混合動力客車常用儲能元件及應(yīng)用方案

林劍健

混合動力客車常用儲能元件及應(yīng)用方案

林劍健

廈門金龍旅行車有限公司

混合動力客車已成為現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃油消耗、改善城市環(huán)境的有效舉措之一。儲能元件作為混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，實(shí)際使用中的成熟、可靠性一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前混合動力客車采用的儲能元件主要有超級電容和電池，依據(jù)不同的能量耦合方式，實(shí)際采用的方案有：純超級電容、純電池、超級電容與電池。選擇何種儲能應(yīng)用方案，很大程度的影響了混合動力客車制造成本、安全可靠及動力性等性能指標(biāo)。

混合動力客車；儲能元件；應(yīng)用方案

能源與環(huán)境已成為目前全球最關(guān)注的問題之一，自2009年我國“十城千輛”正式推廣示范以來，低碳節(jié)能受到了國內(nèi)各界的廣泛關(guān)注，越來越多的客車企業(yè)都積極的投身到研究節(jié)能與新能源車型的洪流當(dāng)中，而混合動力客車更是其中的被研究的主角。

混合動力車型具有節(jié)能、低排放、少污染、清潔、低噪聲等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。除了電機(jī)、電控系統(tǒng)外，當(dāng)前的混合動力客車的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在于儲能元件。目前混合動力車型使用的儲能元件主要分為兩種：超級電容和電池。它們具有不同的性能與特點(diǎn)，各有優(yōu)缺點(diǎn)；超級電容具有優(yōu)異的功率性能，而電池具有良好的儲能性能。

近年來，隨著混合動力技術(shù)的推廣創(chuàng)新，在儲能元件的應(yīng)用方面也是不斷的發(fā)展。目前在實(shí)際的使用中，主要有3種儲能方式：①使用超級電容作為儲能；②使用電池作為儲能；③將兩者結(jié)合起來，采用超級電容+電池的結(jié)構(gòu)。

對于不同的使用場合，選用不同的儲能方式，揚(yáng)長避短，是實(shí)現(xiàn)混合動力客車儲能方案優(yōu)化的有效途徑。

1 超級電容

1.1 超級電容的分類

超級電容也稱為雙電層電容、黃金電容、法拉電容和電化學(xué)電容等，是一種介于電解質(zhì)電容器和電化學(xué)蓄電池之間的新型的儲能裝置。其是依靠電解質(zhì)與電極接觸界面上形成的特有的雙電層結(jié)構(gòu)儲存能量。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺夒娙萜骺梢苑磸?fù)充放電數(shù)十萬次。

根據(jù)電極材料的不同，超級電容可以分為3類：

（1）炭電極雙電層超級電容；

（2）金屬氧化物電極超級電容；

（3）有機(jī)聚合物材料電機(jī)超級電容；

根據(jù)電解液的不同，可將超級電容分為2類：

（1）有機(jī)電解液超級電容；

（2）水基溶液超級電容；

目前，典型的超級電容的比能量一般為11W·h/kg，比功率一般為304 W/kg[1]，循環(huán)使用壽命可達(dá)為10 000次。

目前，在節(jié)能與新能源車型上應(yīng)用較多的超級電容有2種：一種是以活性炭微粒作為正負(fù)極材料的“碳基超級電容”，一種是以氧化鎳為正極、活性炭為負(fù)極的“雜化超級電容”。國內(nèi)使用基本上為“碳基超級電容”，代表公司有美國MAXWELL、韓國LS、上海三玖等。

1.2 超級電容的特點(diǎn)

超級電容具有充放電快速、功率釋放能力強(qiáng)、清潔無污染、長壽命等顯著特點(diǎn)。

超級電容能在充電10s～600s可達(dá)到其額定容量的95％以上，短時(shí)間內(nèi)釋放和吸收高功率，同時(shí)其能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%、充放電次數(shù)多，循環(huán)使用壽命最多可達(dá)百萬次，且沒有“記憶效應(yīng)”、工作溫度區(qū)域廣，溫度范圍寬-40～+70℃。并且具有較高的安全系數(shù)，長期使用時(shí)免維護(hù)。

超級電容與電解電容比較數(shù)據(jù)見表1。

表1 超級電容與電解電容比較

2 電池

2.1 電池的分類

電池的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，屬于一種化學(xué)能源，目前在混合動力客車上普遍使用的電池主要有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等

2.1.1鉛酸電池

鉛酸電池的正極物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極物質(zhì)為呈海綿狀的鉛，電解液為稀硫酸。鉛酸電池在充放電時(shí)，硫酸不斷增多減少。因此可以通過測量硫酸的比重來估計(jì)鉛酸電池的狀態(tài)。

目前鉛酸電池能量密度一般為30～40W·h/kg，功率密度一般為150～200W/kg，循環(huán)使用壽命一般為500～700次，完全充電時(shí)間一般大于8h[2]。

