混合動力客車常用儲能元件及應用方案

林劍健

混合動力客車常用儲能元件及應用方案

林劍健

廈門金龍旅行車有限公司

混合動力客車已成為現階段實現節約燃油消耗、改善城市環境的有效舉措之一。儲能元件作為混合動力系統關鍵技術之一，實際使用中的成熟、可靠性一直是人們關注的重點。當前混合動力客車采用的儲能元件主要有超級電容和電池，依據不同的能量耦合方式，實際采用的方案有：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。

混合動力客車；儲能元件；應用方案

能源與環境已成為目前全球最關注的問題之一，自2009年我國“十城千輛”正式推廣示范以來，低碳節能受到了國內各界的廣泛關注，越來越多的客車企業都積極的投身到研究節能與新能源車型的洪流當中，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能、低排放、少污染、清潔、低噪聲等多項優點。除了電機、電控系統外，當前的混合動力客車的另一個關鍵技術在于儲能元件。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，各有優缺點；超級電容具有優異的功率性能，而電池具有良好的儲能性能。

近年來，隨著混合動力技術的推廣創新，在儲能元件的應用方面也是不斷的發展。目前在實際的使用中，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將兩者結合起來，采用超級電容+電池的結構。

對于不同的使用場合，選用不同的儲能方式，揚長避短，是實現混合動力客車儲能方案優化的有效途徑。

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、法拉電容和電化學電容等，是一種介于電解質電容器和電化學蓄電池之間的新型的儲能裝置。其是依靠電解質與電極接觸界面上形成的特有的雙電層結構儲存能量。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。

根據電極材料的不同，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）有機聚合物材料電機超級電容；

根據電解液的不同，可將超級電容分為2類：

（1）有機電解液超級電容；

（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]，循環使用壽命可達為10 000次。

目前，在節能與新能源車型上應用較多的超級電容有2種：一種是以活性炭微粒作為正負極材料的“碳基超級電容”，一種是以氧化鎳為正極、活性炭為負極的“雜化超級電容”。國內使用基本上為“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

超級電容具有充放電快速、功率釋放能力強、清潔無污染、長壽命等顯著特點。

超級電容能在充電10s～600s可達到其額定容量的95％以上，短時間內釋放和吸收高功率，同時其能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環效率≥90%、充放電次數多，循環使用壽命最多可達百萬次，且沒有“記憶效應”、工作溫度區域廣，溫度范圍寬-40～+70℃。并且具有較高的安全系數，長期使用時免維護。

超級電容與電解電容比較數據見表1。

表1 超級電容與電解電容比較

2 電池

2.1 電池的分類

電池的發展經歷了一個多世紀的時間，屬于一種化學能源，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是二氧化鉛，負極物質為呈海綿狀的鉛，電解液為稀硫酸。鉛酸電池在充放電時，硫酸不斷增多減少。因此可以通過測量硫酸的比重來估計鉛酸電池的狀態。

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，循環使用壽命一般為500～700次，完全充電時間一般大于8h[2]。

鉛酸電池作為混合動力儲能元件，具有價格低廉、相對安全的優勢，但是其存在廢液污染嚴重的問題，并且循環使用壽命低，同時由于其能量密度和功率密度均較低，使用時需要較多的數量，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為NiOOH(放電時)和Ni(OH)2(充電時),負極活性物質為H2（放電時）和（充電時），電解質一般采用KOH堿性水溶液[3]。

鎳氫電池能量密度可達55 W·h/kg，功率密度一般為190W/kg，循環使用壽命為鉛酸電池的兩倍，快速充電時間短，溫度使用范圍可達-40℃到85℃，但其標稱電壓較低，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，同時充放電效率高，循環使用壽命相對較長，安全性高，但是在混合動力客車上使用時存在成本高的問題，同時其單體電壓較低，自放電損耗大，對環境溫度敏感以及鎳氫電池的“記憶效應”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+在正負極間的嵌入與脫嵌形成充電和放電過程，其正負極均是由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，負極采用鋰-碳層間化合物LiXC6，電解質為LiPF6和LiAsF6等有機溶液[3]。

鋰離子電池能量密度約達100W·h/kg，功率密度約 200 W/kg，循環使用壽命可到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，因為上述2種材料相對其他鋰化合物材料具備較高的能量密度，同時相對安全、價格較低、資源相對豐富等優勢。

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勢，但是，鋰離子電池應用于混合動力客車也同樣存在一些問題：價格高、快速充放電性能差、電池單體一致性能不好、過充過放容易發生危險等。

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

電池最大的特點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動能力。但是，由于目前技術的限制，電池還是存在著質量大、使用壽命短、燃爆風險、充放電能力較弱，充放電效率較低等等的問題。

目前國內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、磷酸鐵鋰電池的優缺點比較數據。

表3 3種鋰電池的比較

3 混合動力客車常用儲能元件應用方案

3.1 只使用超級電容作為儲能元件

如圖1所示，目前成熟應用純超級電容儲能方案的國內廠家主要有廈門金旅。這種結構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所產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，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 純超級電容結構

由于超級電容本身容量限制，其儲存的電量有限，在某些需要持續電驅動的工況下，會出現電量不足而導致車輛停駛怠速補電的現象。這種結構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，而國內則較多選用磷酸鐵鋰電池作為儲能元件。

在圖2結構中，電池作為儲能元件，與能量轉換裝置（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。實際使用中，有些客車廠家采用Plug-in的可外接充電式結構，整車需要進行長時間的外充電以補充電量，同時由于增加了充電配套及管理裝置，系統結構復雜性及成本相應增加。此外，單純電池作為儲能元件的應用方案，電池頻繁工作，使之使用壽命縮短，且具有燃爆風險。

圖2 純電池結構

3.3 同時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合使用，可以通過各自的控制電路來實現兩者的充電放電介入時刻。這種結構結合了超級電容和電池各自的優點，改善了車輛的性能，但是系統結構、控制方式則更為復雜。目前電池和超級電容結合使用，主要有以下2種方式：

圖3 超級電容+電池結構

3.3.1電池為主、超級電容為輔的結構

國內的也有較多的客車廠家選擇這種結構，如黃海、五洲龍等。

在這種結構中，通常使用高容量的電池為主，輔以較少數量的超級電容。電池作為主要的儲能元件，車輛在加速時所需的瞬間大功率電流主要由超級電容提供，同時車輛在剎車過程中所產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的狀態，避免了瞬間大電流的充放電現象。

但是在這種結構中，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。同時電池參與工作的時間較長，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、電池為輔的結構

使用這種結構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，結合了超級電容和電池的實際使用情況，推出了此種結構。

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

在這種結構中，電池的使用時間較少，同時電池的用量也可以控制在較少的范圍內，可以盡量減少電池出現問題的幾率。但是當出現特殊情況時，就需要電池提供長時間的大電流輸出，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 結語

隨著技術的發展，超級電容和電池的性能將進一步的提升并走向成熟，新型的儲能元件也將逐漸的出現，混合動力客車儲能元件的應用方案也將越來越多。

在現有的科技水平下，針對不同的使用情況，結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設計[M]. 何洪文, 譯. 北京：北京理工大學出版社, 2007.

[2] 邊耀璋.汽車新能源技術[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 陳全世,朱家璉,田光宇.先進電動車技術[M].北京:化學工業出版社,2007.

[4] 張汝輝,董釗志.超級電容在混合動力電動客車中的應用[J].福建工程學院學報, 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.

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