混合動(dòng)力汽車(chē)用鎳氫電池的現(xiàn)狀及發(fā)展分析

曹生彪，皇甫益

(內(nèi)蒙古稀奧科鎳氫動(dòng)力電池有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

混合動(dòng)力汽車(chē)用鎳氫電池的現(xiàn)狀及發(fā)展分析

曹生彪，皇甫益

(內(nèi)蒙古稀奧科鎳氫動(dòng)力電池有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

闡述了混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)用鎳氫電池的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析鎳氫動(dòng)力電池的技術(shù)特點(diǎn)、性能，從車(chē)用鎳氫電池組的規(guī)格、尺寸和性能等方面，介紹HEV的情況，最后提出HEV對(duì)鎳氫電池新的要求。

鎳氫電池； 動(dòng)力電池； 混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)

近年來(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。純電動(dòng)汽車(chē)目前還在研發(fā)階段，燃料電池汽車(chē)是可能的發(fā)展目標(biāo)，而混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)中，豐田公司于1997年已開(kāi)始銷(xiāo)售Prius混合動(dòng)力汽車(chē)[1]。鎳氫動(dòng)力電池具有高容量、大功率、無(wú)污染和安全性能好等特點(diǎn)[2-3]，廣泛應(yīng)用于HEV。目前已經(jīng)上市的HEV中，有85%的以鎳氫電池作為電源。

HEV的優(yōu)點(diǎn)主要有：與燃油汽車(chē)相比，HEV可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的；燃油經(jīng)濟(jì)性提高了40%～60%，同時(shí)減少各類(lèi)排放污染物50%～90%[1]；與純電動(dòng)汽車(chē)相比，HEV發(fā)展不受充電樁的影響，實(shí)現(xiàn)了能源的回收再利用；不改變駕駛員的駕駛習(xí)慣，駕駛員不會(huì)存在“不敢開(kāi)車(chē)跑長(zhǎng)途”、“車(chē)沒(méi)有電怎么辦”之類(lèi)的顧慮。

本文作者對(duì)HEV用鎳氫電池的現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析，并預(yù)計(jì)了發(fā)展的趨勢(shì)。

1 HEV用鎳氫電池

鎳氫電池的正極活性物質(zhì)是氫氧化亞鎳，負(fù)極活性物質(zhì)是稀土系貯氫合金粉[3]，隔膜是尼龍或經(jīng)過(guò)處理的聚乙烯、聚丙烯材料，電解液是一元或多元強(qiáng)堿。

鎳氫電池的比能量較高、技術(shù)成熟且價(jià)格較低，在低溫性能和安全性方面優(yōu)于鋰離子電池(見(jiàn)表1)[4]，在新能源汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)著重要地位，至今已有19 a的實(shí)際裝車(chē)運(yùn)行歷史。

表1 HEV用動(dòng)力電池性能比較

Table 1 Performance comparison of power battery for hybrid electric vehicle(HEV)

電池種類(lèi)比能量/Wh·kg-1比功率/W·kg-1-40℃低溫性能循環(huán)次數(shù)/次安全性鉛酸電池33130差400～500良鎳氫電池45～60>1100良>1000良鋰離子電池100>1100差>1000差

1.1 鎳氫電池在HEV上的優(yōu)勢(shì)

混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電池有很多要求，在這些要求中，鎳氫動(dòng)力電池都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

大功率充放電能力：比功率是衡量電池快速充放電能力的指標(biāo)，相對(duì)于比能量，HEV對(duì)比功率的要求更高。鉛酸電池的比功率較低；鋰離子電池在大電流長(zhǎng)時(shí)間充放電時(shí)易發(fā)生燃燒、爆炸；鎳氫動(dòng)力電池的比功率較高，且安全性較高。

充放電效率：動(dòng)力電池中，能量的循環(huán)必須經(jīng)過(guò)“充電-放電-充電”的過(guò)程。高的充放電效率對(duì)保證整車(chē)的效率十分重要。鉛酸電池的充放電效率較低；鋰離子電池在低溫環(huán)境下的充放電效率較低；鎳氫動(dòng)力電池充放電效率較高，而且使用溫度范圍比較寬。

