混合動力汽車用鎳氫電池的現狀及發展分析

曹生彪，皇甫益

(內蒙古稀奧科鎳氫動力電池有限公司，內蒙古 包頭 014030)

混合動力汽車用鎳氫電池的現狀及發展分析

曹生彪，皇甫益

(內蒙古稀奧科鎳氫動力電池有限公司，內蒙古 包頭 014030)

闡述了混合動力汽車(HEV)用鎳氫電池的現狀和發展趨勢，分析鎳氫動力電池的技術特點、性能，從車用鎳氫電池組的規格、尺寸和性能等方面，介紹HEV的情況，最后提出HEV對鎳氫電池新的要求。

鎳氫電池； 動力電池； 混合動力汽車(HEV)

近年來，新能源汽車產業發展迅速。純電動汽車目前還在研發階段，燃料電池汽車是可能的發展目標，而混合動力汽車(HEV)中，豐田公司于1997年已開始銷售Prius混合動力汽車[1]。鎳氫動力電池具有高容量、大功率、無污染和安全性能好等特點[2-3]，廣泛應用于HEV。目前已經上市的HEV中，有85%的以鎳氫電池作為電源。

HEV的優點主要有：與燃油汽車相比，HEV可實現節能減排的目的；燃油經濟性提高了40%～60%，同時減少各類排放污染物50%～90%[1]；與純電動汽車相比，HEV發展不受充電樁的影響，實現了能源的回收再利用；不改變駕駛員的駕駛習慣，駕駛員不會存在“不敢開車跑長途”、“車沒有電怎么辦”之類的顧慮。

本文作者對HEV用鎳氫電池的現狀進行了詳細分析，并預計了發展的趨勢。

1 HEV用鎳氫電池

鎳氫電池的正極活性物質是氫氧化亞鎳，負極活性物質是稀土系貯氫合金粉[3]，隔膜是尼龍或經過處理的聚乙烯、聚丙烯材料，電解液是一元或多元強堿。

鎳氫電池的比能量較高、技術成熟且價格較低，在低溫性能和安全性方面優于鋰離子電池(見表1)[4]，在新能源汽車的實際應用中占據著重要地位，至今已有19 a的實際裝車運行歷史。

表1 HEV用動力電池性能比較

Table 1 Performance comparison of power battery for hybrid electric vehicle(HEV)

電池種類比能量/Wh·kg-1比功率/W·kg-1-40℃低溫性能循環次數/次安全性鉛酸電池33130差400～500良鎳氫電池45～60>1100良>1000良鋰離子電池100>1100差>1000差

1.1 鎳氫電池在HEV上的優勢

混合動力系統對電池有很多要求，在這些要求中，鎳氫動力電池都具有一定的優勢。

大功率充放電能力：比功率是衡量電池快速充放電能力的指標，相對于比能量，HEV對比功率的要求更高。鉛酸電池的比功率較低；鋰離子電池在大電流長時間充放電時易發生燃燒、爆炸；鎳氫動力電池的比功率較高，且安全性較高。

充放電效率：動力電池中，能量的循環必須經過“充電-放電-充電”的過程。高的充放電效率對保證整車的效率十分重要。鉛酸電池的充放電效率較低；鋰離子電池在低溫環境下的充放電效率較低；鎳氫動力電池充放電效率較高，而且使用溫度范圍比較寬。

相對穩定性：動力電池應當在快速充放電過程中及充放電變化的工況條件下，保持性能的相對穩定，確保在動力系統使用條件下能達到足夠的循環次數。鉛酸電池的循環壽命較短；鋰離子電池和鎳氫動力電池的循環壽命都較長。

安全性：動力電池在短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱和耐振動等條件下進行安全性、可靠性試驗，要保證不爆炸、不燃燒。在安全性方面，鋰離子電池存在爆炸的危險，雖然通過更改材料、管理系統控制等方法可提高安全性，但仍有安全風險；鉛酸電池和鎳氫動力電池的安全性都較高，很難發生爆炸。

