起停電池國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

尚曉麗，黃鑌，吳賢章（浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 杭州 311305）

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起停電池國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

尚曉麗，黃鑌，吳賢章
（浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 杭州 311305）

摘要：本文對(duì)國(guó)內(nèi)外起停電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了在起停電池領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的公司的解決方案特點(diǎn)和最新研發(fā)、市場(chǎng)活動(dòng)，以及國(guó)內(nèi)主流起停電池企業(yè)的技術(shù)發(fā)展情況，提出了起停電池技術(shù)發(fā)展和性能提升的重點(diǎn)方向。

關(guān)鍵詞：起停電池；AGM 蓄電池；EFB 蓄電池；超級(jí)電池；深充放電；部分荷電態(tài)

0 前言

國(guó)際清潔交通委員會(huì) (ICCT) 發(fā)布的報(bào)告[1]顯示，世界主要國(guó)家為應(yīng)對(duì)全球氣候變化紛紛提出了汽車減排和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其中歐洲的標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)苛，到 2020 年每公里 CO2排放量減少到 95 g；日本和中國(guó)的目標(biāo)較接近，分別是 115 g 和 117 g；美國(guó)的目標(biāo)是到 2025 年降至 107 g。

汽車在城市擁堵工況下行駛時(shí)的油耗和尾氣排放量相當(dāng)可觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，短暫停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空轉(zhuǎn)的能耗浪費(fèi)達(dá) 17 % 之多, 汽車怠速時(shí)所排放的尾氣所含有害物質(zhì)是該車時(shí)速 80 km/h 時(shí)排放尾氣的73 倍[2]。在我國(guó)，隨著城市化的加劇以及汽車保有量的不斷增加，大城市交通擁堵已經(jīng)成為無法避免的現(xiàn)實(shí)。據(jù)調(diào)查顯示，中國(guó)大中城市及一些沿海城市，汽車行駛時(shí)間與等紅燈或堵車的怠速時(shí)間的平均比例為 3:1，城市道路隨著每年超千萬輛新車涌向路面將變得更擁堵。汽車擁堵時(shí)超高尾氣排放量也是我國(guó)近年來爆發(fā)大規(guī)模霧霾的主要原因之一。

汽車起停功能可在車輛怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，需要的時(shí)候重起發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油經(jīng)濟(jì)性更好，發(fā)動(dòng)機(jī)更安靜。采用鉛酸電池或與其它電池技術(shù)組合，在系統(tǒng)成本增加不多的前提下減少排放和環(huán)境污染，消費(fèi)者接受度較高，起停系統(tǒng)對(duì)汽車企業(yè)來說是低成本高效益的投資。

1 起停技術(shù)發(fā)展概況

汽車起停技術(shù)自上世紀(jì)七十年代中期豐田[3]最初的嘗試以來，至今已有 40 多年的時(shí)間，在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展成為一種比較成熟的技術(shù)。在我國(guó)，節(jié)能減排的巨大壓力和龐大的汽車保有量均是促使起停技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。據(jù)專家估計(jì)，到 2019 年，我國(guó)每三輛車中就會(huì)有一輛配有起停系統(tǒng)[4]。

起停技術(shù)的基本原理是在車輛遇到路口紅燈或者擁堵時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，此時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)指令讓運(yùn)轉(zhuǎn)著的發(fā)動(dòng)機(jī)自主關(guān)閉，隨后只要車主踩下離合器、油門踏板或者松開剎車的瞬間，就可以再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入正常行駛狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)怠速時(shí)的零排放。

起停功能的實(shí)現(xiàn)主要取決于電機(jī)電控和起停電池兩大方面因素：電機(jī)電控系統(tǒng)主要包括起停啟動(dòng)電機(jī)、高效發(fā)電機(jī)以及各種控制器、轉(zhuǎn)換器和傳感器；起停電池一般為鉛酸電池，與傳統(tǒng)意義的起動(dòng)電池相比，起停電池的使用工況更加嚴(yán)苛，對(duì)循環(huán)壽命、冷起動(dòng)能力、失水、耐高溫等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)提出了新的挑戰(zhàn)。

