基于TRIZ理論的電容型鎳氫動(dòng)力電池的研發(fā)應(yīng)用

秦 偉，蔣志軍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2．內(nèi)蒙古包頭昊明稀土新電源科技有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

電容型鎳氫動(dòng)力電池(后文簡(jiǎn)稱“動(dòng)力電池”)作為新一代綠色環(huán)保二次電池具有比功率高、大電流充放電性能好、無污染等特點(diǎn)[1-3]，同鋰電池相比其相對(duì)低廉的價(jià)格和較好的安全性使其在新能源/電動(dòng)公共交通領(lǐng)域具有相當(dāng)比例的應(yīng)用[4，5]。而在實(shí)際應(yīng)用過程中，電容型鎳氫動(dòng)力電池存在著常溫能量密度不足，充電/供電能力受低溫影響較大的缺點(diǎn)。

TRIZ理論是科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒(G．S．Alt-shuler)提出的解決發(fā)明問題的方法論，在問題分析、解決領(lǐng)域有著全面而獨(dú)特的理論體系。在分析發(fā)現(xiàn)核心問題、解決矛盾、擴(kuò)展思維、預(yù)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)等方面，TRIZ理論具有明顯優(yōu)勢(shì)，其歸納提出的39個(gè)工程參數(shù)和40條發(fā)明原理經(jīng)常用于解決各種技術(shù)難題[6]。

1 基于TRIZ理論的創(chuàng)新求解過程

1.1 背景描述

為滿足公交車的正常運(yùn)營，其一天內(nèi)的運(yùn)營里程為300 km左右，而動(dòng)力電池充電一次所攜帶的電量難以支撐整個(gè)運(yùn)營里程。在冬季氣溫較低的場(chǎng)合(-15 ℃以下)，其充電/供電能力受到的影響較大。當(dāng)前的解決方案為：夜間對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，白天電動(dòng)公交車持續(xù)運(yùn)營；如果動(dòng)力電池電量不足則由另一輛電動(dòng)公交車或燃油車接替繼續(xù)運(yùn)營，電動(dòng)公交車運(yùn)營效率較低。

1.2 分析求解

將動(dòng)力電池作為一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，引入到TRIZ理論中進(jìn)行分析。

1.2.1 功能分析。 對(duì)組成該技術(shù)系統(tǒng)的各個(gè)組件進(jìn)行列表整理，確定相互之間的相互作用，構(gòu)建功能模型如圖1所示。

通過功能分析可知，溫度和電源管理系統(tǒng)對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的影響是最嚴(yán)重的。其中溫度對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的作用是有害的，直接影響正負(fù)極板與電解液之間電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；充電管理系統(tǒng)對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的作用是不足的，其對(duì)充放電過程沒有進(jìn)行精確控制。

圖1 電容性鎳氫動(dòng)力電池功能模型

據(jù)此可以得到方案(一)：對(duì)“電源管理系統(tǒng)”進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)電源實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)電源余量情況安排調(diào)度發(fā)車間隔，對(duì)補(bǔ)電充電時(shí)間進(jìn)行合理化安排。

1.2.2 因果分析。 通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行梳理，明確問題產(chǎn)生的層級(jí)和因果關(guān)系。通過分析可知，動(dòng)力電池供能不足是整個(gè)系統(tǒng)的最終體現(xiàn)結(jié)果，其直接原因是動(dòng)力電池電量不足，而具體原因其實(shí)可以分為三點(diǎn)：動(dòng)力電池電容量低、動(dòng)力電池低溫下性能差、運(yùn)營時(shí)間無法隨時(shí)充電(充電時(shí)間短)，具體因果關(guān)系詳見圖2。

圖2 系統(tǒng)因果關(guān)系模型

由圖中因果關(guān)系可知，電池材料限制在所有根原因中所占比重最大，據(jù)此得到方案(二)：對(duì)動(dòng)力電池的正負(fù)極板/電解液材料進(jìn)行改進(jìn)，引入稀土元素使其在寒冷工況條件下的充放電性能得到改善。

1.2.3 理想解分析。 系統(tǒng)的理想解分析就是提高其理想化水平的過程，其總體思想圍繞著如下幾步：設(shè)計(jì)的最終目的是什么、理想解是什么、達(dá)到理想解的障礙有哪些，不出現(xiàn)該障礙的條件是什么。通過逐步遞進(jìn)分析，一步步得到解決方案。