1.2 鎳氫電池在HEV上的應用

HEV的分類方法有很多種，根據動力傳動系統的配置和組合方式不同，可分為串聯式、并聯式和混聯式。鎳氫電池作為HEV的輔助能源，是HEV的關鍵零部件。在汽車起步、加速和上坡時，將制動時或制動踏板未被踩下時再次充入的電能提供給電動機。目前，市場上主要使用的鎳氫動力電池分為兩種：①方形電池，內部由6只單體電池串聯而成，整個單體模塊的額定電壓達到7.2 V，28個模塊串聯組合在一起，形成用201.6 V電池組；②圓柱形電池，單體電池的額定電壓為1.2 V，常規的組織方式是先串聯成電池棒，然后根據要求，組合成具有不同額定電壓范圍的電池組。方形電池和圓柱形電池各有優缺點，組合成201.6 V電池組后的尺寸、性能對比見表2。

表2 方形電池和圓柱形電池的尺寸、性能

Table 2 Performance and size of square battery and cylindrical battery

形狀尺寸/cm單體電池電池棒201.6V電池組交流內阻/mΩ比功率/W·kg-1方形28.5×11.7×20-56×28.5×11.7(18673cm3)6.3>1200圓柱形高6×直徑3.4高38×直徑3.4長49×寬38×高7(13034cm3)7.0>1100

從表2可知，圓柱形電池組合成的電池組更省空間，但就電池的性能而言，方形電池的內阻更低、比功率更高。

國內外有多款混合動力汽車上市，長安志翔中度混合動力轎車的技術參數表顯示：動力蓄電池組使用的是鎳氫電池，工作額定電壓為144 V(120只單體電池，每只1.2 V)，容量為6 Ah。多款HEV用電池組的具體性能指標列于表3。

表3 多款HEV用電池組的性能指標

從表3可知，HEV以圓柱形鎳氫電池為主。車用鎳氫單體電池主要有兩種規格，即圓柱形和方形，方形鎳氫電池生產工藝復雜，技術要求含量高。

2 HEV用動力電池的現狀及發展趨勢

2.1 國外HEV用動力電池的發展現狀

國外研制和生產HEV用鎳氫動力電池的公司主要有日本松下(三洋)電池公司、美國Cobasys公司、德國Varta公司和法國Saft公司等，技術和產業化相對成熟。松下(三洋)公司已有十多年生產車用鎳氫動力電池的經驗，主要產品是D型動力電池；豐田和松下合資成立的PEVE電池公司，主要生產方形鎳氫動力電池；Cobasys公司、Varta公司和Saft公司已進行了多年的車用鎳氫動力電池研制，目前已具備量產的水平。

2.2 HEV在國內發展緩慢的原因

我國沒有將HEV劃入新能源汽車行列，目前主要推廣純電動汽車和插電式混合動力汽車。2015年，我國新能源汽車銷售量達到33.11萬輛，同比增長3.4倍[5]，快速發展的主要原因，是受到國家和地方財政雙向補貼政策、限購政策、電池回收利用補貼政策和新能源汽車不限行政策等的刺激，同時，北京、上海這樣的大城市，市民購買燃油汽車搖號困難，限號出行不方便，因此購買新能源汽車成為了一個較好的選擇。2015年6月1日實施新能源汽車不限號出行政策后，銷售量快速增長。2015年5月新能源汽車月銷量3 356輛，到2015年10月新能源汽車月銷量增長到17 150輛[5]。2016年上半年，我國新能源車總銷量為12萬臺，同比增長135%，其中純電動車和插電式混合動力汽車銷售分別為8萬輛、4萬輛，同比分別增長166%和91%[6]。

2.3 HEV用鎳氫電池的發展趨勢

2014年全球電動車出貨量為236萬輛，其中HEV為215萬輛，占總量的百分之91%，其中鎳氫HEV車銷售量為135萬輛，占HEV總出貨量的63%。到2020年，HEV車的年預計銷量為500萬輛，鎳氫電池用量將達到3.146×106kWh，占比65%；鋰離子電池1.694×106kWh，占比35%[7]。具體預測情況見圖1。

圖1 全球HEV車及鎳氫電池市場預測

Fig.1 Global HEV vehicle and MH-Ni battery market forecast

純電動汽車是新能源發展的一個方向，但續駛里程、充電問題及價格昂貴，依然是制約發展的瓶頸，在電池技術沒有取得實質性進步之前，混合動力是一個較好的解決方式。

2.3.1 國產品牌長安和吉利使用鎳氫電池

國產品牌中，長安和吉利兩家企業都傾向使用鎳氫電池。如果HEV成為一種消費習慣，一些汽車企業為了應對市場潮流，可能會從長安、吉利或豐田公司直接購買混合動力技術的授權。

