混合动力汽车用镍氢电池性能研究

朱 东， 曾祥兵， 任海娟

（奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研究总院，安徽 芜湖 241002）

0 引言

在能源紧张、环境污染严重的今天，随着汽车保有量的急剧增加，给能源和环境问题的解决带来更大的压力［1－2］，开发新能源汽车已成为世界各国争相研究的课题。我国在目前的 “十二五”规划中，进一步加大对新能源汽车的扶持力度，各项优惠政策频频垂青［3］。新能源汽车主要是指3种电动汽车技术的开发，即EV（Electric Vehicle）、FEV（Fuel Cell Vehicle）和 HEV （Hybridelectric vehicle）。由于EV、FEV高性能电池关键技术尚未成熟，目前难以实现其开发目标。混合动力汽车采用了高功率的能量储存装置向汽车提供瞬时的能量，因此，国内外专家一致认为：混合动力汽车不只是电动汽车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命，混合动力汽车的商业化和产业化发展是必然趋势。但是铅酸电池质量重，不能快充深放，循环寿命短，而锂离子电池存在大电流性能差、价格高及安全性差问题，都不适于混合动力汽车的发展，MH／Ni具有比功率高、充放电电流大、无污染、安全性好等特点，广泛应用于混合动力汽车上［4－5］。

在我国，技术相对成熟、成本增加较少的发动发电一体机（Integrated Starter and Generator，简称ISG）混合动力汽车构成了混合动力的主流，可节油23%～30%，减排30%以上。ISG型动力汽车采用发动机／发电机一体化技术，通过ISG电机实现汽车的自动启停、功率补偿和制动能量回收功能［6］，因此电池的性能将直接影响车辆混合动力的功能。

1 实验

1.1 试验设计

充电方式：先以1／3C恒电流充电3h，再转0.05C充电2h，搁置1h后进行放电试验。单体电池在常温、高低温下以1C电流分别进行放电测试，以检测单体电池间的一致性及高低温特性。高温实验前，将检测对象在（55±2）℃环境中贮存5h。低温实验前，将检测对象在（－20±2）℃的环境中贮存20h，然后分别在高低温环境下，以1C电流放电至终止电压1.0V。同时由电池管理系统监测各单体电压。

不同温度下，以100A大电流对模块进行充放电效率测试，以及一定荷电态（State of Charge，简称SOC）下，不同温度不同倍率充放电测试。

1.2 测试仪器

采用测试设备（MACCOR 4000美国，Bitrode－LCV100－60美国）、迪卡龙测试设备（EVT／BS 300－400 80KW 德国）、恒温箱（Tennex bts）和高温箱（101A－3）。

1.3 实验电池

实验选用某国内著名公司生产的6A·h镍氢动力电池。实验对象的基本性能参数见表1和表2所列。

表1 镍氢动力电池特性参数

表2 镍氢混合动力电池包参数

2 结果与讨论

2.1 单体电池一致性及高低温特性

由于组成电池组单体之间的性能差异在整个寿命周期里客观存在，若单体之间充放电性能不一致，在整组电池充电时，容量低的电池早已充满，很容易产生过充；相应地，在放电过程中，这部分电池也容易过放；单体之间的差异是造成单体过充、过放的主要因素。在经过若干次充放电过程后，各单体电池间的性能差异也越来越大，造成恶性循环，电池性能下降，降低了安全性，缩短了循环寿命。本实验分别监测了单体电池在常温（20℃）、高温（55℃）及低温（－20℃）下放电过程的电压及放电容量，如图1和图2所示。

图1 不同温度不同单体的放电电压曲线

图2 各个单体常温下放电容量

从图1a可看出，20℃放电电压平台为1.2～1.3V，放 电 容 量 相 差0.1A·h（即 总 容 量 的1.67%），平均放电容量为5.928A·h。由图1a和图2可知，常温条件下，电池组中的单体容量有较好的一致性。

由图1b和图1c可见，在－20、55℃下电池单体放电电压平台分别为1.1～1.2V、1.2～1.3V；平均放电容量为5.335、5.880A·h，分别为常温下放电容量的90.0%、99.1%。测试结果显示高温状态下电池的性能优于低温状态下的性能。

