混合动力汽车动力电池技术发展趋势研究及展望

伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

从20世纪早期开始，电池作为车载能量储存和转换装置得以应用，其首次应用是在电动汽车领域。1911年，Charles Kettering发明了电动起动机，并于1912年首次应用于凯迪拉克[1]。通过电力驱动的起动机为车载电气系统带来了额外的负载——为了下次顺利起动发电机必须给电池充电。增加一个发电机维持了内燃机汽车使用便捷的优点[2-3]，而与纯电动汽车不同，内燃机汽车用电池设备无需在外部电源下充电达若干小时。

现在，约有80%的铅酸电池应用于汽车的起动、照明和点火，因此称为SLI电池。另外，减少排放和提高燃油经济性的要求，使得混合动力汽车（HEV）有了新的市场。通常，对于HEV的定义为由内燃机和电机混合驱动的汽车。该类车辆拥有2套能量系统为车辆提供动力——内燃机和电机。两者的结合对车载动力电池的使用提出了新的技术要求。

1 混合动力汽车动力电池技术及要求

1.1 总体概述

电池是一组电化学单体串联起来以满足一定应用下电压要求的能量存储系统。每个单体的电压取决于其电化学反应。电池中，电流与以g/s计的反应速率是相同的概念。在电池应用过程中，希望电流在外部电流连接完整的瞬间就开始流动，因此所有的放电反应均是自发进行的。另外，反应动力学速度必须足够迅速，以满足所需的电流要求。所有上述过程均需在较小的电压变化范围内完成。电压变化量只有一部分和内阻有关，其余的电压变化量与电流呈非线性关系。

1.2 阀控式蓄电池技术

部分电池在进行过充电时，电解液中水的分解会产生气体。标准的富液型电池布设有释放此类气体的通道。阀控式蓄电池则采用了压力释放阀，使得压力达到极限时可以释放出气体。该阀避免了由于压力过大导致的外壳变形。目前，这一技术应用在阀控式铅酸、镍镉以及镍氢电池中。在这3类电池中，由于过充电从正极产生的氧气在负极处会重新发生化合反应[4]，而这种化合反应类似于在电池负极发生微弱的放电过程，减少了氢气的产生。因此，长时间和严重过充电时，控制阀才被顶开。

1.3 当前对混合动力汽车动力电池的技术要求

由于混合动力汽车电气系统的不断扩展，对电池的需求也发生了显著变化。如今的工业标准包括了对当前采用的12 V电气系统的要求。

（1）性能：汽车起动功率，用于钥匙门关断后用电的能量存储，或者发动机工作时的充电系统问题；

（2）充电条件：充电可接受能力、充电截止电压和温度；

（3）电器接口：电池桩头的尺寸和布置形式；（4）机械接口：外壳尺寸、桩头位置、电气连接的最大转矩、电池固定方式；

（5）环境要求：存放和工作温度范围、振动要求及最大倾斜角度；

（6）由电池化学特性决定的特定测试需求：自放电、气体排放以及阻火器泄放测试。

1.3.1 对混合动力汽车动力电池性能的要求

对任何一种电池的性能要求都可以分为2种类型：最高功率要求和最大能量要求[5-7]。通常，对内燃机汽车电池的最大功率要求出现在发动机冷起动时。该情况下，发动机润滑油粘度较高，需克服发动机的惯性，且发动机的工作温度与理想设计温度相差甚远，而电池情况也不理想。

动力电池是化学设备，在较冷环境下其输出功率将有所减小，因为反应达不到正常温度时的速率。为了使动力电池在低温下能够实现大电流放电，设计中需增加反应物与集流体和电解液的接触面积。该举措意味着需在同一电池单体中放入较多的并联电极。在铅酸电池中，每块极板都做得更薄，但是增加极板的数量，可以在满足电池体尺寸和电压不变的前提下提高动力电池的功率容量[8]。

能量存储要求是指在汽车停止且发动机不工作时保证其他电器负载正常工作的能力，即在发动机不工作时支持负载所需的能量。能量存储要求也指在充电系统无法正常工作时维持发动机运转时间的长短，也是SAE最初提出保有容量技术要求的初衷。从该要求提出以来，汽车领域逐步采用了电子燃油喷射系统、电动燃油泵、高能点火系统、后窗除雾装置以及其他一些设备，而上述代表当前先进技术的设备在标准制订之时尚未问世。

1.3.2 混合动力汽车动力电池的充电需求

在不采用DC/DC变换器时，电池充电电压等于系统总线电压。系统总线电压的上限由白炽灯灯丝的要求和汽车上各种电子设备的供电要求决定。电池的电压要求则取决于电池的荷电状态、电池化学特性、串联的单体数目以及温度。通常，给动力电池充电时需要接外部电源。当充电电流流过时，电池的电压超过其开路电压，使电池反应反向进行，放电反应的产物返回其原来的荷电状态。每一种化学电池都有其对应的开路电压范围，该范围与温度及电解液物质的量浓度密切相关。可通过每个单体电压在1～4 V的电池组为所需的负载供电，同时能在电气系统允许的电压下为其充电。由于动力电池与汽车电气系统的协同发展，目前该系统运作良好。

1.3.3 电池桩头标准

电池桩头是电池与电气系统其他部分的接口，理想的电池桩头具有以下特征：低电阻；温度变化及振动时保持紧固；可以无损地连接和断开，以便进行电池和电缆的更换；负极易于辨认。现行的工业标准尚未覆盖诸如线控系统、排放处理设备等应用领域，因为上述系统尚未发展到可以将其要求标准化的程度。但是，未来对电池的要求，它的方向逐渐变得清晰。

