混合動力汽車動力電池技術發展趨勢研究及展望

伍賽特（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

從20世紀早期開始，電池作為車載能量儲存和轉換裝置得以應用，其首次應用是在電動汽車領域。1911年，Charles Kettering發明了電動起動機，并于1912年首次應用于凱迪拉克[1]。通過電力驅動的起動機為車載電氣系統帶來了額外的負載——為了下次順利起動發電機必須給電池充電。增加一個發電機維持了內燃機汽車使用便捷的優點[2-3]，而與純電動汽車不同，內燃機汽車用電池設備無需在外部電源下充電達若干小時。

現在，約有80%的鉛酸電池應用于汽車的起動、照明和點火，因此稱為SLI電池。另外，減少排放和提高燃油經濟性的要求，使得混合動力汽車（HEV）有了新的市場。通常，對于HEV的定義為由內燃機和電機混合驅動的汽車。該類車輛擁有2套能量系統為車輛提供動力——內燃機和電機。兩者的結合對車載動力電池的使用提出了新的技術要求。

1 混合動力汽車動力電池技術及要求

1.1 總體概述

電池是一組電化學單體串聯起來以滿足一定應用下電壓要求的能量存儲系統。每個單體的電壓取決于其電化學反應。電池中，電流與以g/s計的反應速率是相同的概念。在電池應用過程中，希望電流在外部電流連接完整的瞬間就開始流動，因此所有的放電反應均是自發進行的。另外，反應動力學速度必須足夠迅速，以滿足所需的電流要求。所有上述過程均需在較小的電壓變化范圍內完成。電壓變化量只有一部分和內阻有關，其余的電壓變化量與電流呈非線性關系。

1.2 閥控式蓄電池技術

部分電池在進行過充電時，電解液中水的分解會產生氣體。標準的富液型電池布設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，使得壓力達到極限時可以釋放出氣體。該閥避免了由于壓力過大導致的外殼變形。目前，這一技術應用在閥控式鉛酸、鎳鎘以及鎳氫電池中。在這3類電池中，由于過充電從正極產生的氧氣在負極處會重新發生化合反應[4]，而這種化合反應類似于在電池負極發生微弱的放電過程，減少了氫氣的產生。因此，長時間和嚴重過充電時，控制閥才被頂開。

1.3 當前對混合動力汽車動力電池的技術要求

由于混合動力汽車電氣系統的不斷擴展，對電池的需求也發生了顯著變化。如今的工業標準包括了對當前采用的12 V電氣系統的要求。

（1）性能：汽車起動功率，用于鑰匙門關斷后用電的能量存儲，或者發動機工作時的充電系統問題；

（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）機械接口：外殼尺寸、樁頭位置、電氣連接的最大轉矩、電池固定方式；

（5）環境要求：存放和工作溫度范圍、振動要求及最大傾斜角度；

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

1.3.1 對混合動力汽車動力電池性能的要求

對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，對內燃機汽車電池的最大功率要求出現在發動機冷起動時。該情況下，發動機潤滑油粘度較高，需克服發動機的慣性，且發動機的工作溫度與理想設計溫度相差甚遠，而電池情況也不理想。

動力電池是化學設備，在較冷環境下其輸出功率將有所減小，因為反應達不到正常溫度時的速率。為了使動力電池在低溫下能夠實現大電流放電，設計中需增加反應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，但是增加極板的數量，可以在滿足電池體尺寸和電壓不變的前提下提高動力電池的功率容量[8]。

能量存儲要求是指在汽車停止且發動機不工作時保證其他電器負載正常工作的能力，即在發動機不工作時支持負載所需的能量。能量存儲要求也指在充電系統無法正常工作時維持發動機運轉時間的長短，也是SAE最初提出保有容量技術要求的初衷。從該要求提出以來，汽車領域逐步采用了電子燃油噴射系統、電動燃油泵、高能點火系統、后窗除霧裝置以及其他一些設備，而上述代表當前先進技術的設備在標準制訂之時尚未問世。

1.3.2 混合動力汽車動力電池的充電需求

在不采用DC/DC變換器時，電池充電電壓等于系統總線電壓。系統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、電池化學特性、串聯的單體數目以及溫度。通常，給動力電池充電時需要接外部電源。當充電電流流過時，電池的電壓超過其開路電壓，使電池反應反向進行，放電反應的產物返回其原來的荷電狀態。每一種化學電池都有其對應的開路電壓范圍，該范圍與溫度及電解液物質的量濃度密切相關?？赏ㄟ^每個單體電壓在1～4 V的電池組為所需的負載供電，同時能在電氣系統允許的電壓下為其充電。由于動力電池與汽車電氣系統的協同發展，目前該系統運作良好。

1.3.3 電池樁頭標準

電池樁頭是電池與電氣系統其他部分的接口，理想的電池樁頭具有以下特征：低電阻；溫度變化及振動時保持緊固；可以無損地連接和斷開，以便進行電池和電纜的更換；負極易于辨認?，F行的工業標準尚未覆蓋諸如線控系統、排放處理設備等應用領域，因為上述系統尚未發展到可以將其要求標準化的程度。但是，未來對電池的要求，它的方向逐漸變得清晰。

