混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究及展望

伍賽特（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

從20世紀(jì)早期開(kāi)始，電池作為車載能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換裝置得以應(yīng)用，其首次應(yīng)用是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域。1911年，Charles Kettering發(fā)明了電動(dòng)起動(dòng)機(jī)，并于1912年首次應(yīng)用于凱迪拉克[1]。通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的起動(dòng)機(jī)為車載電氣系統(tǒng)帶來(lái)了額外的負(fù)載——為了下次順利起動(dòng)發(fā)電機(jī)必須給電池充電。增加一個(gè)發(fā)電機(jī)維持了內(nèi)燃機(jī)汽車使用便捷的優(yōu)點(diǎn)[2-3]，而與純電動(dòng)汽車不同，內(nèi)燃機(jī)汽車用電池設(shè)備無(wú)需在外部電源下充電達(dá)若干小時(shí)。

現(xiàn)在，約有80%的鉛酸電池應(yīng)用于汽車的起動(dòng)、照明和點(diǎn)火，因此稱為SLI電池。另外，減少排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，使得混合動(dòng)力汽車（HEV）有了新的市場(chǎng)。通常，對(duì)于HEV的定義為由內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的汽車。該類車輛擁有2套能量系統(tǒng)為車輛提供動(dòng)力——內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)。兩者的結(jié)合對(duì)車載動(dòng)力電池的使用提出了新的技術(shù)要求。

1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池技術(shù)及要求

1.1 總體概述

電池是一組電化學(xué)單體串聯(lián)起來(lái)以滿足一定應(yīng)用下電壓要求的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。每個(gè)單體的電壓取決于其電化學(xué)反應(yīng)。電池中，電流與以g/s計(jì)的反應(yīng)速率是相同的概念。在電池應(yīng)用過(guò)程中，希望電流在外部電流連接完整的瞬間就開(kāi)始流動(dòng)，因此所有的放電反應(yīng)均是自發(fā)進(jìn)行的。另外，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速度必須足夠迅速，以滿足所需的電流要求。所有上述過(guò)程均需在較小的電壓變化范圍內(nèi)完成。電壓變化量只有一部分和內(nèi)阻有關(guān)，其余的電壓變化量與電流呈非線性關(guān)系。

1.2 閥控式蓄電池技術(shù)

部分電池在進(jìn)行過(guò)充電時(shí)，電解液中水的分解會(huì)產(chǎn)生氣體。標(biāo)準(zhǔn)的富液型電池布設(shè)有釋放此類氣體的通道。閥控式蓄電池則采用了壓力釋放閥，使得壓力達(dá)到極限時(shí)可以釋放出氣體。該閥避免了由于壓力過(guò)大導(dǎo)致的外殼變形。目前，這一技術(shù)應(yīng)用在閥控式鉛酸、鎳鎘以及鎳氫電池中。在這3類電池中，由于過(guò)充電從正極產(chǎn)生的氧氣在負(fù)極處會(huì)重新發(fā)生化合反應(yīng)[4]，而這種化合反應(yīng)類似于在電池負(fù)極發(fā)生微弱的放電過(guò)程，減少了氫氣的產(chǎn)生。因此，長(zhǎng)時(shí)間和嚴(yán)重過(guò)充電時(shí)，控制閥才被頂開(kāi)。

1.3 當(dāng)前對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池的技術(shù)要求

由于混合動(dòng)力汽車電氣系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，對(duì)電池的需求也發(fā)生了顯著變化。如今的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括了對(duì)當(dāng)前采用的12 V電氣系統(tǒng)的要求。

（1）性能：汽車起動(dòng)功率，用于鑰匙門關(guān)斷后用電的能量存儲(chǔ)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的充電系統(tǒng)問(wèn)題；

（2）充電條件：充電可接受能力、充電截止電壓和溫度；

（3）電器接口：電池樁頭的尺寸和布置形式；（4）機(jī)械接口：外殼尺寸、樁頭位置、電氣連接的最大轉(zhuǎn)矩、電池固定方式；

（5）環(huán)境要求：存放和工作溫度范圍、振動(dòng)要求及最大傾斜角度；

（6）由電池化學(xué)特性決定的特定測(cè)試需求：自放電、氣體排放以及阻火器泄放測(cè)試。

1.3.1 對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池性能的要求

對(duì)任何一種電池的性能要求都可以分為2種類型：最高功率要求和最大能量要求[5-7]。通常，對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車電池的最大功率要求出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)。該情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油粘度較高，需克服發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性，且發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度與理想設(shè)計(jì)溫度相差甚遠(yuǎn)，而電池情況也不理想。

動(dòng)力電池是化學(xué)設(shè)備，在較冷環(huán)境下其輸出功率將有所減小，因?yàn)榉磻?yīng)達(dá)不到正常溫度時(shí)的速率。為了使動(dòng)力電池在低溫下能夠?qū)崿F(xiàn)大電流放電，設(shè)計(jì)中需增加反應(yīng)物與集流體和電解液的接觸面積。該舉措意味著需在同一電池單體中放入較多的并聯(lián)電極。在鉛酸電池中，每塊極板都做得更薄，但是增加極板的數(shù)量，可以在滿足電池體尺寸和電壓不變的前提下提高動(dòng)力電池的功率容量[8]。

