吳永紅：重型車中基于鈦酸鋰的電池的優勢
5月24日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術交流會展覽會在深圳會展中心開幕。荷貝克電源系統（上海）有限公司吳永紅在技術交流會上發表主題演講。以下是演講正文：
今天我代表我們公司介紹一下我們研發團隊的工作，鈦酸鋰電池在重型車輛上的應用。分為五個部分，首先介紹一下公司的情況，我們公司是一家德國公司，家族企業，成立于1927年，全年的產量是2.4Gwh，包括鉛酸電池，鎳格電池，一小部分鋰電池。主要的應用領域是工業電池，主要是牽引類的，叉車類的，還有電力電網類等固定類應用。還有儲能用，包括風光儲能等等，然后就是鐵路軌道。
我們的產品提供電池和充電機，包括我們的服務，還有就是我們整套的能源系統，我們提供能源系統，而且加我們的服務。我們提供電，就跟買電網的電一樣，按多少度電付錢。（PPT）這是我們的全球分布情況，這是我們的產品，以及它們在各自的應用領域，我們的鉛酸電池系列，纖維結構鎳格電池，鋰電池不是我們自己生產的單體，我們是全球采購的，我們只做系統。現在產業化有三元的跟磷酸鐵鋰的。中間那個大的是我們用在鐵路上的鋰電池，左下角這個是用在叉車上的鋰電池系統。其他的就是我們的鉛酸電池跟鎳格電池。
這是我們的儲能系統，用鋰電池跟鉛酸電池混合在一起，主要是用在削峰，儲能，買峰谷的電，風電賣出去。這是我們大壩的應用案例，在德國的萊比錫。（PPT）這是一個鐵路火車上的鋰電池的應用。接下來我們項目的研究工作，基于這款電池的應用研究。
下面說一下在重型車輛應用領域對電池有什么要求，我們現在就用這個鐵路電池做例子來講。首先，在重型車輛，包括鐵路，或者是公共交通，大巴車，船舶方面的應用，它們一般對電池的要求，必須是溫度范圍要廣，壽命要長，而且要求有大電流充放能力。我們通過對各種電池評估，鈦酸鋰電池在這方面有一定的優勢，但是由于它的價格目前比較貴，所以在市場應用上現在還沒有一個突破性的進展。
本工作中主要是下面三個方面，一個是我們對它的應用的要求的分析；第二個就是我們的一些研發工作；第三就是我們對能量效率在實際應用過程中跟做實驗室衡流測試的對比。工作流程根據應用需求來測試分析一些電池，黑色的這些就是我今天這個PPT講的，灰色的是我們已經做過的，今天就不講了。我們建模，做樣品，再進行實地測試。（PPT）這是從德國到捷克的一個路程，海拔高從300-760米，去的時候是上坡，回來的時候是下坡。我們分析了一下，能量消耗上坡的時候是38，下坡是12千瓦時。我們對它各個功率進行了一個統計，左邊是剎車的時候能量回收緩沖，中間是正常驅動的，右邊是停下來開門、通風、照明的功率，中間的20是到站以后，這個時候車可能要停留半個小時或多長時間，然后再返回來。
根據這個應用設計了幾款電池系統，我們用60千瓦時、90千瓦時跟120千瓦時的做比較，60千瓦時的要求充電倍率達到將近9C，放電6，到120就是充電4多一點，放電就是將近3。所以這個就需要我們來權衡，我用大功率的系統，但是對冷卻系統要求比較高，能量比較高的系統，大系統要求不高，但是前期的投入比較多。同樣的工作我們也在船舶跟大巴車上做了分析。
首先我們對車進行測試，容量、一致性、壽命、倍率、溫度等等，包括儲存自放電等等方面，（PPT）這是我們的一些結果，我們測試了不同的LTO的，有圓柱的，軟包的，方形的，正極材料有NMC的，NMO的，NCO的，LFP、LMO的。我們對三種鈦酸鋰電池放電平臺，下面最平的是硫酸鐵鋰，也是最低的，下面的是磷錳氧。三元的最高，用它來評估對應的電壓，誤差是最小的。