相對(duì)穩(wěn)定性：動(dòng)力電池應(yīng)當(dāng)在快速充放電過(guò)程中及充放電變化的工況條件下，保持性能的相對(duì)穩(wěn)定，確保在動(dòng)力系統(tǒng)使用條件下能達(dá)到足夠的循環(huán)次數(shù)。鉛酸電池的循環(huán)壽命較短；鋰離子電池和鎳氫動(dòng)力電池的循環(huán)壽命都較長(zhǎng)。

安全性：動(dòng)力電池在短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱和耐振動(dòng)等條件下進(jìn)行安全性、可靠性試驗(yàn)，要保證不爆炸、不燃燒。在安全性方面，鋰離子電池存在爆炸的危險(xiǎn)，雖然通過(guò)更改材料、管理系統(tǒng)控制等方法可提高安全性，但仍有安全風(fēng)險(xiǎn)；鉛酸電池和鎳氫動(dòng)力電池的安全性都較高，很難發(fā)生爆炸。

1.2 鎳氫電池在HEV上的應(yīng)用

HEV的分類(lèi)方法有很多種，根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的配置和組合方式不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。鎳氫電池作為HEV的輔助能源，是HEV的關(guān)鍵零部件。在汽車(chē)起步、加速和上坡時(shí)，將制動(dòng)時(shí)或制動(dòng)踏板未被踩下時(shí)再次充入的電能提供給電動(dòng)機(jī)。目前，市場(chǎng)上主要使用的鎳氫動(dòng)力電池分為兩種：①方形電池，內(nèi)部由6只單體電池串聯(lián)而成，整個(gè)單體模塊的額定電壓達(dá)到7.2 V，28個(gè)模塊串聯(lián)組合在一起，形成用201.6 V電池組；②圓柱形電池，單體電池的額定電壓為1.2 V，常規(guī)的組織方式是先串聯(lián)成電池棒，然后根據(jù)要求，組合成具有不同額定電壓范圍的電池組。方形電池和圓柱形電池各有優(yōu)缺點(diǎn)，組合成201.6 V電池組后的尺寸、性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 方形電池和圓柱形電池的尺寸、性能

Table 2 Performance and size of square battery and cylindrical battery

形狀尺寸/cm單體電池電池棒201.6V電池組交流內(nèi)阻/mΩ比功率/W·kg-1方形28.5×11.7×20-56×28.5×11.7(18673cm3)6.3>1200圓柱形高6×直徑3.4高38×直徑3.4長(zhǎng)49×寬38×高7(13034cm3)7.0>1100

從表2可知，圓柱形電池組合成的電池組更省空間，但就電池的性能而言，方形電池的內(nèi)阻更低、比功率更高。

國(guó)內(nèi)外有多款混合動(dòng)力汽車(chē)上市，長(zhǎng)安志翔中度混合動(dòng)力轎車(chē)的技術(shù)參數(shù)表顯示：動(dòng)力蓄電池組使用的是鎳氫電池，工作額定電壓為144 V(120只單體電池，每只1.2 V)，容量為6 Ah。多款HEV用電池組的具體性能指標(biāo)列于表3。

表3 多款HEV用電池組的性能指標(biāo)

從表3可知，HEV以圓柱形鎳氫電池為主。車(chē)用鎳氫單體電池主要有兩種規(guī)格，即圓柱形和方形，方形鎳氫電池生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)要求含量高。

2 HEV用動(dòng)力電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)外HEV用動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外研制和生產(chǎn)HEV用鎳氫動(dòng)力電池的公司主要有日本松下(三洋)電池公司、美國(guó)Cobasys公司、德國(guó)Varta公司和法國(guó)Saft公司等，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化相對(duì)成熟。松下(三洋)公司已有十多年生產(chǎn)車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池的經(jīng)驗(yàn)，主要產(chǎn)品是D型動(dòng)力電池；豐田和松下合資成立的PEVE電池公司，主要生產(chǎn)方形鎳氫動(dòng)力電池；Cobasys公司、Varta公司和Saft公司已進(jìn)行了多年的車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池研制，目前已具備量產(chǎn)的水平。

