混合動力汽車用鎳氫電池性能研究

朱 東， 曾祥兵， 任海娟

（奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究總院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

在能源緊張、環(huán)境污染嚴重的今天，隨著汽車保有量的急劇增加，給能源和環(huán)境問題的解決帶來更大的壓力［1－2］，開發(fā)新能源汽車已成為世界各國爭相研究的課題。我國在目前的 “十二五”規(guī)劃中，進一步加大對新能源汽車的扶持力度，各項優(yōu)惠政策頻頻垂青［3］。新能源汽車主要是指3種電動汽車技術的開發(fā)，即EV（Electric Vehicle）、FEV（Fuel Cell Vehicle）和 HEV （Hybridelectric vehicle）。由于EV、FEV高性能電池關鍵技術尚未成熟，目前難以實現(xiàn)其開發(fā)目標。混合動力汽車采用了高功率的能量儲存裝置向汽車提供瞬時的能量，因此，國內外專家一致認為：混合動力汽車不只是電動汽車的一個過渡階段，而是汽車工業(yè)即將面臨的一場新的革命，混合動力汽車的商業(yè)化和產業(yè)化發(fā)展是必然趨勢。但是鉛酸電池質量重，不能快充深放，循環(huán)壽命短，而鋰離子電池存在大電流性能差、價格高及安全性差問題，都不適于混合動力汽車的發(fā)展，MH／Ni具有比功率高、充放電電流大、無污染、安全性好等特點，廣泛應用于混合動力汽車上［4－5］。

在我國，技術相對成熟、成本增加較少的發(fā)動發(fā)電一體機（Integrated Starter and Generator，簡稱ISG）混合動力汽車構成了混合動力的主流，可節(jié)油23%～30%，減排30%以上。ISG型動力汽車采用發(fā)動機／發(fā)電機一體化技術，通過ISG電機實現(xiàn)汽車的自動啟停、功率補償和制動能量回收功能［6］，因此電池的性能將直接影響車輛混合動力的功能。

1 實驗

1.1 試驗設計

充電方式：先以1／3C恒電流充電3h，再轉0.05C充電2h，擱置1h后進行放電試驗。單體電池在常溫、高低溫下以1C電流分別進行放電測試，以檢測單體電池間的一致性及高低溫特性。高溫實驗前，將檢測對象在（55±2）℃環(huán)境中貯存5h。低溫實驗前，將檢測對象在（－20±2）℃的環(huán)境中貯存20h，然后分別在高低溫環(huán)境下，以1C電流放電至終止電壓1.0V。同時由電池管理系統(tǒng)監(jiān)測各單體電壓。

不同溫度下，以100A大電流對模塊進行充放電效率測試，以及一定荷電態(tài)（State of Charge，簡稱SOC）下，不同溫度不同倍率充放電測試。

1.2 測試儀器

采用測試設備（MACCOR 4000美國，Bitrode－LCV100－60美國）、迪卡龍測試設備（EVT／BS 300－400 80KW 德國）、恒溫箱（Tennex bts）和高溫箱（101A－3）。

1.3 實驗電池

實驗選用某國內著名公司生產的6A·h鎳氫動力電池。實驗對象的基本性能參數(shù)見表1和表2所列。

表1 鎳氫動力電池特性參數(shù)

表2 鎳氫混合動力電池包參數(shù)

2 結果與討論

2.1 單體電池一致性及高低溫特性

由于組成電池組單體之間的性能差異在整個壽命周期里客觀存在，若單體之間充放電性能不一致，在整組電池充電時，容量低的電池早已充滿，很容易產生過充；相應地，在放電過程中，這部分電池也容易過放；單體之間的差異是造成單體過充、過放的主要因素。在經過若干次充放電過程后，各單體電池間的性能差異也越來越大，造成惡性循環(huán)，電池性能下降，降低了安全性，縮短了循環(huán)壽命。本實驗分別監(jiān)測了單體電池在常溫（20℃）、高溫（55℃）及低溫（－20℃）下放電過程的電壓及放電容量，如圖1和圖2所示。

圖1 不同溫度不同單體的放電電壓曲線

圖2 各個單體常溫下放電容量

從圖1a可看出，20℃放電電壓平臺為1.2～1.3V，放 電 容 量 相 差0.1A·h（即 總 容 量 的1.67%），平均放電容量為5.928A·h。由圖1a和圖2可知，常溫條件下，電池組中的單體容量有較好的一致性。