2 未来混合动力汽车动力电池技术发展趋势展望

2.1 混合动力汽车动力电池当前技术的发展现状

当前采用的12 V电气系统在过去数十年飞速发展，其中近20年内的技术提升尤为明显。如今的电气系统已经接近12 V系统的峰值功率极限。而降低排放、提高燃油经济性、提高安全性、增加舒适性和方便性等对功率的全新需求，使得汽车工业开始重新考虑车载系统电压的问题。

世界范围内，诸多科研机构都意图推动汽车制造商、供应商和汽车界的专家开始制订全新的汽车电器标准，目前已得出可使用42 V标称总线电压的研究结果，因为其已经接近人体所能承受的最高电压值。当考虑到电压的波动及低温环境下的电池充电要求时，达到了美国保险商实验室（Underuriters Laboratories，UL）以及其他实验室给出的电压极限。当上述要求包括更大的驱动负载时，功率和电压会进一步增加。

该电流极限是一项重要参数，与电流极限和功率脉冲的持续时间可一定程度上决定单个电池单体的尺寸和重量。在既定电压下随着功率和持续时间的增加，电池的尺寸也相应增加。而采用高电压参数的HEV系统中，出现了使用新型化学电池系统的趋势——镍氢电池和锂离子电池。

目前，对HEV电池的另一项技术要求是较高的充电接受能力。对汽车的燃油经济性和排放指标进行标定时，是通过在测功机上使汽车按照规定的速度-时间曲线“行驶”。行驶工况由加速、减速、匀速和停车构成。HEV上应用制动能量回收，以提高汽车的整体效率。由于汽车的质量相对较大，减速过程中可提供的充电功率可能超出电池的接受能力。在该条件下，电池会达到极限充电电流而产生气体（铅酸和镍电池体系）或者达到截止电压（锂离子电池体系）。如果充电接受能力相应增加，对电池造成的额外压力可减小。

2.2 动力电池与超级电容器的组合技术

如果电池既需要提供较长时间的存储能量，又需要为发动机的起动或车辆起步提供短时间内的脉冲功率，则电池的设计需采用折中的解决方案。在每个电池单体中均需采用更多的电极以增加总表面积。以此增加的电流分布在较大的电极面积上，可保持电池电压降满足系统要求。如果功率需求可由其他设备提供，电池可以使用更厚重的电极，在低倍率下达到能量存储要求的同时获得更好的耐久性。

一种比较理想的方法是由超级电容器提供脉冲功率，电池仅提供能量存储。超级电容器可以在较低的倍率下再充电，为下一次功率输出做准备，或者利用制动能量回收充电。通过超级电容器充电后，电池可以在一个较宽的电池荷电状态（SOC）范围内工作，因为起动所需的功率已经存储在超级电容器中。

将电池和超级电容器结合使用，必然需要较为复杂的充电系统，因为电池和超级电容器的充、放电特性有着显著区别，所以其充电截止电压差别较大。因此，可能需要某种DC/DC变换器或者是开关器件对同一直流总线上的2个设备进行控制。

2.3 动力电池监测与充电控制技术

HEV及纯电动汽车等新能源车型通常需要采用动力电池检测与充电控制技术。在该类车型上，并非只有停车状态才需要起动发动机或提供驱动功率，而是在汽车行驶过程中也需要动力电池提供此类功率输出。在过去的10～15年，相关领域的研究工作已得以大幅增加。通常而言，仅能通过测量4种物理量来反映电池的状态——电压、电流、温度和时间。其他的一些性能，如功率、能量、荷电状态和功率能力等，是从测量的数据和动力电池设计模型推算得到的。动力电池的充电控制方法是根据电池承受过充电的能力来决定的。而水基化学电池如铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池存在析气效应，因此能够接受一定程度的过充电。此外，锂离子电池则完全不能被过充电，其电池单体必须布设有独立的充电控制电路，在电池充满电后切断充电电流。

对动力电池的监测可采用不同的技术实现。传统的方法包括有开路电压法或者安时积分法。最近，一些基于交流阻抗或导纳的方法被用于表征电池的荷电状态或者健康状态。电池的荷电状态表示为电池中剩余电量与电池满充下电量的百分比[9]。动力电池的健康状态则无法用纯数学方法来阐述，其定义是指动力电池的设计寿命还能延续多长时间或者电池还有多长时间需进行更换。所需的电池模型依赖于具体的电池设计。如果所更换的动力电池与原始电池的设计方式存在差异，软件的精度就会有所降低。

而在充电过程接近尾声时，继续充电电流使电池电压达到充电设备设定的截止电压。由于电池是由一组电池单体串联组成的，各电池单体的电流相同但电压会有所不同，因此电池单体会在不同时间达到其截止电压。在水基化学体系中，过充电的单体会分解电解液而析出气体。对锂离子电池单体而言，则不允许出现过充电现象。

3 结论与展望

就当前局势而言，世界范围内的HEV产业仍在不断发展。现在或者不久的将来，HEV会逐渐过渡至包括乘用车、货车和城市客车在内的诸多车型种类。不可否认，动力电池是影响其发展与推广的关键技术之一，很大程度上决定着HEV的性能和使用寿命。随着HEV技术的完善与优化，其作为一类为日常出行提供多样化的交通工具，可充分实现节能环保的重要功效。