2.3.2 合資車企業鐘愛HEV

我國17家合資車企業的44款全新車型，插電式HEV和HEV占了近一半左右，由此可見，合資車企業把重心放在了支持力度較小、但大眾接受較高的車型上。在純電動汽車的布局上，合資車企業出現一種試探的態度。

2.4 HEV的發展對鎳氫動力電池新的要求

隨著HEV的快速發展及完善，HEV對鎳氫動力電池提出了新的要求：使用溫度范圍較寬，既能放出電也能充入電，特別是低溫充放電；邊界條件(EOL)測試；模擬工況測試數據及混合動力脈沖能力特性(HPPC)測試；較高的放電平臺和較低的充電平臺；高倍率充放電性能進一步提高，由30C放電、15C充電提高到40C放電、20C充電；較小的自放電

率，小于10%/月；循環測試中，容量緩慢遞減、內阻緩慢遞增；通過高低溫極限環境測試對電池包進行熱場分析；較高的使用壽命(10 a或200 000 km)。

3 結語

本文作者闡述了HEV用鎳氫動力電池的發展現狀和趨勢，分析了鎳氫動力電池的技術特點、性能并從車用鎳氫電池組的規格、尺寸、性能等方面介紹了國內外HEV的情況：

近幾年，在國內環保意識提高、不可生資源緊缺和政策的引導下，我國HEV發展快速，已經上市多款HEV。由于HEV不需要額外的配套設施，而且不改變駕駛員的駕駛習慣，所以受到大眾喜歡。隨著日本HEV專利技術的到期，我國HEV必將快速發展。

[1] XU Sao-ping(徐紹萍)，LI Pei-liang(李培良)，GENG Chao-qing(耿朝青). 鎳氫電池用廉價稀土儲氫合金負極材料的研制[J]. Chinese Rare Earths(稀土)，2004，25(5)：15-23.

[2] GAO Jin-liang(高金良). 稀土系鎳氫電池負極材料的開發和市場[J]. Chinese Rare Earths(稀土)，1995，16(1)：63-67.

[3] LV Ming-xiang(呂鳴祥)，HUANG Chang-bao(黃長保)，SONG Yu-jin(宋玉瑾)，etal. 化學電源[M]. Tianjin(天津)：Tianjin University Press(天津大學出版社)，1992. 229.

[4] XU Shun-yu(徐順余)，GAO Hai-ou(高海鷗)，QIU Guo-mao(邱國茂)，etal. 混合動力汽車車用鎳氫動力電池分析[J]. Shanghai Auto(上海汽車)，2006，12(2)：7-9.

[5] LI Na(李娜). 補貼不再是消費者買車的決定因素[J]. New Energy Style(新能源汽車)，2016，61(2)：10-13.

[6] 2016年上半年新能源汽車市場銷量排名分析[EB/OL]. http：//www.chinabgao.com/stat/stats/61294.html.

[7] 全球HEV市場鋰電池到2025年將完成對鎳氫電池替代[EB/OL]. http：//www.itdcw.com/archives/news/011GX242014. html.

Status quo and development analysis of MH/Ni battery for hybrid electric vehicle

CAO Sheng-biao，HUANG Fu-yi

(InnerMongoliaRareEarthOvonicHigh-PowerMH-NiBatteryCo.，Ltd.，Baotou，NeiMongol014030，China)

Status quo and development trend of MH/Ni battery for hybrid electric vehicle(HEV)，the characteristics and performance of MH/Ni power battery technology were analyzed. The situation of HEV from the specifications，size and performance of vehicle used MH/Ni battery pack was reviewed. The new requirements of HEV for MH/Ni power battery was put forward.

MH/Ni battery； power battery； hybrid electric vehicle(HEV)

曹生彪(1969-)，男，內蒙古人，內蒙古稀奧科鎳氫動力電池有限公司經理，高級工程師，研究方向：鎳氫電池；

TM912.2

A

1001-1579(2016)05-0289-03

2016-04-29

皇甫益(1984-)，男，內蒙古人，內蒙古稀奧科鎳氫動力電池有限公司技術員，工程師，研究方向：鎳氫電池，本文聯系人。