鉛酸電池作為混合動力儲能元件，具有價(jià)格低廉、相對安全的優(yōu)勢，但是其存在廢液污染嚴(yán)重的問題，并且循環(huán)使用壽命低，同時(shí)由于其能量密度和功率密度均較低，使用時(shí)需要較多的數(shù)量，從而增加了車輛的自重。

2.1.2鎳氫電池

鎳氫電池的正極活性物質(zhì)為NiOOH(放電時(shí))和Ni(OH)2(充電時(shí)),負(fù)極活性物質(zhì)為H2（放電時(shí)）和（充電時(shí)），電解質(zhì)一般采用KOH堿性水溶液[3]。

鎳氫電池能量密度可達(dá)55 W·h/kg，功率密度一般為190W/kg，循環(huán)使用壽命為鉛酸電池的兩倍，快速充電時(shí)間短，溫度使用范圍可達(dá)-40℃到85℃，但其標(biāo)稱電壓較低，為1.2 V[2]。

鎳氫電池被稱為“綠色電池”，不存在重金屬污染問題，其能量密度和功率密度均高于鉛酸電池，同時(shí)充放電效率高，循環(huán)使用壽命相對較長，安全性高，但是在混合動力客車上使用時(shí)存在成本高的問題，同時(shí)其單體電壓較低，自放電損耗大，對環(huán)境溫度敏感以及鎳氫電池的“記憶效應(yīng)”都不利于其在混合動力客車上的使用。

2.1.3鋰離子電池

鋰離子電池主要是通過Li+在正負(fù)極間的嵌入與脫嵌形成充電和放電過程，其正負(fù)極均是由Li+的化合物或材料組成。其中，正極一般采用LiXCoO2,LiXNiO2,LiFePO4或LiMn2O4等鋰化合物，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6，電解質(zhì)為LiPF6和LiAsF6等有機(jī)溶液[3]。

鋰離子電池能量密度約達(dá)100W·h/kg，功率密度約 200 W/kg，循環(huán)使用壽命可到2 000次，單體電壓高于3 V[2]。

目前在混合動力客車上使用的，較多的是采用LiFePO4和LiMn2O4作為正極材料的鋰電池，因?yàn)樯鲜?種材料相對其他鋰化合物材料具備較高的能量密度，同時(shí)相對安全、價(jià)格較低、資源相對豐富等優(yōu)勢。

鋰離子電池是所有可充電電池中綜合性能最好的一種電池，在功率及容量方面均具有較大優(yōu)勢，但是，鋰離子電池應(yīng)用于混合動力客車也同樣存在一些問題：價(jià)格高、快速充放電性能差、電池單體一致性能不好、過充過放容易發(fā)生危險(xiǎn)等。

幾大類電池的匯總表格見表2。

表2 3類電池的性能匯總

2.2 電池的特點(diǎn)

電池最大的特點(diǎn)就是具有良好的儲能能力，儲存電量多，對于混合動力客車來說，可以提供較長久的電驅(qū)動能力。但是，由于目前技術(shù)的限制，電池還是存在著質(zhì)量大、使用壽命短、燃爆風(fēng)險(xiǎn)、充放電能力較弱，充放電效率較低等等的問題。

目前國內(nèi)市場使用較多的是鋰電池，表3中給出了鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)比較數(shù)據(jù)。

表3 3種鋰電池的比較

3 混合動力客車常用儲能元件應(yīng)用方案

3.1 只使用超級電容作為儲能元件

如圖1所示，目前成熟應(yīng)用純超級電容儲能方案的國內(nèi)廠家主要有廈門金旅。這種結(jié)構(gòu)只使用超級電容作為儲能元件，利用超級電容充放電速度快、充放電效率高的特性，可以充分吸收車輛制動時(shí)所產(chǎn)生的瞬間大功率電流，有利于制動能量有效的回收控制。相比于帶動力電池的混合動力系統(tǒng)，該方案大大減輕了整車的重量[4]，降低成本，并且綜合故障率低。

圖1 純超級電容結(jié)構(gòu)

由于超級電容本身容量限制，其儲存的電量有限，在某些需要持續(xù)電驅(qū)動的工況下，會出現(xiàn)電量不足而導(dǎo)致車輛停駛怠速補(bǔ)電的現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)極適用于較平坦的城市公交路線。

3.2 只用電池作為儲能元件

國內(nèi)外的較多的客車廠家都嘗試過此方案。由于鉛酸電池的能量密度、功率密度的限制，目前選用的電池以鎳氫電池和鋰電池居多。國外較多選用的是鎳氫電池，而國內(nèi)則較多選用磷酸鐵鋰電池作為儲能元件。