2 未來混合動力汽車動力電池技術發展趨勢展望

2.1 混合動力汽車動力電池當前技術的發展現狀

當前采用的12 V電氣系統在過去數十年飛速發展，其中近20年內的技術提升尤為明顯。如今的電氣系統已經接近12 V系統的峰值功率極限。而降低排放、提高燃油經濟性、提高安全性、增加舒適性和方便性等對功率的全新需求，使得汽車工業開始重新考慮車載系統電壓的問題。

世界范圍內，諸多科研機構都意圖推動汽車制造商、供應商和汽車界的專家開始制訂全新的汽車電器標準，目前已得出可使用42 V標稱總線電壓的研究結果，因為其已經接近人體所能承受的最高電壓值。當考慮到電壓的波動及低溫環境下的電池充電要求時，達到了美國保險商實驗室（Underuriters Laboratories，UL）以及其他實驗室給出的電壓極限。當上述要求包括更大的驅動負載時，功率和電壓會進一步增加。

該電流極限是一項重要參數，與電流極限和功率脈沖的持續時間可一定程度上決定單個電池單體的尺寸和重量。在既定電壓下隨著功率和持續時間的增加，電池的尺寸也相應增加。而采用高電壓參數的HEV系統中，出現了使用新型化學電池系統的趨勢——鎳氫電池和鋰離子電池。

目前，對HEV電池的另一項技術要求是較高的充電接受能力。對汽車的燃油經濟性和排放指標進行標定時，是通過在測功機上使汽車按照規定的速度-時間曲線“行駛”。行駛工況由加速、減速、勻速和停車構成。HEV上應用制動能量回收，以提高汽車的整體效率。由于汽車的質量相對較大，減速過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，電池會達到極限充電電流而產生氣體（鉛酸和鎳電池體系）或者達到截止電壓（鋰離子電池體系）。如果充電接受能力相應增加，對電池造成的額外壓力可減小。

2.2 動力電池與超級電容器的組合技術

如果電池既需要提供較長時間的存儲能量，又需要為發動機的起動或車輛起步提供短時間內的脈沖功率，則電池的設計需采用折中的解決方案。在每個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要求。如果功率需求可由其他設備提供，電池可以使用更厚重的電極，在低倍率下達到能量存儲要求的同時獲得更好的耐久性。

一種比較理想的方法是由超級電容器提供脈沖功率，電池僅提供能量存儲。超級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備，或者利用制動能量回收充電。通過超級電容器充電后，電池可以在一個較寬的電池荷電狀態（SOC）范圍內工作，因為起動所需的功率已經存儲在超級電容器中。

將電池和超級電容器結合使用，必然需要較為復雜的充電系統，因為電池和超級電容器的充、放電特性有著顯著區別，所以其充電截止電壓差別較大。因此，可能需要某種DC/DC變換器或者是開關器件對同一直流總線上的2個設備進行控制。

2.3 動力電池監測與充電控制技術

HEV及純電動汽車等新能源車型通常需要采用動力電池檢測與充電控制技術。在該類車型上，并非只有停車狀態才需要起動發動機或提供驅動功率，而是在汽車行駛過程中也需要動力電池提供此類功率輸出。在過去的10～15年，相關領域的研究工作已得以大幅增加。通常而言，僅能通過測量4種物理量來反映電池的狀態——電壓、電流、溫度和時間。其他的一些性能，如功率、能量、荷電狀態和功率能力等，是從測量的數據和動力電池設計模型推算得到的。動力電池的充電控制方法是根據電池承受過充電的能力來決定的。而水基化學電池如鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池存在析氣效應，因此能夠接受一定程度的過充電。此外，鋰離子電池則完全不能被過充電，其電池單體必須布設有獨立的充電控制電路，在電池充滿電后切斷充電電流。

對動力電池的監測可采用不同的技術實現。傳統的方法包括有開路電壓法或者安時積分法。最近，一些基于交流阻抗或導納的方法被用于表征電池的荷電狀態或者健康狀態。電池的荷電狀態表示為電池中剩余電量與電池滿充下電量的百分比[9]。動力電池的健康狀態則無法用純數學方法來闡述，其定義是指動力電池的設計壽命還能延續多長時間或者電池還有多長時間需進行更換。所需的電池模型依賴于具體的電池設計。如果所更換的動力電池與原始電池的設計方式存在差異，軟件的精度就會有所降低。

而在充電過程接近尾聲時，繼續充電電流使電池電壓達到充電設備設定的截止電壓。由于電池是由一組電池單體串聯組成的，各電池單體的電流相同但電壓會有所不同，因此電池單體會在不同時間達到其截止電壓。在水基化學體系中，過充電的單體會分解電解液而析出氣體。對鋰離子電池單體而言，則不允許出現過充電現象。

3 結論與展望

就當前局勢而言，世界范圍內的HEV產業仍在不斷發展。現在或者不久的將來，HEV會逐漸過渡至包括乘用車、貨車和城市客車在內的諸多車型種類。不可否認，動力電池是影響其發展與推廣的關鍵技術之一，很大程度上決定著HEV的性能和使用壽命。隨著HEV技術的完善與優化，其作為一類為日常出行提供多樣化的交通工具，可充分實現節能環保的重要功效。