混合动力客车常用储能元件及应用方案

林剑健

混合动力客车常用储能元件及应用方案

林剑健

厦门金龙旅行车有限公司

混合动力客车已成为现阶段实现节约燃油消耗、改善城市环境的有效举措之一。储能元件作为混合动力系统关键技术之一，实际使用中的成熟、可靠性一直是人们关注的重点。当前混合动力客车采用的储能元件主要有超级电容和电池，依据不同的能量耦合方式，实际采用的方案有：纯超级电容、纯电池、超级电容与电池。选择何种储能应用方案，很大程度的影响了混合动力客车制造成本、安全可靠及动力性等性能指标。

混合动力客车；储能元件；应用方案

能源与环境已成为目前全球最关注的问题之一，自2009年我国“十城千辆”正式推广示范以来，低碳节能受到了国内各界的广泛关注，越来越多的客车企业都积极的投身到研究节能与新能源车型的洪流当中，而混合动力客车更是其中的被研究的主角。

混合动力车型具有节能、低排放、少污染、清洁、低噪声等多项优点。除了电机、电控系统外，当前的混合动力客车的另一个关键技术在于储能元件。目前混合动力车型使用的储能元件主要分为两种：超级电容和电池。它们具有不同的性能与特点，各有优缺点；超级电容具有优异的功率性能，而电池具有良好的储能性能。

近年来，随着混合动力技术的推广创新，在储能元件的应用方面也是不断的发展。目前在实际的使用中，主要有3种储能方式：①使用超级电容作为储能；②使用电池作为储能；③将两者结合起来，采用超级电容+电池的结构。

对于不同的使用场合，选用不同的储能方式，扬长避短，是实现混合动力客车储能方案优化的有效途径。

1 超级电容

1.1 超级电容的分类

超级电容也称为双电层电容、黄金电容、法拉电容和电化学电容等，是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的新型的储能装置。其是依靠电解质与电极接触界面上形成的特有的双电层结构储存能量。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

根据电极材料的不同，超级电容可以分为3类：

（1）炭电极双电层超级电容；

（2）金属氧化物电极超级电容；

（3）有机聚合物材料电机超级电容；

根据电解液的不同，可将超级电容分为2类：

（1）有机电解液超级电容；

（2）水基溶液超级电容；

目前，典型的超级电容的比能量一般为11W·h/kg，比功率一般为304 W/kg[1]，循环使用寿命可达为10 000次。

目前，在节能与新能源车型上应用较多的超级电容有2种：一种是以活性炭微粒作为正负极材料的“碳基超级电容”，一种是以氧化镍为正极、活性炭为负极的“杂化超级电容”。国内使用基本上为“碳基超级电容”，代表公司有美国MAXWELL、韩国LS、上海三玖等。

1.2 超级电容的特点

超级电容具有充放电快速、功率释放能力强、清洁无污染、长寿命等显著特点。

超级电容能在充电10s～600s可达到其额定容量的95％以上，短时间内释放和吸收高功率，同时其能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%、充放电次数多，循环使用寿命最多可达百万次，且没有“记忆效应”、工作温度区域广，温度范围宽-40～+70℃。并且具有较高的安全系数，长期使用时免维护。

超级电容与电解电容比较数据见表1。

表1 超级电容与电解电容比较

2 电池

2.1 电池的分类

电池的发展经历了一个多世纪的时间，属于一种化学能源，目前在混合动力客车上普遍使用的电池主要有：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等

2.1.1铅酸电池

铅酸电池的正极物质是二氧化铅，负极物质为呈海绵状的铅，电解液为稀硫酸。铅酸电池在充放电时，硫酸不断增多减少。因此可以通过测量硫酸的比重来估计铅酸电池的状态。

目前铅酸电池能量密度一般为30～40W·h/kg，功率密度一般为150～200W/kg，循环使用寿命一般为500～700次，完全充电时间一般大于8h[2]。

铅酸电池作为混合动力储能元件，具有价格低廉、相对安全的优势，但是其存在废液污染严重的问题，并且循环使用寿命低，同时由于其能量密度和功率密度均较低，使用时需要较多的数量，从而增加了车辆的自重。

2.1.2镍氢电池

镍氢电池的正极活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时),负极活性物质为H2（放电时）和（充电时），电解质一般采用KOH碱性水溶液[3]。

镍氢电池能量密度可达55 W·h/kg，功率密度一般为190W/kg，循环使用寿命为铅酸电池的两倍，快速充电时间短，温度使用范围可达-40℃到85℃，但其标称电压较低，为1.2 V[2]。

镍氢电池被称为“绿色电池”，不存在重金属污染问题，其能量密度和功率密度均高于铅酸电池，同时充放电效率高，循环使用寿命相对较长，安全性高，但是在混合动力客车上使用时存在成本高的问题，同时其单体电压较低，自放电损耗大，对环境温度敏感以及镍氢电池的“记忆效应”都不利于其在混合动力客车上的使用。

2.1.3锂离子电池

锂离子电池主要是通过Li+在正负极间的嵌入与脱嵌形成充电和放电过程，其正负极均是由Li+的化合物或材料组成。其中，正极一般采用LiXCoO2,LiXNiO2,LiFePO4或LiMn2O4等锂化合物，负极采用锂-碳层间化合物LiXC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液[3]。