具體到本課題，有如下的分析過程：

A.設(shè)計(jì)的最終目的是什么？

——改善動(dòng)力電池的電池容量屬性和低溫特性。

B.本課題的理想解是什么？

——?jiǎng)恿﹄姵乜梢猿掷m(xù)大量供電，其性能不受低溫影響。

C.達(dá)到理想解的障礙是什么？

——電動(dòng)公交車長(zhǎng)行程持續(xù)運(yùn)行；環(huán)境的低溫。

D.不出現(xiàn)該障礙的條件是什么？

——將電動(dòng)公交車長(zhǎng)行程縮短；改變動(dòng)力電池的低溫屬性。

E.得到方案(三)：將電動(dòng)公交車長(zhǎng)行程運(yùn)行改為短行程運(yùn)行。

經(jīng)過分析，電動(dòng)公交車的長(zhǎng)行程是指其一個(gè)工作日內(nèi)的總運(yùn)營里程，是在固定線路上往復(fù)多次折返，減少折返次數(shù)即變成了短行程運(yùn)行。

1.2.4 資源分析。 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部、外部資源進(jìn)行分類，詳見表1。

表1 動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)/外部資源分類

通過分析，發(fā)現(xiàn)從屬于系統(tǒng)外部資源的支撐組件和散熱組件當(dāng)前的功能比較少，考慮對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

方案(四)：對(duì)散熱系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在支撐系統(tǒng)內(nèi)加入溫度傳感器和電偶元件，配合散熱系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池的溫度進(jìn)行監(jiān)控。溫度過高啟用散熱系統(tǒng)；溫度較低散熱系統(tǒng)關(guān)閉，熱電偶對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行適當(dāng)加熱，保證動(dòng)力電池的正常工作溫度。

1.2.5 技術(shù)矛盾分析。 技術(shù)矛盾是指系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)得到改善的同時(shí)，系統(tǒng)的另一個(gè)參數(shù)得到了惡化。在本課題中，其技術(shù)矛盾可以描述為：為了增加動(dòng)力電池的電量，需要將其重量增加；但這樣會(huì)影響公交車的續(xù)航時(shí)間。矛盾的兩個(gè)參數(shù)分別是運(yùn)動(dòng)物體重量和運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間。通過查找矛盾矩陣，得到推薦的發(fā)明原理為：

05 合并

19 周期性作用

31 多孔材料

34 拋棄與修復(fù)

通過分析，采用發(fā)明原理19周期性作用，得到方案(五)：增加充電次數(shù)，在電動(dòng)公交車進(jìn)站停靠間歇進(jìn)行補(bǔ)電。

1.2.6 物理矛盾分析。 物理矛盾是指系統(tǒng)中的某一參數(shù)同時(shí)需要往相反的兩個(gè)方向發(fā)生變化。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物理矛盾分析，得到了兩對(duì)物理矛盾，分別描述如下：

物理矛盾1：為了公交車運(yùn)營里程長(zhǎng)，電池容量要大；考慮到整體重量要輕，電池容量要少。

物理矛盾2：為了保證正常供電/充電，溫度要稍高；為了適應(yīng)冬季低溫環(huán)境，溫度要低。

其分析求解過程見表2。

表2 動(dòng)力電池系統(tǒng)物理矛盾分析

依據(jù)發(fā)明原理34拋棄與修復(fù)，得到方案(六)：在動(dòng)力電池中的某個(gè)電池組件充電效率低時(shí)，對(duì)其進(jìn)行更換以保證整體效率。

依據(jù)發(fā)明原理07套裝，得到方案(七)：將動(dòng)力電池放置在電動(dòng)機(jī)附近和地板下方，利用電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和車內(nèi)較高的溫度來避免環(huán)境低溫對(duì)其性能的影響。

采用發(fā)明原理17維數(shù)變化，得到方案(八)：將動(dòng)力電池設(shè)計(jì)成三維模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部電池的溫度由于有模塊間的互相包裹不會(huì)因外界溫度低而受影響。

1.2.7 物場(chǎng)分析。 TRIZ理論認(rèn)為任何一個(gè)工程系統(tǒng)要正常工作必須具備3個(gè)要素：兩個(gè)物質(zhì)和一個(gè)場(chǎng)。這里“場(chǎng)”指的是物質(zhì)之間的相互作用。在此構(gòu)建動(dòng)力電池供能時(shí)的物場(chǎng)模型。