－20℃条件下放电电压平台较低的原因是NiOOH得到电子转变为Ni（OH）2，金属氢化物内部的氢原子扩散到表面形成吸附态的氢原子，再发生电化学氧化反应生成水。氢原子的扩散步骤是放电过程的控制步骤。低温条件下，氢离子的迁移和扩散阻力都增大，导致电极过程极化增加，所以电压平台降低，放电容量减少。放电时负极、正极和电池发生的反应见（1）～（3）式。

此外，随着温度的降低，离子迁移的速率减慢，电解液的电导率也减小［7］，也是造成极化增大、电池性能下降的一个因素。

而高温55℃下，放电电压平台及容量都较常温下没有太大差异，但并不代表高温下电池的性能良好。因为温度对电池有双重影响，随着温度上升，氢扩散加速，电池组内阻减少，从而提高电池效率，但是，较高的温度会加快化学反应，事实上也加速有害反应速率，对电池结构产生永久损坏，同时，高温易损坏极板，也易产生过充电现象，严重影响电池的使用寿命。

2.2 电池模块SOC与开路电压关系

静置2h后不同温度下的开路电压（OCV）与荷电状态（SOC）关系如图3所示，每个温度状态下充电中期OCV与SOC间的对应关系均不明显，无法采用开路电压法估算SOC值。MH／Ni电池在充电初期和末期OCV与SOC间的线性度较好［8］，图3中有体现。为了使整车有良好的性能，控制电池工作时的SOC范围为40%～70%，而在此范围之外的高、低荷电态下将不启用电池。因此根据图3结果，采用Ah计量法能得到较精确的SOC值。

图3 电池模块开路电压与SOC关系图

2.3 电池模块大电流下的充放电效率

混合动力汽车行驶过程中的能量循环必须经过充电—放电—充电，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。在上坡或重负荷时，发动机和ISG电机同时工作，发出最大功率，要求动力电池具有较大电流放电的能力。100A大电流下的充放电效率，如图4所示，100A大电流放电效率在20～40℃时能保持在60%以上，可以很好地辅助发动机工作。在刹车和减速时，将制动产生的动能、热能转化成电能，从而实现能量的回收。混合动力汽车的能量回收效果主要取决于电池的快速充电性能，充电效率影响着能量回收效率。如图4中100A大电流充电效率20～40℃间能达到80%以上。然而，在55℃下充放电效率都很低，高温下整车节能效果比较差。

图4 不同温度不同倍率下的充放电效率

SOC也是影响电池充放电性能的因素之一［9］，电池组在较高荷电态下的充电性能、较低SOC下的大电流放电性能决定了电池组的能量效率，不同温度和电流下的充放电曲线如图5所示。

图5 不同温度和电流下的充放电曲线

从图5a可看出，80%SOC状态下在－20～50℃范围内，最高以68A电流充电，电压上限仍可达到电机的上限保护电压。而图5b表明，在40%SOC状态，－20～50℃范围内最高以158A大电流放电，电池模块的电压仍未达到下限保护电压，表明电池模块完全可以实现大电流快速充电、放电，满足整车能量回馈、功率补偿要求。

3 结论

电池性能的优劣直接影响混合动力汽车的整车功能。实验结果表明，研发的6A·h MH／Ni动力电池单体具有良好的一致性、高低温性能以及较高的大电流充放电效率。由于电池本身电极过程的速率控制步骤受温度影响较大，尤其是在低温条件下，电极过程氢原子的扩散系数很低，因此电池低温性能相对较差。总体的分析结果表明，电池的性能可以满足整车自动启停、功率补偿和制动能量回收功能。

［1］徐 阳，吴 森.发展混合动力技术推动电动汽车产业化进程［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2005，27（3）：56－59.

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［3］赵家宏，邢志勇，李相哲，等.用于电动车的新型高能动力镍氢电池研发［J］.能源研究与利用，2005（3）：1－2，10.

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