并且比超級電容器具有更高的能量密度和性價比。然而，由于混合動力的惡劣工作條件，鋰離子電池系統的壽命和極端情況下的安全問題都面臨著挑戰。

3.3.LpTO鋰離子電池的特點及應用前景

用于電池開發的鈦酸鋰（LTO）材料始于20世紀90年代。作為一種負極材料，它比碳負極具有很大的優勢，近年來備受關注。LTO是一種零應變材料。當嵌入和提取鋰離子時，晶格常數和體積變化非常小，循環性能優異。LTO材料不與電解質反應，不形成SEI膜，并且LTO的電勢高于鋰金屬的電勢，因此不容易析出鋰枝晶，并且它比石墨負極鋰離子電池具有更高的安全性能。

LpTO電池與其他混合動力電動汽車儲能單元的主要性能參數比較（表1）；

鎳氫電池

超級電容器

磷酸鐵鋰電池

LpTO電池

電壓平臺（v）

一點二

二點五

三點二

二點三

單體重量能量密度（Wh/Kg）

45

六

九十

75

單體體積能量密度（Wh/L）

一百四十

十

二百

一百四十

峰值比功率密度（W/Kg）

八百

二萬

一千八百

二千三百

單體循環壽命

六百

五十萬

二千

25000天

高低溫性能

貧窮

好的

常見的

好的

安全性能

常見的

好的

常見的

好的

資料來源：國內知名制造商混合動力鎳氫電池數據、韓國知名制造商混合超級電容器和國內知名制造商數據。

混合動力磷酸鐵鋰電池的數據，6C充電/6C放電，100%DOD，室溫下循環至80%。

宏微功率對現有LTO材料進行了改性，同時對陰極材料、隔膜和電解質進行了改質和開發。經過系統集成，開發出了一種更安全、循環壽命更長的LpTO電池。LpTO電池技術在混合動力汽車和插電式混合動力汽車領域的應用具有以下優點：在高倍率充放電條件下循環壽命長，可使用與車輛相同的壽命；功率密度高，同時滿足混合動力和插電式混合動力對電池組能量密度的要求；更安全的陽極材料使整個電池組更安全；能夠經濟地滿足車輛動力需求和能量回收的各種復雜工況；

系統成本也較低。

與磷酸鐵鋰電池相比，LpTO電池在高倍率充放電條件下具有十倍的循環壽命、更高的低溫充放電效率和更高的安全性能。長的循環壽命使電池組具有與車輛相同的壽命，并降低了車輛的后期維護成本。與超級電容器相比，LpTO電池的能量密度超過十倍，可以避免在山區電能容易耗盡和頻繁啟動加速的情況，同時相對較低的成本也增加了其競爭力。

目前，LpTO電池已批量應用于插電式混合動力公交車。表2列出了一輛配備LpTO電池的12米插電式混合動力公交車的基本參數。這款車可以通過受電弓從車頂充電，利用電池快速充電的特點，在站點之間充電，充分利用純電動模式，達到高燃油經濟性的目的。

帶LpTO電池組的插電式混合動力公交車的基本參數（表2）：

車輛長度

12米

混合動力形式

并行插件類型

發動機

壓縮天然氣發動機，170千瓦

電機

94千瓦永磁同步電動機

電池

20千瓦時LpTO電池組，334V 60Ah。

混合動力汽車和插電式混合動力汽車由于初始投資和油耗較低，越來越受到市場的青睞。隨著電池技術的不斷進步，新型LpTO電池有望具有與車輛相同的壽命，同時考慮到鋰離子電池和超級電容器的優勢，這可以彌補現有鋰離子電池系統在使用壽命和安全性方面的不足，同時具有比超級電容器更高的能量密度和性價比，是混合動力汽車和插電式混合動力汽車的更好選擇。

LpTO電池組已經通過了重慶長期嚴冬酷暑的嚴峻考驗。快速充電純電動公交車單車累計里程超過60000公里，循環次數超過2500次。它在插電式混合動力公交車上的大規模應用也開始了。

本文作者是偉宏電力系統（有限公司營銷經理。

（編輯/李燕郊）近年來，具有節省油耗和減少二氧化碳排放優勢的混合動力電動汽車（HEV）數量不斷增加，并已從乘用車批量應用到公共交通。

豐田普銳斯混合動力汽車于1997年問世，目前已在全球售出287萬輛。混合動力公交車也在倫敦和巴塞羅那等歐洲城市運營。在國內公共交通領域，示范城市的混合動力公交車數量已占“十城千車工程”示范車輛總數的85%以上。

混合動力電動汽車可以使用較小排量的發動機，在車輛怠速時關閉發動機，并使用電池或電容器作為儲能單元來回收制動能量，從而更有效地提高燃油經濟性。與純電動汽車相比，電機功率更小，可以降低車載動力電池組的容量，使續航里程更長。插電式混合動力汽車（PHEV）使用了大電池組，這使得純電動汽車的續航里程更長，也更節能。它也是《國家節能與新能源產業規劃（2012-2020）》中提到的與純電動汽車并列的發展目標。

在混合動力技術的發展中，隨著儲能系統要求的不斷提高，儲能單元也經歷了從鉛酸電池、鎳氫電池、超級電容器到鋰離子電池的跨越。目前，大多數混合動力汽車，特別是插電式混合動力汽車都使用鋰離子電池作為儲能系統，超級電容器也廣泛應用于混合動力公交車領域。