圖3所示的原系統(tǒng)物場(chǎng)模型為動(dòng)力電池通過電場(chǎng)為電動(dòng)公交車電機(jī)供電，動(dòng)力電池是施加場(chǎng)的物質(zhì)，電機(jī)是被施加場(chǎng)的物質(zhì)。動(dòng)力電池指向電機(jī)的箭頭表示電場(chǎng)的作用是由動(dòng)力電池施加到電機(jī)上；虛線表示電場(chǎng)的作用是不足的，指代實(shí)際使用時(shí)長(zhǎng)行程供電能力不足。

根據(jù)TRIZ物場(chǎng)分析標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)判斷，原系統(tǒng)物場(chǎng)模型表現(xiàn)為非有效完整的物場(chǎng)模型，應(yīng)使用第二級(jí)改變/增強(qiáng)物場(chǎng)模型中的標(biāo)準(zhǔn)解來解決。選用標(biāo)準(zhǔn)解2.1.1串聯(lián)物場(chǎng)模型，在原有物場(chǎng)模型中增加一個(gè)新的物質(zhì)，施加場(chǎng)的物質(zhì)通過新的物質(zhì)對(duì)被施加場(chǎng)的物質(zhì)施加場(chǎng)。

構(gòu)建改進(jìn)后的新的系統(tǒng)物場(chǎng)模型如圖4所示，在動(dòng)力電池和電機(jī)之間增加穩(wěn)壓調(diào)整元件，對(duì)電池輸出電流進(jìn)行微調(diào)，控制電機(jī)啟停時(shí)的動(dòng)力參數(shù)，提高電能利用效率，該物場(chǎng)模型即為方案(九)。

圖3 原系統(tǒng)物場(chǎng)模型

圖4 改進(jìn)后的新的系統(tǒng)物場(chǎng)模型

2 方案評(píng)估

針對(duì)所有得到的方案進(jìn)行匯總，從成本、實(shí)現(xiàn)的難易程度、實(shí)用性3個(gè)方面進(jìn)行分析(見表3)。

表3 方案匯總及綜合評(píng)估

通過分析可見，方案1、2、3、5、6的綜合可用性比較好，為達(dá)到方案的最優(yōu)解，考慮將這幾個(gè)方案進(jìn)行綜合。

3 最終方案

采用豐度稀土貯氫合金對(duì)動(dòng)力電池極板、電解液材料進(jìn)行改進(jìn)，提動(dòng)力電池的能量密度和耐高、低溫性能；調(diào)整電動(dòng)公交車的運(yùn)行安排，白天停靠總站時(shí)進(jìn)行短時(shí)間大電流補(bǔ)電，夜間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間小電流充電；電源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池狀態(tài)并實(shí)時(shí)調(diào)整公交車總站停靠補(bǔ)電時(shí)間。

4 結(jié)論

通過在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)最終方案的實(shí)施操作，新型電容型鎳氫動(dòng)力電池的性能得到大幅改善，其在新能源交通領(lǐng)域的應(yīng)用效果也得到了證實(shí)。在某地的實(shí)際使用情況表名，新型電容型鎳氫動(dòng)力電池作為電動(dòng)公交車的運(yùn)行能源，可以在連續(xù)多日低于-15 ℃的條件下正常工作，而白天補(bǔ)電間隔僅為10 min左右；在空調(diào)全開的情況每日運(yùn)行商業(yè)里程超過200 km，出勤率100%[7]。 本文全面應(yīng)用TRIZ理論對(duì)新型電容型鎳氫動(dòng)力電池的性能提升及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了創(chuàng)新。在實(shí)際操作中，應(yīng)用了功能分析、資源分析、因果分析、物場(chǎng)分析、矛盾解決理論等不同的TRIZ工具，對(duì)電容型鎳氫動(dòng)力電池的不足進(jìn)行全方面分析求解，并對(duì)得到的原理方案進(jìn)行綜合評(píng)估，最終得出完整解決方案。同時(shí)也對(duì)TRIZ理論的各工具綜合應(yīng)用進(jìn)行了梳理，對(duì)TRIZ理論應(yīng)用于其他工業(yè)問題的解決提供了范例。