2.2 HEV在國(guó)內(nèi)發(fā)展緩慢的原因

我國(guó)沒(méi)有將HEV劃入新能源汽車(chē)行列，目前主要推廣純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。2015年，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)售量達(dá)到33.11萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.4倍[5]，快速發(fā)展的主要原因，是受到國(guó)家和地方財(cái)政雙向補(bǔ)貼政策、限購(gòu)政策、電池回收利用補(bǔ)貼政策和新能源汽車(chē)不限行政策等的刺激，同時(shí)，北京、上海這樣的大城市，市民購(gòu)買(mǎi)燃油汽車(chē)搖號(hào)困難，限號(hào)出行不方便，因此購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)成為了一個(gè)較好的選擇。2015年6月1日實(shí)施新能源汽車(chē)不限號(hào)出行政策后，銷(xiāo)售量快速增長(zhǎng)。2015年5月新能源汽車(chē)月銷(xiāo)量3 356輛，到2015年10月新能源汽車(chē)月銷(xiāo)量增長(zhǎng)到17 150輛[5]。2016年上半年，我國(guó)新能源車(chē)總銷(xiāo)量為12萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)135%，其中純電動(dòng)車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售分別為8萬(wàn)輛、4萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)166%和91%[6]。

2.3 HEV用鎳氫電池的發(fā)展趨勢(shì)

2014年全球電動(dòng)車(chē)出貨量為236萬(wàn)輛，其中HEV為215萬(wàn)輛，占總量的百分之91%，其中鎳氫HEV車(chē)銷(xiāo)售量為135萬(wàn)輛，占HEV總出貨量的63%。到2020年，HEV車(chē)的年預(yù)計(jì)銷(xiāo)量為500萬(wàn)輛，鎳氫電池用量將達(dá)到3.146×106kWh，占比65%；鋰離子電池1.694×106kWh，占比35%[7]。具體預(yù)測(cè)情況見(jiàn)圖1。

圖1 全球HEV車(chē)及鎳氫電池市場(chǎng)預(yù)測(cè)

Fig.1 Global HEV vehicle and MH-Ni battery market forecast

純電動(dòng)汽車(chē)是新能源發(fā)展的一個(gè)方向，但續(xù)駛里程、充電問(wèn)題及價(jià)格昂貴，依然是制約發(fā)展的瓶頸，在電池技術(shù)沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)步之前，混合動(dòng)力是一個(gè)較好的解決方式。

2.3.1 國(guó)產(chǎn)品牌長(zhǎng)安和吉利使用鎳氫電池

國(guó)產(chǎn)品牌中，長(zhǎng)安和吉利兩家企業(yè)都傾向使用鎳氫電池。如果HEV成為一種消費(fèi)習(xí)慣，一些汽車(chē)企業(yè)為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)潮流，可能會(huì)從長(zhǎng)安、吉利或豐田公司直接購(gòu)買(mǎi)混合動(dòng)力技術(shù)的授權(quán)。

2.3.2 合資車(chē)企業(yè)鐘愛(ài)HEV

我國(guó)17家合資車(chē)企業(yè)的44款全新車(chē)型，插電式HEV和HEV占了近一半左右，由此可見(jiàn)，合資車(chē)企業(yè)把重心放在了支持力度較小、但大眾接受較高的車(chē)型上。在純電動(dòng)汽車(chē)的布局上，合資車(chē)企業(yè)出現(xiàn)一種試探的態(tài)度。

2.4 HEV的發(fā)展對(duì)鎳氫動(dòng)力電池新的要求

隨著HEV的快速發(fā)展及完善，HEV對(duì)鎳氫動(dòng)力電池提出了新的要求：使用溫度范圍較寬，既能放出電也能充入電，特別是低溫充放電；邊界條件(EOL)測(cè)試；模擬工況測(cè)試數(shù)據(jù)及混合動(dòng)力脈沖能力特性(HPPC)測(cè)試；較高的放電平臺(tái)和較低的充電平臺(tái)；高倍率充放電性能進(jìn)一步提高，由30C放電、15C充電提高到40C放電、20C充電；較小的自放電