1.混合動力汽車和插電式混合動力汽車對儲能系統的要求。

動力電池是混合動力電動汽車的基本儲能單元，其性能直接影響驅動電機的性能，從而影響整車的性能。動力電池在混合動力汽車中的使用與純電動汽車不同，通常處于非周期性的充放電循環中，電池組的容量通常較小，因此電池需要具有較高的充放電容量……

以及高的比功率密度（W/kg）。此外，混合動力電動汽車需要頻繁地對電池進行充放電，因此充放電次數更多，這也對大充放電率下的循環壽命提出了更高的要求。對于插電式混合動力電動汽車，由于純電動駕駛條件和混合動力駕駛條件，對電池的比能量密度（Wh/Kg）和比功率密度都有要求。

2.常見儲能單元的比較

鎳氫電池早期被用作國內混合動力公交車的儲能單元，但在高溫放電效率、“記憶效應”、循環壽命、熱管理和電池管理等方面存在一些問題。理論上，超級電容器具有長的充放電循環壽命，可以快速充電并提供高放電電流，但其缺點是能量密度低。混合動力公交車在山區城市或在頻繁啟動和加速的工作條件下經常出現電量不足的情況，影響車輛的動力性和燃油經濟性。鋰離子電池具有比鎳氫電池更高的電壓平臺、能量密度、功率密度和更長的循環壽命，并且比超級電容器具有更高的能量密度和性價比。然而，由于混合動力的惡劣工作條件，鋰離子電池系統的壽命和極端情況下的安全問題都面臨著挑戰。

3.3.LpTO鋰離子電池的特點及應用前景

用于電池開發的鈦酸鋰（LTO）材料始于20世紀90年代。作為一種負極材料，它比碳負極具有很大的優勢，近年來備受關注。LTO是一種零應變材料。當嵌入和提取鋰離子時，晶格常數和體積變化非常小，循環性能優異。LTO材料不與電解質反應，不形成SEI膜，并且LTO的電勢高于鋰金屬的電勢，因此不容易析出鋰枝晶，并且它比石墨負極鋰離子電池具有更高的安全性能。

LpTO電池與其他混合動力電動汽車儲能單元的主要性能參數比較（表1）；

鎳氫電池

超級電容器

磷酸鐵鋰電池

LpTO電池

電壓平臺（v）

一點二

二點五

三點二

二點三

單體重量能量密度（Wh/Kg）

45

六

九十

75

單體體積能量密度（Wh/L）

一百四十

十

二百

一百四十

峰值比功率密度（W/Kg）

八百

二萬

一千八百

二千三百

單體循環壽命

六百

五十萬

二千

25000天

高低溫性能

貧窮

好的

常見的

好的

安全性能

常見的

好的

常見的

好的

資料來源：國內知名制造商混合動力鎳氫電池數據、韓國知名制造商混合超級電容器和國內知名制造商數據。

混合動力磷酸鐵鋰電池的數據，6C充電/6C放電，100%DOD，室溫下循環至80%。

宏微功率對現有LTO材料進行了改性，同時對陰極材料、隔膜和電解質進行了改質和開發。經過系統集成，開發出了一種更安全、循環壽命更長的LpTO電池。LpTO電池技術在混合動力汽車和插電式混合動力汽車領域的應用具有以下優點：在高倍率充放電條件下循環壽命長，可使用與車輛相同的壽命；功率密度高，同時滿足混合動力和插電式混合動力對電池組能量密度的要求；更安全的陽極材料使整個電池組更安全；能夠經濟地滿足車輛動力需求和能量回收的各種復雜工況；

系統成本也較低。

與磷酸鐵鋰電池相比，LpTO電池在高倍率充放電條件下具有十倍的循環壽命、更高的低溫充放電效率和更高的安全性能。長的循環壽命使電池組具有與車輛相同的壽命，并降低了車輛的后期維護成本。與超級電容器相比，LpTO電池的能量密度超過十倍，可以避免在山區電能容易耗盡和頻繁啟動加速的情況，同時相對較低的成本也增加了其競爭力。

目前，LpTO電池已批量應用于插電式混合動力公交車。表2列出了一輛配備LpTO電池的12米插電式混合動力公交車的基本參數。這款車可以通過受電弓從車頂充電，利用電池快速充電的特點，在站點之間充電，充分利用純電動模式，達到高燃油經濟性的目的。

帶LpTO電池組的插電式混合動力公交車的基本參數（表2）：

車輛長度

12米

混合動力形式

并行插件類型

發動機

壓縮天然氣發動機，170千瓦

電機

94千瓦永磁同步電動機

電池

20千瓦時LpTO電池組，334V 60Ah。

混合動力汽車和插電式混合動力汽車由于初始投資和油耗較低，越來越受到市場的青睞。隨著電池技術的不斷進步，新型LpTO電池有望具有與車輛相同的壽命，同時考慮到鋰離子電池和超級電容器的優勢，這可以彌補現有鋰離子電池系統在使用壽命和安全性方面的不足，同時具有比超級電容器更高的能量密度和性價比，是混合動力汽車和插電式混合動力汽車的更好選擇。

LpTO電池組已經通過了重慶長期嚴冬酷暑的嚴峻考驗。快速充電純電動公交車單車累計里程超過60000公里，循環次數超過2500次。它在插電式混合動力公交車上的大規模應用也開始了。

本文作者是偉宏電力系統（有限公司營銷經理。

（編輯/李燕郊）

標簽：世紀豐田

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