2 起停電池使用工況分析

根據(jù)整車系統(tǒng)的工作原理，起停電池的使用主要分為三個(gè)階段：① 汽車運(yùn)行至紅燈時(shí)，車內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)停止正作，電池供給車內(nèi)輔助負(fù)載使用(如前燈、廣播、電控單元)，電流不大，小于 50 A；②在紅燈變綠燈很短時(shí)間內(nèi)由電池起動(dòng) BSG (或 ISG )模式下的高速電機(jī)，使電機(jī)高速帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，電流大小為 10C 左右；③發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后為蓄電池進(jìn)行充電[5]。

電池作為起停系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其技術(shù)水平制約著起停功能。起停電池的工況與傳統(tǒng)起動(dòng)電池相比差異很大：傳統(tǒng)起動(dòng)電池的工作模式是，電池在完成冷起動(dòng)后，汽車行駛過程中一直處于滿充電狀態(tài)；起停電池的工作模式是，每次開起起停模式后都要求電池起動(dòng)電機(jī)，見圖 1。由于起動(dòng)頻繁，以及怠速過程中需要電池為汽車的電氣和電子設(shè)備供電(如前燈、廣播、電控單元)，電池的負(fù)載加重，放電深度增加，要求電池頻繁深放電。先進(jìn)的起停系統(tǒng)還要通過回收制動(dòng)快速充電，但由于回充電流大，要求電池在部分荷電態(tài)下使用 (因?yàn)闈M荷電態(tài)下的電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)能量回收)。另外，起停電池使用環(huán)境惡劣，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的電池表面溫度可達(dá)到 60 ℃ 以上，容易造成板柵腐蝕、失水、鼓肚，甚至熱失控。

圖 1 起停電池使用工況 (電池頻繁深度放電、部分荷電態(tài)下使用)[6]

綜上所述，起停系統(tǒng)對(duì)電池性能提出了更高的要求，即具有更好的深放電循環(huán)性能 (20 % DOD～80 % DOD)、更長(zhǎng)的 HRPSOC (高倍率部分荷電態(tài))循環(huán)壽命、更好的起動(dòng)性能和充電接受能力以及更優(yōu)異的耐高溫性能。

3 起停電池技術(shù)分類

目前市場(chǎng)上應(yīng)用的起停電池技術(shù)主要有兩種，采用 EFB 技術(shù)的增強(qiáng)型富液電池和采用 AGM 技術(shù)的閥控式鉛酸蓄電池。EFB 電池是在傳統(tǒng)富液電池技術(shù)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整活性物質(zhì)以及電解液配方，以提高電池深循環(huán)性能。與傳統(tǒng)起動(dòng)電池相比，其循環(huán)性能提高一倍，冷起動(dòng)能力提高 15 % 左右。AGM 電池與富液電池相比，其結(jié)構(gòu)上有很大改動(dòng)：首先，采用陰極吸附式原理實(shí)現(xiàn)氧復(fù)合，減少了電池失水，做到真正的免維護(hù)；其次采用 AGM隔板，不僅使電解液固定在隔板中以防止電解液分層，提高深循環(huán)壽命，同時(shí) AGM 隔板具有更低的電阻，有利于提高起動(dòng)性能；最后采用緊裝配技術(shù)，使極板受到隔板 50 kPa 以上的壓力，以防止活性物質(zhì)軟化脫落，進(jìn)一步提高循環(huán)性能。與傳統(tǒng)起動(dòng)電池相比，AGM 電池的循環(huán)壽命可提高兩倍，冷起動(dòng)能力提高 30 % 以上。

同時(shí)，對(duì)于起停電池來說，需要預(yù)測(cè)電池的荷電態(tài)和健康狀態(tài)，以確定電池是否能夠在放電階段(車輛怠速階段) 結(jié)束后為重起發(fā)動(dòng)機(jī)供電，因此，通常依賴 BMS (電池管理系統(tǒng)) 在車輛運(yùn)行時(shí)候計(jì)算這些數(shù)據(jù)。BMS 需要準(zhǔn)確的開路電壓數(shù)據(jù)，即開路電壓與荷電態(tài)直接相關(guān)。由于 EFB 電池的電解液存在酸分層現(xiàn)象，酸密度存在濃度梯度，開路電壓不準(zhǔn)確，荷電態(tài) SOC 預(yù)測(cè)性差，BMS 可能被誤導(dǎo)，計(jì)算出來的 SOC 是錯(cuò)誤的，這樣很可能會(huì)抵消起停系統(tǒng)的功能，即依據(jù)發(fā)生酸分層的 EFB開路電壓數(shù)據(jù)，存在高估電池性能的風(fēng)險(xiǎn)，因此，EFB 電池適用于沒有智能充電管理的帶起停系統(tǒng)的車型。