由圖1b和圖1c可見，在－20、55℃下電池單體放電電壓平臺分別為1.1～1.2V、1.2～1.3V；平均放電容量為5.335、5.880A·h，分別為常溫下放電容量的90.0%、99.1%。測試結果顯示高溫狀態(tài)下電池的性能優(yōu)于低溫狀態(tài)下的性能。

－20℃條件下放電電壓平臺較低的原因是NiOOH得到電子轉變?yōu)镹i（OH）2，金屬氫化物內部的氫原子擴散到表面形成吸附態(tài)的氫原子，再發(fā)生電化學氧化反應生成水。氫原子的擴散步驟是放電過程的控制步驟。低溫條件下，氫離子的遷移和擴散阻力都增大，導致電極過程極化增加，所以電壓平臺降低，放電容量減少。放電時負極、正極和電池發(fā)生的反應見（1）～（3）式。

此外，隨著溫度的降低，離子遷移的速率減慢，電解液的電導率也減?。?］，也是造成極化增大、電池性能下降的一個因素。

而高溫55℃下，放電電壓平臺及容量都較常溫下沒有太大差異，但并不代表高溫下電池的性能良好。因為溫度對電池有雙重影響，隨著溫度上升，氫擴散加速，電池組內阻減少，從而提高電池效率，但是，較高的溫度會加快化學反應，事實上也加速有害反應速率，對電池結構產生永久損壞，同時，高溫易損壞極板，也易產生過充電現(xiàn)象，嚴重影響電池的使用壽命。

2.2 電池模塊SOC與開路電壓關系

靜置2h后不同溫度下的開路電壓（OCV）與荷電狀態(tài)（SOC）關系如圖3所示，每個溫度狀態(tài)下充電中期OCV與SOC間的對應關系均不明顯，無法采用開路電壓法估算SOC值。MH／Ni電池在充電初期和末期OCV與SOC間的線性度較好［8］，圖3中有體現(xiàn)。為了使整車有良好的性能，控制電池工作時的SOC范圍為40%～70%，而在此范圍之外的高、低荷電態(tài)下將不啟用電池。因此根據(jù)圖3結果，采用Ah計量法能得到較精確的SOC值。

圖3 電池模塊開路電壓與SOC關系圖

2.3 電池模塊大電流下的充放電效率

混合動力汽車行駛過程中的能量循環(huán)必須經過充電—放電—充電，高的充放電效率對保證整車效率具有至關重要的作用。在上坡或重負荷時，發(fā)動機和ISG電機同時工作，發(fā)出最大功率，要求動力電池具有較大電流放電的能力。100A大電流下的充放電效率，如圖4所示，100A大電流放電效率在20～40℃時能保持在60%以上，可以很好地輔助發(fā)動機工作。在剎車和減速時，將制動產生的動能、熱能轉化成電能，從而實現(xiàn)能量的回收?；旌蟿恿ζ嚨哪芰炕厥招Ч饕Q于電池的快速充電性能，充電效率影響著能量回收效率。如圖4中100A大電流充電效率20～40℃間能達到80%以上。然而，在55℃下充放電效率都很低，高溫下整車節(jié)能效果比較差。

圖4 不同溫度不同倍率下的充放電效率

SOC也是影響電池充放電性能的因素之一［9］，電池組在較高荷電態(tài)下的充電性能、較低SOC下的大電流放電性能決定了電池組的能量效率，不同溫度和電流下的充放電曲線如圖5所示。

圖5 不同溫度和電流下的充放電曲線

從圖5a可看出，80%SOC狀態(tài)下在－20～50℃范圍內，最高以68A電流充電，電壓上限仍可達到電機的上限保護電壓。而圖5b表明，在40%SOC狀態(tài)，－20～50℃范圍內最高以158A大電流放電，電池模塊的電壓仍未達到下限保護電壓，表明電池模塊完全可以實現(xiàn)大電流快速充電、放電，滿足整車能量回饋、功率補償要求。

3 結論

電池性能的優(yōu)劣直接影響混合動力汽車的整車功能。實驗結果表明，研發(fā)的6A·h MH／Ni動力電池單體具有良好的一致性、高低溫性能以及較高的大電流充放電效率。由于電池本身電極過程的速率控制步驟受溫度影響較大，尤其是在低溫條件下，電極過程氫原子的擴散系數(shù)很低，因此電池低溫性能相對較差?？傮w的分析結果表明，電池的性能可以滿足整車自動啟停、功率補償和制動能量回收功能。

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