基于TRIZ理論的電容型鎳氫動力電池的研發(fā)應用

秦 偉，蔣志軍

(1.內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院；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)

電容型鎳氫動力電池(后文簡稱“動力電池”)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[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(lǐng)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(fā)明問題的方法論，在問題分析、解決領(lǐng)域有著全面而獨特的理論體系。在分析發(fā)現(xiàn)核心問題、解決矛盾、擴展思維、預測技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展趨勢等方面，TRIZ理論具有明顯優(yōu)勢，其歸納提出的39個工程參數(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營，其一天內(nèi)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(xù)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(xù)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(shù)系統(tǒng)，引入到TRIZ理論中進行分析。

1.2.1 功能分析。 對組成該技術(shù)系統(tǒng)的各個組件進行列表整理，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)對技術(shù)系統(tǒng)的影響是最嚴重的。其中溫度對技術(shù)系統(tǒng)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(tǒng)對技術(shù)系統(tǒng)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(jù)此可以得到方案(一)：對“電源管理系統(tǒng)”進行升級，實現(xiàn)電源實時監(jiān)控，根據(jù)電源余量情況安排調(diào)度發(fā)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(tǒng)出現(xiàn)的問題進行梳理，明確問題產(chǎn)生的層級和因果關(guān)系。通過分析可知，動力電池供能不足是整個系統(tǒng)的最終體現(xiàn)結(jié)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(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(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(xiàn)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(shè)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(xù)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(xù)運行；環(huán)境的低溫。

D.不出現(xiàn)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(jīng)過分析，電動公交車的長行程是指其一個工作日內(nèi)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(shù)即變成了短行程運行。

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

表1 動力電池系統(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前的功能比較少，考慮對其進行改進。

方案(四)：對散熱系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)進行改進，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)對動力電池的溫度進行監(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(shù)矛盾分析。 技術(shù)矛盾是指系統(tǒng)的一個參數(shù)得到改善的同時，系統(tǒng)的另一個參數(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(xù)航時間。矛盾的兩個參數(shù)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(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

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(tǒng)中的某一參數(shù)同時需要往相反的兩個方向發(fā)生變化。通過對系統(tǒng)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(huán)境，溫度要低。

其分析求解過程見表2。

表2 動力電池系統(tǒng)物理矛盾分析

依據(jù)發(fā)明原理34拋棄與修復，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(jù)發(fā)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(fā)熱和車內(nèi)較高的溫度來避免環(huán)境低溫對其性能的影響。

采用發(fā)明原理17維數(shù)變化，得到方案(八)：將動力電池設(shè)計成三維模塊結(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(tǒng)要正常工作必須具備3個要素：兩個物質(zhì)和一個場。這里“場”指的是物質(zhì)之間的相互作用。在此構(gòu)建動力電池供能時的物場模型。

圖3所示的原系統(tǒng)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(zhì)，電機是被施加場的物質(zhì)。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(jù)TRIZ物場分析標準解系統(tǒng)判斷，原系統(tǒng)物場模型表現(xiàn)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(lián)物場模型，在原有物場模型中增加一個新的物質(zhì)，施加場的物質(zhì)通過新的物質(zhì)對被施加場的物質(zhì)施加場。

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

圖3 原系統(tǒng)物場模型

圖4 改進后的新的系統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)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(diào)整電動公交車的運行安排，白天?？靠傉緯r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(tǒng)實時監(jiān)控動力電池狀態(tài)并實時調(diào)整公交車總站?？垦a電時間。

4 結(jié)論

通過在實際生產(chǎn)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(lǐng)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(xù)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(diào)全開的情況每日運行商業(yè)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(chuàng)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(yè)問題的解決提供了范例。