摘要：车辆在高寒地区使用时，为了在寒冷环境下更为有效地启动发动机，常规做法是车辆装备大容量的耐低温铅酸蓄电池，在传统车辆轻量化设计的基础上，对现装备的铅酸蓄电池进行对比，通过对钦酸锂电池和超级电容器进行充放电分析、判断，采用钦酸锂电池和超级电容器组合模块替代普通铅酸电池的方案可行。

    在环境污染逐渐严重、能源消耗逐渐加剧的今天，追求更加环保的产品已经是各个行业生产者的共识。随着汽车技术的不断发展，车辆轻量化技术越来越受到大家的重视，车辆轻量化水平直接决定了车辆的油耗水平。铅酸蓄电池在整车质量中所占比例约为0.8％～1.5％左右，所以研发轻量化程度更高、产品品质更好的蓄电池是汽车从业者的共识，同时也是整车制造水平的体现。

    1 车辆蓄电池的主要功能
    车辆的蓄电池是一种将化学能转变成电能的装置，为整车用电器提供电能，同时将发电机产生多余的电能以化学能的形式储存在蓄电池中。蓄电池作为汽车用电器的供电源，需要满足以下条件：①质量轻，满足整车轻量化设计理念，降低车辆油耗；②提供足够的电能，满足低温状态下车辆启动需求；③温度范围广，能够在－40～60℃可以正常使用；④电池寿命长，充放电电循环次数高；⑤对环境污染小，满足绿色出行的理念等。

    2 车辆蓄电池的发展
    1）普通铅酸蓄电池20世纪30年代，BOSCH公司开发出汽车用启动型铅酸蓄电池，至此，铅酸蓄电池作为车辆启动的重要元器件开始普遍在汽车上使用。现在车辆的蓄电池仍以铅酸蓄电池为主。铅酸蓄电池因为工艺成熟、售价低廉的特点被广泛使用。但是铅酸蓄电池也存在着充放电倍率低、比能量低、充放电循环次数差、质量和体积大、铅酸蓄电池生产过程和废弃处理过程中会对环境造成一定污染的弊端。
    2） 锂离子电池随着科技进步，在通讯、航空领域对电池有了更高的要求，迫使工程人员寻找更为高效的电池方案。锂具有很高的电化学还原电位（3.045V）和很低的原子质量数（6.94）。金属锂高的电极电势和“最轻的金属”这一特点确定了锂电池的应用前景，顺理成章成为电池设计者的首选。中国在20世纪90年代初完成对锂电池的设计攻关。相比于铅酸电池，锂电池具有高比能量、高能量效率、工作温度范围广、低自放电率的特点。经过对电池的进入研究，逐渐开发出以锰酸锂、三元聚合物和磷酸铁锂为正极、碳元素为负极的锂电池。
    3）钦酸锂电池以碳元素为负极的锂电池在长期循环、高倍率使用后电池性能会下降，并且在低温情况下，锂离子的嵌入和脱出能力都比较差。导致的问题就是电池在低温状态下，放电能力和充电能力较差，因此在高寒地区，这类锂电池并不适用，不符合汽车用启动型电池的要求。为了解决这一问题，通过对负极材料进行深入研究，开发出以尖晶石结构钦酸锂（Li4Ti5012）为负极的钦酸锂电池。Li4Ti5012是一种由金属锂和低电位过渡金属钦的复合氧化物，属于AB2X4系列，其空间点群为Fd3m空间群，Li4Ti5O12最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，电池充放电循环性能优越。与碳负极材料相比，钦酸锂具有较高的锂离子扩散系数（2×10-8cm2/s），可以实现高倍率充放电。所以在汽车上可以考虑用以正极采用锰酸锂、负极采用钦酸锂材料的锂电池来替代铅酸电池。
    4）超级电容器超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来储存能量的新型元件。超级电容具有快速存储释放能量、使用温度范围宽、寿命长的优点。和其他能源器件组成总成模块共同工作，可以使系统满足动力性、经济性的要求。

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