（PPT）我們對同樣的正極，但是鈦酸鋰跟石墨組成的測試結果，鈦酸鋰基本上都達到了1萬次以上，都是在百分之DOD情況下循環的，室溫下。左邊這兩個，綠色的跟黑色的是我們常說的三元電池，對是石墨負極，這個壽命在2000-3000次左右，到80%，差別還是挺大的。我們做了一個對比，我們需要的能量，電池系統是23千瓦時的，電池的電壓是660伏，充電功率是是180千瓦。用鈦酸鋰的工作范圍是零下40-55，三元的是5-45，三元采取的是高功率的，為了方便對比。電池的能量鈦酸鋰是31，NMC是61，鈦酸鋰最大充電是6C，NMC是3C，看重量，因為NMC的系統比較大，要比鈦酸鋰的大。循環壽命，鈦酸鋰1萬，三元是4千，我們用80DOD來做。成本價，鈦酸鋰是百分之百，三元只有45%。但是我們要考慮整個生命周期的價格，鈦酸鋰還是按100基準，三元的到113%，整個生命周期，三元是要高一些。
不同溫度下的熱抗做一些標定，右下角是我們實際測的跟模型計算的擬合，誤差小于0.4%。LTO的模組，這個模組采用的是風冷，最大充電電流是6C，這是一個36SEP的模組（PPT），我們系統采取組重DMS管理的概念，主動均衡。根據系統的實際要求串并聯。
下面介紹LTO電池在實際應用當中的效率，我們發現在實際應用過程當中的能量效率跟實驗室測的還是有很大的區別，實驗室是用衡流來模擬實際的工況。我們這個計算，能量效率用放電的比上第二次充回去的，放完之后返充回去，以這個能量來算。我們做了兩方面，一方面是用橫流的，一方面是用實際的鐵路工況，橫流我們用1.25C，同時比較不同的化學體系，它們的能量效率有什么區別。這個是我們對一個橫流循環的能量效率圖，每10%SOC測一下。整個結果，基本上是從92%到99%，這個是一個0.25C的圖，其他的就是一個C率都得到同樣的結果。右邊那張圖，C率越小，值越高，能量效率越高。有意思的是，40%SOC以下或是30%以下，能量效率跟SOC是有一個正比關系，SOC升高，能量效率會高。但是40%以上基本是平的，這是在實際鐵路工況的應用結果。能量效率基本上都是在82%左右。在做這個測試的時候我們還發現一個有意思的事情，這個能量效率，看右邊的圖（PPT），跟溫度還有一定的關系，溫度升高，能量效率高一些，溫度低能量效率就低一些。
這是鈦酸鋰跟三元進行比較，三元的，不管是高C率還是低C率，我們這個測試比LTO的效率要低，右邊那個圖是相同的效果，灰色LTO的，也是LTO的要高一些（PPT）。同樣，C率越高能量效率越低。
下面進行總結，鈦酸鋰電池在重型車輛應用上還是有很好的應用前景。我們要想讓它商業化推廣，還是要對它的實際應用做詳細的分析，這是有必要的。我們考察能量效率的時候，我們實際應用跟實驗室用橫流測試還是有很大區別的，實驗室的一些數據還不能代表實際的結果。我們下一步的工作，第一就是準備在其他領域，比如說船舶，還有物流叉車領域，我們也做同樣的研究，基于電芯和模組層面。第二，我們要開發出一個有效的電芯策略對不同的應用篩選不同的電池。我們主要是工業領域應用，所以說有不同的應用，不一定一種電池或一款電池能夠滿足所有的需要。最后，我們也打算把能量效率的研究推廣到復雜大型的系統，包括一些儲能系統等等，來計算能量效率，在評估能量輸出跟能量消耗上，沖的比例是多少，假如說要進行推廣的話，計算一些經濟效益等等。這就是我今天的報告，謝謝大家！
（根據速記整理，未經嘉賓審閱）
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