能量存儲(chǔ)要求是指在汽車停止且發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)保證其他電器負(fù)載正常工作的能力，即在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)支持負(fù)載所需的能量。能量存儲(chǔ)要求也指在充電系統(tǒng)無(wú)法正常工作時(shí)維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短，也是SAE最初提出保有容量技術(shù)要求的初衷。從該要求提出以來(lái)，汽車領(lǐng)域逐步采用了電子燃油噴射系統(tǒng)、電動(dòng)燃油泵、高能點(diǎn)火系統(tǒng)、后窗除霧裝置以及其他一些設(shè)備，而上述代表當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)的設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)制訂之時(shí)尚未問(wèn)世。

1.3.2 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池的充電需求

在不采用DC/DC變換器時(shí)，電池充電電壓等于系統(tǒng)總線電壓。系統(tǒng)總線電壓的上限由白熾燈燈絲的要求和汽車上各種電子設(shè)備的供電要求決定。電池的電壓要求則取決于電池的荷電狀態(tài)、電池化學(xué)特性、串聯(lián)的單體數(shù)目以及溫度。通常，給動(dòng)力電池充電時(shí)需要接外部電源。當(dāng)充電電流流過(guò)時(shí)，電池的電壓超過(guò)其開(kāi)路電壓，使電池反應(yīng)反向進(jìn)行，放電反應(yīng)的產(chǎn)物返回其原來(lái)的荷電狀態(tài)。每一種化學(xué)電池都有其對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓范圍，該范圍與溫度及電解液物質(zhì)的量濃度密切相關(guān)。可通過(guò)每個(gè)單體電壓在1～4 V的電池組為所需的負(fù)載供電，同時(shí)能在電氣系統(tǒng)允許的電壓下為其充電。由于動(dòng)力電池與汽車電氣系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展，目前該系統(tǒng)運(yùn)作良好。

1.3.3 電池樁頭標(biāo)準(zhǔn)

電池樁頭是電池與電氣系統(tǒng)其他部分的接口，理想的電池樁頭具有以下特征：低電阻；溫度變化及振動(dòng)時(shí)保持緊固；可以無(wú)損地連接和斷開(kāi)，以便進(jìn)行電池和電纜的更換；負(fù)極易于辨認(rèn)。現(xiàn)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未覆蓋諸如線控系統(tǒng)、排放處理設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樯鲜鱿到y(tǒng)尚未發(fā)展到可以將其要求標(biāo)準(zhǔn)化的程度。但是，未來(lái)對(duì)電池的要求，它的方向逐漸變得清晰。

2 未來(lái)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

2.1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前采用的12 V電氣系統(tǒng)在過(guò)去數(shù)十年飛速發(fā)展，其中近20年內(nèi)的技術(shù)提升尤為明顯。如今的電氣系統(tǒng)已經(jīng)接近12 V系統(tǒng)的峰值功率極限。而降低排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性、提高安全性、增加舒適性和方便性等對(duì)功率的全新需求，使得汽車工業(yè)開(kāi)始重新考慮車載系統(tǒng)電壓的問(wèn)題。

世界范圍內(nèi)，諸多科研機(jī)構(gòu)都意圖推動(dòng)汽車制造商、供應(yīng)商和汽車界的專家開(kāi)始制訂全新的汽車電器標(biāo)準(zhǔn)，目前已得出可使用42 V標(biāo)稱總線電壓的研究結(jié)果，因?yàn)槠湟呀?jīng)接近人體所能承受的最高電壓值。當(dāng)考慮到電壓的波動(dòng)及低溫環(huán)境下的電池充電要求時(shí)，達(dá)到了美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（Underuriters Laboratories，UL）以及其他實(shí)驗(yàn)室給出的電壓極限。當(dāng)上述要求包括更大的驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，功率和電壓會(huì)進(jìn)一步增加。

該電流極限是一項(xiàng)重要參數(shù)，與電流極限和功率脈沖的持續(xù)時(shí)間可一定程度上決定單個(gè)電池單體的尺寸和重量。在既定電壓下隨著功率和持續(xù)時(shí)間的增加，電池的尺寸也相應(yīng)增加。而采用高電壓參數(shù)的HEV系統(tǒng)中，出現(xiàn)了使用新型化學(xué)電池系統(tǒng)的趨勢(shì)——鎳氫電池和鋰離子電池。

目前，對(duì)HEV電池的另一項(xiàng)技術(shù)要求是較高的充電接受能力。對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，是通過(guò)在測(cè)功機(jī)上使汽車按照規(guī)定的速度-時(shí)間曲線“行駛”。行駛工況由加速、減速、勻速和停車構(gòu)成。HEV上應(yīng)用制動(dòng)能量回收，以提高汽車的整體效率。由于汽車的質(zhì)量相對(duì)較大，減速過(guò)程中可提供的充電功率可能超出電池的接受能力。在該條件下，電池會(huì)達(dá)到極限充電電流而產(chǎn)生氣體（鉛酸和鎳電池體系）或者達(dá)到截止電壓（鋰離子電池體系）。如果充電接受能力相應(yīng)增加，對(duì)電池造成的額外壓力可減小。

