基于TRIZ理論的電容型鎳氫動力電池的研發應用

秦 偉，蔣志軍

(1.內蒙古科技大學 機械工程學院；2．內蒙古包頭昊明稀土新電源科技有限公司，內蒙古 包頭 014010)

電容型鎳氫動力電池(后文簡稱“動力電池”)作為新一代綠色環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[1-3]，同鋰電池相比其相對低廉的價格和較好的安全性使其在新能源/電動公共交通領域具有相當比例的應用[4，5]。而在實際應用過程中，電容型鎳氫動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。

TRIZ理論是科學家根里奇·阿奇舒勒(G．S．Alt-shuler)提出的解決發明問題的方法論，在問題分析、解決領域有著全面而獨特的理論體系。在分析發現核心問題、解決矛盾、擴展思維、預測技術系統發展趨勢等方面，TRIZ理論具有明顯優勢，其歸納提出的39個工程參數和40條發明原理經常用于解決各種技術難題[6]。

1 基于TRIZ理論的創新求解過程

1.1 背景描述

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

1.2 分析求解

將動力電池作為一個技術系統，引入到TRIZ理論中進行分析。

1.2.1 功能分析。 對組成該技術系統的各個組件進行列表整理，確定相互之間的相互作用，構建功能模型如圖1所示。

通過功能分析可知，溫度和電源管理系統對技術系統的影響是最嚴重的。其中溫度對技術系統的作用是有害的，直接影響正負極板與電解液之間電化學反應的進行；充電管理系統對技術系統的作用是不足的，其對充放電過程沒有進行精確控制。

圖1 電容性鎳氫動力電池功能模型

據此可以得到方案(一)：對“電源管理系統”進行升級，實現電源實時監控，根據電源余量情況安排調度發車間隔，對補電充電時間進行合理化安排。

1.2.2 因果分析。 通過對整個系統出現的問題進行梳理，明確問題產生的層級和因果關系。通過分析可知，動力電池供能不足是整個系統的最終體現結果，其直接原因是動力電池電量不足，而具體原因其實可以分為三點：動力電池電容量低、動力電池低溫下性能差、運營時間無法隨時充電(充電時間短)，具體因果關系詳見圖2。

圖2 系統因果關系模型

由圖中因果關系可知，電池材料限制在所有根原因中所占比重最大，據此得到方案(二)：對動力電池的正負極板/電解液材料進行改進，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：設計的最終目的是什么、理想解是什么、達到理想解的障礙有哪些，不出現該障礙的條件是什么。通過逐步遞進分析，一步步得到解決方案。

具體到本課題，有如下的分析過程：

A.設計的最終目的是什么？

——改善動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？

——動力電池可以持續大量供電，其性能不受低溫影響。

C.達到理想解的障礙是什么？

——電動公交車長行程持續運行；環境的低溫。

D.不出現該障礙的條件是什么？

——將電動公交車長行程縮短；改變動力電池的低溫屬性。

E.得到方案(三)：將電動公交車長行程運行改為短行程運行。

經過分析，電動公交車的長行程是指其一個工作日內的總運營里程，是在固定線路上往復多次折返，減少折返次數即變成了短行程運行。

1.2.4 資源分析。 對系統內部、外部資源進行分類，詳見表1。

表1 動力電池系統內/外部資源分類

通過分析，發現從屬于系統外部資源的支撐組件和散熱組件當前的功能比較少，考慮對其進行改進。

方案(四)：對散熱系統和支撐系統進行改進，在支撐系統內加入溫度傳感器和電偶元件，配合散熱系統對動力電池的溫度進行監控。溫度過高啟用散熱系統；溫度較低散熱系統關閉，熱電偶對動力電池進行適當加熱，保證動力電池的正常工作溫度。

1.2.5 技術矛盾分析。 技術矛盾是指系統的一個參數得到改善的同時，系統的另一個參數得到了惡化。在本課題中，其技術矛盾可以描述為：為了增加動力電池的電量，需要將其重量增加；但這樣會影響公交車的續航時間。矛盾的兩個參數分別是運動物體重量和運動物體作用時間。通過查找矛盾矩陣，得到推薦的發明原理為：

05 合并

19 周期性作用

31 多孔材料

34 拋棄與修復

通過分析，采用發明原理19周期性作用，得到方案(五)：增加充電次數，在電動公交車進站停靠間歇進行補電。

1.2.6 物理矛盾分析。 物理矛盾是指系統中的某一參數同時需要往相反的兩個方向發生變化。通過對系統進行物理矛盾分析，得到了兩對物理矛盾，分別描述如下：

物理矛盾1：為了公交車運營里程長，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；為了適應冬季低溫環境，溫度要低。

其分析求解過程見表2。

表2 動力電池系統物理矛盾分析

依據發明原理34拋棄與修復，得到方案(六)：在動力電池中的某個電池組件充電效率低時，對其進行更換以保證整體效率。

依據發明原理07套裝，得到方案(七)：將動力電池放置在電動機附近和地板下方，利用電動機的發熱和車內較高的溫度來避免環境低溫對其性能的影響。

采用發明原理17維數變化，得到方案(八)：將動力電池設計成三維模塊結構，內部電池的溫度由于有模塊間的互相包裹不會因外界溫度低而受影響。

1.2.7 物場分析。 TRIZ理論認為任何一個工程系統要正常工作必須具備3個要素：兩個物質和一個場。這里“場”指的是物質之間的相互作用。在此構建動力電池供能時的物場模型。

圖3所示的原系統物場模型為動力電池通過電場為電動公交車電機供電，動力電池是施加場的物質，電機是被施加場的物質。動力電池指向電機的箭頭表示電場的作用是由動力電池施加到電機上；虛線表示電場的作用是不足的，指代實際使用時長行程供電能力不足。

根據TRIZ物場分析標準解系統判斷，原系統物場模型表現為非有效完整的物場模型，應使用第二級改變/增強物場模型中的標準解來解決。選用標準解2.1.1串聯物場模型，在原有物場模型中增加一個新的物質，施加場的物質通過新的物質對被施加場的物質施加場。

構建改進后的新的系統物場模型如圖4所示，在動力電池和電機之間增加穩壓調整元件，對電池輸出電流進行微調，控制電機啟停時的動力參數，提高電能利用效率，該物場模型即為方案(九)。

圖3 原系統物場模型

圖4 改進后的新的系統物場模型

2 方案評估

針對所有得到的方案進行匯總，從成本、實現的難易程度、實用性3個方面進行分析(見表3)。

表3 方案匯總及綜合評估

通過分析可見，方案1、2、3、5、6的綜合可用性比較好，為達到方案的最優解，考慮將這幾個方案進行綜合。

3 最終方案

采用豐度稀土貯氫合金對動力電池極板、電解液材料進行改進，提動力電池的能量密度和耐高、低溫性能；調整電動公交車的運行安排，白天停靠總站時進行短時間大電流補電，夜間進行長時間小電流充電；電源管理系統實時監控動力電池狀態并實時調整公交車總站停靠補電時間。

4 結論

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