起停電池總是處于充放電循環(huán)中，循環(huán)壽命要求較現(xiàn)有電池高得多，需要推出長(zhǎng)循環(huán)壽命 AGM電池。EFB 電池則需采取抑制酸分層的措施，防止開路電壓 OCV 與荷電態(tài) SOC 不匹配，防止活性物質(zhì)過度硫酸鹽化，防止電池早期失效。江森自控提出需要根據(jù)不同的起停功能要求，選擇適用的電池，如 EFB 電池用于能量回收要求不高的入門級(jí)起停車，AGM 電池用于要求能量回收功能較好的先進(jìn)起停車，將 AGM 技術(shù)和其它技術(shù)結(jié)合起來用于系統(tǒng)性優(yōu)化[5]。

4 起停電池國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外起停技術(shù)起步較早，經(jīng)過二三十年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前該系統(tǒng)在歐洲已經(jīng)非常普及，美國(guó)也在大力推廣和使用。奧迪、寶馬、保時(shí)捷等車企已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)配。領(lǐng)先的起停電機(jī)廠家有德爾福、博世、日本電裝等公司，起停電池廠家主要有美國(guó)江森自控 (VARTA)、東賓 (EastPenn)、日本湯淺 (GS YUASA)、古河 (FB) 等公司。其技術(shù)路線及產(chǎn)品如表 1 所示。

表 1 國(guó)際領(lǐng)先的起停電池制造商技術(shù)路線及產(chǎn)品

根據(jù)表 2 中江森自控公司的數(shù)據(jù)[7]，AGM 電池的充放電耐久性是普通電池的 3 倍，電量更為強(qiáng)勁且使用壽命更長(zhǎng)，能夠克服各類嚴(yán)苛環(huán)境的挑戰(zhàn)，能滿足起停汽車對(duì)蓄電池的各種要求。該電池2007 年投用，迄今累計(jì)生產(chǎn)了 2 000 萬套。江森自控公司的起停 AGM 電池主要有五個(gè)型號(hào)，其容量為 60～105 Ah，主要用于微混車輛，支持再生制動(dòng)、智能電壓控制及交流電機(jī)被動(dòng)起動(dòng)等功能。目前 AGM 電池在汽車電池市場(chǎng)中增速最快，這源自整車配套和售后市場(chǎng)的需求。該公司正積極投資擴(kuò)大其全球 AGM 電池產(chǎn)能，以支持北美、歐洲和中國(guó)市場(chǎng)對(duì)起停汽車需求的增長(zhǎng)。其 EFB 電池定位是介于普通起動(dòng)電池與 AGM 電池之間的一種產(chǎn)品，采用較厚的隔板、高密度活性材料以及聚酯絨物，循環(huán)壽命是標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)電池的兩倍，主要有 5 個(gè)型號(hào)，容量 60～80 Ah。此外，江森自控公司積極探索新一代起停電池技術(shù)，即在 AGM 電池中添加炭材料作為加強(qiáng)型 AGM 電池 (EFM)，其循環(huán)壽命可達(dá)普通 AGM 電池的兩倍，用戶有奔馳、寶馬、奧迪、通用等。

表 2 江森自控公司起停電池技術(shù) (Varta 瓦爾塔)

除了起停鉛酸電池，江森自控公司還于 2015年推出了全新的鋰鈦電池產(chǎn)品[8]，進(jìn)一步擴(kuò)展其汽車電池產(chǎn)品線。該項(xiàng) 12 伏電池技術(shù)由江森自控和東芝聯(lián)合開發(fā)，采用東芝的 SCiBTM 電芯，適用于更為先進(jìn)的起停汽車車型。先進(jìn)汽車起停系統(tǒng)會(huì)搭載兩只電池：其中一只是 12 V AGM 電池或 EFB電池，為起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、照明、導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電等車載設(shè)備提供電能；12 V 鋰鈦電池則主要用于接收和儲(chǔ)存車輛減速時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量，從而提供更高的電量和負(fù)載管理空間。電池尺寸和紙巾盒相仿，質(zhì)量約 9 lb，壽命 4～6 a。新電池僅對(duì)汽車的起停系統(tǒng)供電，因此汽車本身仍需額外配一個(gè)電池。12 V 電池系統(tǒng)將于 2018 開始生產(chǎn)。