锂离子电池能量密度约达100W·h/kg，功率密度约 200 W/kg，循环使用寿命可到2 000次，单体电压高于3 V[2]。

目前在混合动力客车上使用的，较多的是采用LiFePO4和LiMn2O4作为正极材料的锂电池，因为上述2种材料相对其他锂化合物材料具备较高的能量密度，同时相对安全、价格较低、资源相对丰富等优势。

锂离子电池是所有可充电电池中综合性能最好的一种电池，在功率及容量方面均具有较大优势，但是，锂离子电池应用于混合动力客车也同样存在一些问题：价格高、快速充放电性能差、电池单体一致性能不好、过充过放容易发生危险等。

几大类电池的汇总表格见表2。

表2 3类电池的性能汇总

2.2 电池的特点

电池最大的特点就是具有良好的储能能力，储存电量多，对于混合动力客车来说，可以提供较长久的电驱动能力。但是，由于目前技术的限制，电池还是存在着质量大、使用寿命短、燃爆风险、充放电能力较弱，充放电效率较低等等的问题。

目前国内市场使用较多的是锂电池，表3中给出了钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池的优缺点比较数据。

表3 3种锂电池的比较

3 混合动力客车常用储能元件应用方案

3.1 只使用超级电容作为储能元件

如图1所示，目前成熟应用纯超级电容储能方案的国内厂家主要有厦门金旅。这种结构只使用超级电容作为储能元件，利用超级电容充放电速度快、充放电效率高的特性，可以充分吸收车辆制动时所产生的瞬间大功率电流，有利于制动能量有效的回收控制。相比于带动力电池的混合动力系统，该方案大大减轻了整车的重量[4]，降低成本，并且综合故障率低。

图1 纯超级电容结构

由于超级电容本身容量限制，其储存的电量有限，在某些需要持续电驱动的工况下，会出现电量不足而导致车辆停驶怠速补电的现象。这种结构极适用于较平坦的城市公交路线。

3.2 只用电池作为储能元件

国内外的较多的客车厂家都尝试过此方案。由于铅酸电池的能量密度、功率密度的限制，目前选用的电池以镍氢电池和锂电池居多。国外较多选用的是镍氢电池，而国内则较多选用磷酸铁锂电池作为储能元件。

在图2结构中，电池作为储能元件，与能量转换装置（如图中所示DC/DC变换器或DC/AC变换器）电气连接。电池储存电量多，具备持续放电能力，但其快速充放电能力较弱，充放电效率相比超级电容较低。实际使用中，有些客车厂家采用Plug-in的可外接充电式结构，整车需要进行长时间的外充电以补充电量，同时由于增加了充电配套及管理装置，系统结构复杂性及成本相应增加。此外，单纯电池作为储能元件的应用方案，电池频繁工作，使之使用寿命缩短，且具有燃爆风险。

图2 纯电池结构

3.3 同时使用电池和超级电容作为储能元件

如图3所示，将超级电容和电池结合使用，可以通过各自的控制电路来实现两者的充电放电介入时刻。这种结构结合了超级电容和电池各自的优点，改善了车辆的性能，但是系统结构、控制方式则更为复杂。目前电池和超级电容结合使用，主要有以下2种方式：

图3 超级电容+电池结构

3.3.1电池为主、超级电容为辅的结构

国内的也有较多的客车厂家选择这种结构，如黄海、五洲龙等。

在这种结构中，通常使用高容量的电池为主，辅以较少数量的超级电容。电池作为主要的储能元件，车辆在加速时所需的瞬间大功率电流主要由超级电容提供，同时车辆在刹车过程中所产生的回收电流也通过超级电容吸收。电池在放电过程中处于相对平稳的状态，避免了瞬间大电流的充放电现象。

但是在这种结构中，电池的用量较多，电池本身的一些缺陷也需要考虑解决。如电池均衡性问题，电池本身的自重问题。同时电池参与工作的时间较长，还需要考虑电池的温度敏感性，电池的安全性等。长时间的工作还会影响电池的使用寿命。

3.3.2超级电容为主、电池为辅的结构

使用这种结构的客车厂也是以厦门金旅为代表，厦门金旅在其原有的超级电容为主的方案中，结合了超级电容和电池的实际使用情况，推出了此种结构。

在这种结构中，超级电容作为主要的储能元件，车辆加速及制动所产生的瞬间大电流主要由超级电容承担，使用容量较少的电池，作为辅助储能元件。电池在大部分时间不参与工作，只有特殊的情况下（如超级电容损坏或超级电容亏电）才介入系统使用。

在这种结构中，电池的使用时间较少，同时电池的用量也可以控制在较少的范围内，可以尽量减少电池出现问题的几率。但是当出现特殊情况时，就需要电池提供长时间的大电流输出，对于电池的单体一致性、温升等性能的提出了较高的要求。

4 结语

随着技术的发展，超级电容和电池的性能将进一步的提升并走向成熟，新型的储能元件也将逐渐的出现，混合动力客车储能元件的应用方案也将越来越多。

在现有的科技水平下，针对不同的使用情况，结合不同的储能元件的特性，选择适用的混合动力客车储能元件的连接方案，进而控制车辆制造成本及改善混合动力客车的行驶性能，不失为一种明智的选择。

[1] (波兰)安东尼·所左曼诺夫斯基. 混合动力城市公交车系统设计[M]. 何洪文, 译. 北京：北京理工大学出版社, 2007.

[2] 边耀璋.汽车新能源技术[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 陈全世,朱家琏,田光宇.先进电动车技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4] 张汝辉,董钊志.超级电容在混合动力电动客车中的应用[J].福建工程学院学报, 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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