率，小于10%/月；循環(huán)測(cè)試中，容量緩慢遞減、內(nèi)阻緩慢遞增；通過(guò)高低溫極限環(huán)境測(cè)試對(duì)電池包進(jìn)行熱場(chǎng)分析；較高的使用壽命(10 a或200 000 km)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文作者闡述了HEV用鎳氫動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，分析了鎳氫動(dòng)力電池的技術(shù)特點(diǎn)、性能并從車(chē)用鎳氫電池組的規(guī)格、尺寸、性能等方面介紹了國(guó)內(nèi)外HEV的情況：

近幾年，在國(guó)內(nèi)環(huán)保意識(shí)提高、不可生資源緊缺和政策的引導(dǎo)下，我國(guó)HEV發(fā)展快速，已經(jīng)上市多款HEV。由于HEV不需要額外的配套設(shè)施，而且不改變駕駛員的駕駛習(xí)慣，所以受到大眾喜歡。隨著日本HEV專利技術(shù)的到期，我國(guó)HEV必將快速發(fā)展。

[1] XU Sao-ping(徐紹萍)，LI Pei-liang(李培良)，GENG Chao-qing(耿朝青). 鎳氫電池用廉價(jià)稀土儲(chǔ)氫合金負(fù)極材料的研制[J]. Chinese Rare Earths(稀土)，2004，25(5)：15-23.

[2] GAO Jin-liang(高金良). 稀土系鎳氫電池負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)[J]. Chinese Rare Earths(稀土)，1995，16(1)：63-67.

[3] LV Ming-xiang(呂鳴祥)，HUANG Chang-bao(黃長(zhǎng)保)，SONG Yu-jin(宋玉瑾)，etal. 化學(xué)電源[M]. Tianjin(天津)：Tianjin University Press(天津大學(xué)出版社)，1992. 229.

[4] XU Shun-yu(徐順余)，GAO Hai-ou(高海鷗)，QIU Guo-mao(邱國(guó)茂)，etal. 混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池分析[J]. Shanghai Auto(上海汽車(chē))，2006，12(2)：7-9.

[5] LI Na(李娜). 補(bǔ)貼不再是消費(fèi)者買(mǎi)車(chē)的決定因素[J]. New Energy Style(新能源汽車(chē))，2016，61(2)：10-13.

[6] 2016年上半年新能源汽車(chē)市場(chǎng)銷(xiāo)量排名分析[EB/OL]. http：//www.chinabgao.com/stat/stats/61294.html.

[7] 全球HEV市場(chǎng)鋰電池到2025年將完成對(duì)鎳氫電池替代[EB/OL]. http：//www.itdcw.com/archives/news/011GX242014. html.

Status quo and development analysis of MH/Ni battery for hybrid electric vehicle

CAO Sheng-biao，HUANG Fu-yi

(InnerMongoliaRareEarthOvonicHigh-PowerMH-NiBatteryCo.，Ltd.，Baotou，NeiMongol014030，China)

Status quo and development trend of MH/Ni battery for hybrid electric vehicle(HEV)，the characteristics and performance of MH/Ni power battery technology were analyzed. The situation of HEV from the specifications，size and performance of vehicle used MH/Ni battery pack was reviewed. The new requirements of HEV for MH/Ni power battery was put forward.

MH/Ni battery； power battery； hybrid electric vehicle(HEV)

曹生彪(1969-)，男，內(nèi)蒙古人，內(nèi)蒙古稀奧科鎳氫動(dòng)力電池有限公司經(jīng)理，高級(jí)工程師，研究方向：鎳氫電池；

TM912.2

A

1001-1579(2016)05-0289-03

2016-04-29

皇甫益(1984-)，男，內(nèi)蒙古人，內(nèi)蒙古稀奧科鎳氫動(dòng)力電池有限公司技術(shù)員，工程師，研究方向：鎳氫電池，本文聯(lián)系人。