2.2 動(dòng)力電池與超級(jí)電容器的組合技術(shù)

如果電池既需要提供較長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)能量，又需要為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)或車輛起步提供短時(shí)間內(nèi)的脈沖功率，則電池的設(shè)計(jì)需采用折中的解決方案。在每個(gè)電池單體中均需采用更多的電極以增加總表面積。以此增加的電流分布在較大的電極面積上，可保持電池電壓降滿足系統(tǒng)要求。如果功率需求可由其他設(shè)備提供，電池可以使用更厚重的電極，在低倍率下達(dá)到能量存儲(chǔ)要求的同時(shí)獲得更好的耐久性。

一種比較理想的方法是由超級(jí)電容器提供脈沖功率，電池僅提供能量存儲(chǔ)。超級(jí)電容器可以在較低的倍率下再充電，為下一次功率輸出做準(zhǔn)備，或者利用制動(dòng)能量回收充電。通過(guò)超級(jí)電容器充電后，電池可以在一個(gè)較寬的電池荷電狀態(tài)（SOC）范圍內(nèi)工作，因?yàn)槠饎?dòng)所需的功率已經(jīng)存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。

將電池和超級(jí)電容器結(jié)合使用，必然需要較為復(fù)雜的充電系統(tǒng)，因?yàn)殡姵睾统?jí)電容器的充、放電特性有著顯著區(qū)別，所以其充電截止電壓差別較大。因此，可能需要某種DC/DC變換器或者是開(kāi)關(guān)器件對(duì)同一直流總線上的2個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。

2.3 動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)與充電控制技術(shù)

HEV及純電動(dòng)汽車等新能源車型通常需要采用動(dòng)力電池檢測(cè)與充電控制技術(shù)。在該類車型上，并非只有停車狀態(tài)才需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或提供驅(qū)動(dòng)功率，而是在汽車行駛過(guò)程中也需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁┐祟惞β瘦敵觥Ｔ谶^(guò)去的10～15年，相關(guān)領(lǐng)域的研究工作已得以大幅增加。通常而言，僅能通過(guò)測(cè)量4種物理量來(lái)反映電池的狀態(tài)——電壓、電流、溫度和時(shí)間。其他的一些性能，如功率、能量、荷電狀態(tài)和功率能力等，是從測(cè)量的數(shù)據(jù)和動(dòng)力電池設(shè)計(jì)模型推算得到的。動(dòng)力電池的充電控制方法是根據(jù)電池承受過(guò)充電的能力來(lái)決定的。而水基化學(xué)電池如鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池存在析氣效應(yīng)，因此能夠接受一定程度的過(guò)充電。此外，鋰離子電池則完全不能被過(guò)充電，其電池單體必須布設(shè)有獨(dú)立的充電控制電路，在電池充滿電后切斷充電電流。

對(duì)動(dòng)力電池的監(jiān)測(cè)可采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的方法包括有開(kāi)路電壓法或者安時(shí)積分法。最近，一些基于交流阻抗或?qū)Ъ{的方法被用于表征電池的荷電狀態(tài)或者健康狀態(tài)。電池的荷電狀態(tài)表示為電池中剩余電量與電池滿充下電量的百分比[9]。動(dòng)力電池的健康狀態(tài)則無(wú)法用純數(shù)學(xué)方法來(lái)闡述，其定義是指動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)壽命還能延續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間或者電池還有多長(zhǎng)時(shí)間需進(jìn)行更換。所需的電池模型依賴于具體的電池設(shè)計(jì)。如果所更換的動(dòng)力電池與原始電池的設(shè)計(jì)方式存在差異，軟件的精度就會(huì)有所降低。

而在充電過(guò)程接近尾聲時(shí)，繼續(xù)充電電流使電池電壓達(dá)到充電設(shè)備設(shè)定的截止電壓。由于電池是由一組電池單體串聯(lián)組成的，各電池單體的電流相同但電壓會(huì)有所不同，因此電池單體會(huì)在不同時(shí)間達(dá)到其截止電壓。在水基化學(xué)體系中，過(guò)充電的單體會(huì)分解電解液而析出氣體。對(duì)鋰離子電池單體而言，則不允許出現(xiàn)過(guò)充電現(xiàn)象。

3 結(jié)論與展望

就當(dāng)前局勢(shì)而言，世界范圍內(nèi)的HEV產(chǎn)業(yè)仍在不斷發(fā)展。現(xiàn)在或者不久的將來(lái)，HEV會(huì)逐漸過(guò)渡至包括乘用車、貨車和城市客車在內(nèi)的諸多車型種類。不可否認(rèn)，動(dòng)力電池是影響其發(fā)展與推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一，很大程度上決定著HEV的性能和使用壽命。隨著HEV技術(shù)的完善與優(yōu)化，其作為一類為日常出行提供多樣化的交通工具，可充分實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要功效。