在圖2結(jié)構(gòu)中，電池作為儲能元件，與能量轉(zhuǎn)換裝置（如圖中所示DC/DC變換器或DC/AC變換器）電氣連接。電池儲存電量多，具備持續(xù)放電能力，但其快速充放電能力較弱，充放電效率相比超級電容較低。實(shí)際使用中，有些客車廠家采用Plug-in的可外接充電式結(jié)構(gòu)，整車需要進(jìn)行長時(shí)間的外充電以補(bǔ)充電量，同時(shí)由于增加了充電配套及管理裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及成本相應(yīng)增加。此外，單純電池作為儲能元件的應(yīng)用方案，電池頻繁工作，使之使用壽命縮短，且具有燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 純電池結(jié)構(gòu)

3.3 同時(shí)使用電池和超級電容作為儲能元件

如圖3所示，將超級電容和電池結(jié)合使用，可以通過各自的控制電路來實(shí)現(xiàn)兩者的充電放電介入時(shí)刻。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了超級電容和電池各自的優(yōu)點(diǎn)，改善了車輛的性能，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制方式則更為復(fù)雜。目前電池和超級電容結(jié)合使用，主要有以下2種方式：

圖3 超級電容+電池結(jié)構(gòu)

3.3.1電池為主、超級電容為輔的結(jié)構(gòu)

國內(nèi)的也有較多的客車廠家選擇這種結(jié)構(gòu)，如黃海、五洲龍等。

在這種結(jié)構(gòu)中，通常使用高容量的電池為主，輔以較少數(shù)量的超級電容。電池作為主要的儲能元件，車輛在加速時(shí)所需的瞬間大功率電流主要由超級電容提供，同時(shí)車輛在剎車過程中所產(chǎn)生的回收電流也通過超級電容吸收。電池在放電過程中處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，避免了瞬間大電流的充放電現(xiàn)象。

但是在這種結(jié)構(gòu)中，電池的用量較多，電池本身的一些缺陷也需要考慮解決。如電池均衡性問題，電池本身的自重問題。同時(shí)電池參與工作的時(shí)間較長，還需要考慮電池的溫度敏感性，電池的安全性等。長時(shí)間的工作還會影響電池的使用壽命。

3.3.2超級電容為主、電池為輔的結(jié)構(gòu)

使用這種結(jié)構(gòu)的客車廠也是以廈門金旅為代表，廈門金旅在其原有的超級電容為主的方案中，結(jié)合了超級電容和電池的實(shí)際使用情況，推出了此種結(jié)構(gòu)。

在這種結(jié)構(gòu)中，超級電容作為主要的儲能元件，車輛加速及制動所產(chǎn)生的瞬間大電流主要由超級電容承擔(dān)，使用容量較少的電池，作為輔助儲能元件。電池在大部分時(shí)間不參與工作，只有特殊的情況下（如超級電容損壞或超級電容虧電）才介入系統(tǒng)使用。

在這種結(jié)構(gòu)中，電池的使用時(shí)間較少，同時(shí)電池的用量也可以控制在較少的范圍內(nèi)，可以盡量減少電池出現(xiàn)問題的幾率。但是當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，就需要電池提供長時(shí)間的大電流輸出，對于電池的單體一致性、溫升等性能的提出了較高的要求。

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的發(fā)展，超級電容和電池的性能將進(jìn)一步的提升并走向成熟，新型的儲能元件也將逐漸的出現(xiàn)，混合動力客車儲能元件的應(yīng)用方案也將越來越多。

在現(xiàn)有的科技水平下，針對不同的使用情況，結(jié)合不同的儲能元件的特性，選擇適用的混合動力客車儲能元件的連接方案，進(jìn)而控制車輛制造成本及改善混合動力客車的行駛性能，不失為一種明智的選擇。

[1] (波蘭)安東尼·所左曼諾夫斯基. 混合動力城市公交車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 何洪文, 譯. 北京：北京理工大學(xué)出版社, 2007.

[2] 邊耀璋.汽車新能源技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 陳全世,朱家璉,田光宇.先進(jìn)電動車技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[4] 張汝輝,董釗志.超級電容在混合動力電動客車中的應(yīng)用[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 5(增刊):44-46.

The energy storage devices commonly used in hybrid electric buses and their applications

Lin Jianjian

(Xiamen King Long Van Co., Ltd., Xiamen 361026, China)

Hybrid electric bus is regarded as one of the current effective measures for reducing fuel consumption and improving the urban environment. As one of the key parts of hybrid power system, energy storage devices’ maturity and reliability has been a major concern. Current hybrid electric buses mainly adopt ultra-capacitor and battery as energy storage devices. The actual energy storage devices of the hybrid electric buses include pure ultra-capacitor, pure battery, ultra-capacitors and batteries depending on energy coupling. It is indicated that the choice of the energy storage devices has considerable impact on the manufacturing cost and performance indicators of the hybrid electric buses, including the security, reliability and power.

hybrid electric bus；energy storage device；application.