日本杰士湯淺公司的起停電池以 EFB 技術(shù)路線為主，自 2009 年推出第一代起停電池以來，不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，通過優(yōu)化板柵設(shè)計(jì)、采用高密度正極活性物質(zhì)、負(fù)極板柵特殊處理以及正極板中添加新型添加劑改善充電接受能力和耐久性，目前已經(jīng)發(fā)展至第四代。第四代產(chǎn)品的充電接受能力比傳統(tǒng)電池提高 3 倍，耐久性是傳統(tǒng)電池的 4 倍。杰士湯淺公司的起停電池產(chǎn)品主要原裝配套豐田、鈴木、本田、馬自達(dá)等車型，占日本國(guó)內(nèi)起停車用電池市場(chǎng)份額的 50 %[9]。

日本古河公司的起停電池技術(shù)路線則是富液式鉛炭超級(jí)電池。CSIRO (澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織) 發(fā)明了鉛炭超級(jí)電池, 其負(fù)極采用電容器炭材料與鉛酸電池負(fù)極復(fù)合的內(nèi)并式結(jié)構(gòu)，可以極大地減少 HRPSOC 工況下硫酸鹽的積累，提高電池性能和使用壽命。鉛炭超級(jí)電池是鉛酸電池的創(chuàng)新技術(shù)，相比鉛酸電池有著諸多優(yōu)勢(shì)：充電快，放電功率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)、性價(jià)比高、使用安全穩(wěn)定。ALABC (國(guó)際先進(jìn)鉛酸電池聯(lián)合會(huì)) 近年來開展的一系列示范項(xiàng)目表明，鉛炭超級(jí)電池是目前的電池體系中最適合起停系統(tǒng)技術(shù)需要的產(chǎn)品，能滿足帶能量回收功能的起停系統(tǒng)要求，甚至可以滿足中混和強(qiáng)混的技術(shù)要求[10]。

日本古河公司是 CSIRO 授權(quán)的兩家超級(jí)電池生產(chǎn)商之一。自 2004 年以來, CSIRO 就一直和古河公司在超級(jí)電池的研發(fā)活動(dòng)與市場(chǎng)推廣方面進(jìn)行合作。2006 年 ALABC 發(fā)起超級(jí)電池示范項(xiàng)目[11]，將古河超級(jí)電池模塊裝在本田 Insight 混合動(dòng)力車上，在英國(guó)已完成 10 萬英里的路試，結(jié)果表明超級(jí)電池在無任何均充的條件下，模塊電壓和荷電態(tài)一致性較好。

此外，古河公司針對(duì)不同起停工況可能引起的失效模式進(jìn)行了分析[6]，見表 3，開發(fā)的富液式超級(jí)電池在充電接受能力、PSOC 循環(huán)壽命較 EFB電池有大幅提升， 80 % SOC 動(dòng)態(tài)充電循環(huán)壽命達(dá)到同款 EFB 電池的 2 倍。2011 年開始，日本汽車開始大規(guī)模配置起停系統(tǒng)。2013 年，古河公司在日本推出 4 款富液式超級(jí)電池 (M-42/N-55/Q-85/ S-95)，并配套本田奧德賽商用車。

表 3 日本古河起停電池失效模式分析

美國(guó)東賓公司于 2007 年成為超級(jí)電池授權(quán)生產(chǎn)商，可在除日本和泰國(guó)外的全球范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。2009 年獲得奧巴馬政府對(duì)超級(jí)電池的巨額資助，后與美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，模擬測(cè)試超級(jí)電池在 HRPSOC 條件下的性能，在混合動(dòng)力測(cè)試中循環(huán)耐久性較普通鉛酸電池提高 3～4 倍[12]。

Exide 公司 2010 年在美國(guó)開始生產(chǎn) AGM 起停電池，總投資 8000 萬美元。Exide 卷繞式起停電池的起停壽命超過 22 萬次。近年來，ALABC 的微混示范項(xiàng)目中多采用 Exide 卷繞式超級(jí)電池，大眾Passat 1.4I 搭載 Exide 12 V 單體容量 100 Ah 卷繞式超級(jí)電池。根據(jù) Eucar 助力測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)室測(cè)試達(dá)到 14 萬英里，實(shí)現(xiàn) 7 %～18 % 的節(jié)油減排[13]。

美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家對(duì)汽車尾氣的排放有嚴(yán)格的法規(guī)控制，燃油經(jīng)濟(jì)性要求較高，民眾的環(huán)保意識(shí)較強(qiáng)，這也是歐美起停汽車得到廣泛普及的主要原因。盡管如此，目前國(guó)外的起停技術(shù)尚未完全成熟，能量回收功能、低速輔助功能方面需要進(jìn)一步增強(qiáng)，起停電池在動(dòng)態(tài)充電接受能力、耐高溫性和循環(huán)壽命方面仍有待進(jìn)一步改善。

5 起停電池國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)汽車采用起停技術(shù)的比例還很低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013 年起停系統(tǒng)的裝配率還不到 4 %，跟國(guó)外相比差距非常大。目前國(guó)內(nèi)主要汽車廠商如一汽、上汽、上海大眾等眾多廠家在旗下部分主力車型搭載了起停系統(tǒng)，并逐步將該系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置應(yīng)用于更多系列車型。隨著起停技術(shù)的推廣應(yīng)用及節(jié)能減排效果的顯現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)將作為標(biāo)準(zhǔn)配置出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)更多的車型中。國(guó)內(nèi)的起停技術(shù)目前主要受制于電控和電池技術(shù)。

雖然國(guó)內(nèi)起停電池技術(shù)與國(guó)外水平差距較大，起停電池產(chǎn)品的成熟度較低，但是主流電池企業(yè)都在積極布局，正在通過自主研發(fā)和對(duì)外技術(shù)合作等方式不斷縮短與國(guó)外技術(shù)的差距。

南都電源公司一直密切關(guān)注起停電池技術(shù)的發(fā)展，早在 10 年前已經(jīng)著手起停電池的研究工作，與上汽、一汽、重慶長(zhǎng)安汽車研究院等多家車企開展了深度合作。南都起停電池采用 AGM 技術(shù)、鉛炭技術(shù)和高溫電池技術(shù)，具有使用溫度范圍廣，冷起動(dòng)性能優(yōu)越、循環(huán)壽命高等特性，尤其高倍率部分荷電態(tài) (HRPSOC) 下的循環(huán)壽命可達(dá) 20 萬次以上[14]。南都電源 “鉛炭電池”技術(shù)研究獲得了國(guó)際先進(jìn)鉛酸電池聯(lián)合會(huì) (ALABC) 的資助，高性能鉛炭起停電池技術(shù)獲得了國(guó)家“強(qiáng)基工程”項(xiàng)目資助。此外，風(fēng)帆、駱駝、超威等企業(yè)也在積極開展起停電池技術(shù)的研究，加強(qiáng)同國(guó)外起停電池企業(yè)的技術(shù)合作。

6 結(jié)束語

國(guó)外起停技術(shù)正在向先進(jìn)水平邁進(jìn)，能量回收功能、低速輔助功能方面需要進(jìn)一步增強(qiáng)，起停電池技術(shù)需要重點(diǎn)提升動(dòng)態(tài)充電接受能力、耐高溫性和循環(huán)壽命方面的性能。國(guó)內(nèi)起停電池技術(shù)不斷發(fā)展，逐步縮小與國(guó)外的技術(shù)差距，不斷提升起停系統(tǒng)的性能，推進(jìn)汽車起停系統(tǒng)的進(jìn)一步普及。

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Overview of the development of start-stop battery technology

SHANG Xiaoli, HUANG Bin, WU Xianzhang
(Zhejiang Narada Power Source Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 311305, China)

Abstract:This paper presents an overview on start-stop battery technology worldwide, describes the solution features and the latest researches and developments, marketing activities in the leading companies in this start-stop battery field as well as the developments of start-stop battery in the mainstream manufactures in China, and states the key directions of start-stop battery technology development and performance enhancement.

Key words:start-stop battery; AGM battery; EFB battery; super battery; deep charge and discharge; part state of charge

收稿日期：2015–06–08

中圖分類號(hào)：TM 912.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0847(2016)01-45-06