混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究及展望

介紹混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池的相關(guān)技術(shù)要求, 重點(diǎn)展望其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。動(dòng)力電池是制約混合動(dòng)力汽車未來(lái)技術(shù)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化推廣的重要因素之一, 對(duì)其性能及使用壽命有著重要影響。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化與完善, 混合動(dòng)力汽車會(huì)為人類的日常生活增添更多樣化的出行方式。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;動(dòng)力電池;蓄電池;超級(jí)電容器;內(nèi)燃機(jī);

作者簡(jiǎn)介：伍賽特 (1990-) , 男, 湖南邵陽(yáng)人, 工學(xué)碩士, 主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置。;

收稿日期：2019-04-20

The related technical requirements of hybrid electric vehicle power battery are introduced, and the future development trend of hybrid electric vehicle power battery is forecasted emphatically. Power battery is one of the important factors that restrict the future development of hybrid electric vehicle technology and realize large-scale commercialization.It has an important impact on its performance and service life. With the continuous optimization and improvement of related technologies, hybrid electric vehicles will add more diversified travel modes to human daily life.

hybrid electric vehicle; power battery; accumulator; supercapacitor; internal combustion engine;

Received： 2019-04-20

從20世紀(jì)早期開(kāi)始，電池作為車載能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換裝置得以應(yīng)用，其首次應(yīng)用是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域。1911年，Charles Kettering發(fā)明了電動(dòng)起動(dòng)機(jī)，并于1912年首次應(yīng)用于凱迪拉克^[1]。通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的起動(dòng)機(jī)為車載電氣系統(tǒng)帶來(lái)了額外的負(fù)載——為了下次順利起動(dòng)發(fā)電機(jī)必須給電池充電。增加一個(gè)發(fā)電機(jī)維持了內(nèi)燃機(jī)汽車使用便捷的優(yōu)點(diǎn)^[2,3]，而與純電動(dòng)汽車不同，內(nèi)燃機(jī)汽車用電池設(shè)備無(wú)需在外部電源下充電達(dá)若干小時(shí)。

現(xiàn)在，約有80%的鉛酸電池應(yīng)用于汽車的起動(dòng)、照明和點(diǎn)火，因此稱為SLI電池。另外，減少排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，使得混合動(dòng)力汽車（HEV）有了新的市場(chǎng)。通常，對(duì)于HEV的定義為由內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的汽車。該類車輛擁有2套能量系統(tǒng)為車輛提供動(dòng)力——內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)。兩者的結(jié)合對(duì)車載動(dòng)力電池的使用提出了新的技術(shù)要求。

電池是一組電化學(xué)單體串聯(lián)起來(lái)以滿足一定應(yīng)用下電壓要求的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。每個(gè)單體的電壓取決于其電化學(xué)反應(yīng)。電池中，電流與以g/s計(jì)的反應(yīng)速率是相同的概念。在電池應(yīng)用過(guò)程中，希望電流在外部電流連接完整的瞬間就開(kāi)始流動(dòng)，因此所有的放電反應(yīng)均是自發(fā)進(jìn)行的。另外，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速度必須足夠迅速，以滿足所需的電流要求。所有上述過(guò)程均需在較小的電壓變化范圍內(nèi)完成。電壓變化量只有一部分和內(nèi)阻有關(guān)，其余的電壓變化量與電流呈非線性關(guān)系。

部分電池在進(jìn)行過(guò)充電時(shí)，電解液中水的分解會(huì)產(chǎn)生氣體。標(biāo)準(zhǔn)的富液型電池布設(shè)有釋放此類氣體的通道。閥控式蓄電池則采用了壓力釋放閥，使得壓力達(dá)到極限時(shí)可以釋放出氣體。該閥避免了由于壓力過(guò)大導(dǎo)致的外殼變形。目前，這一技術(shù)應(yīng)用在閥控式鉛酸、鎳鎘以及鎳氫電池中。在這3類電池中，由于過(guò)充電從正極產(chǎn)生的氧氣在負(fù)極處會(huì)重新發(fā)生化合反應(yīng)^[4]，而這種化合反應(yīng)類似于在電池負(fù)極發(fā)生微弱的放電過(guò)程，減少了氫氣的產(chǎn)生。因此，長(zhǎng)時(shí)間和嚴(yán)重過(guò)充電時(shí)，控制閥才被頂開(kāi)。

由于混合動(dòng)力汽車電氣系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，對(duì)電池的需求也發(fā)生了顯著變化。如今的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括了對(duì)當(dāng)前采用的12 V電氣系統(tǒng)的要求。

(1）性能：汽車起動(dòng)功率，用于鑰匙門關(guān)斷后用電的能量存儲(chǔ)，或者發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的充電系統(tǒng)問(wèn)題；

(2）充電條件：充電可接受能力、充電截止電壓和溫度；

(3）電器接口：電池樁頭的尺寸和布置形式；

(4）機(jī)械接口：外殼尺寸、樁頭位置、電氣連接的最大轉(zhuǎn)矩、電池固定方式；

(5）環(huán)境要求：存放和工作溫度范圍、振動(dòng)要求及最大傾斜角度；

(6）由電池化學(xué)特性決定的特定測(cè)試需求：自放電、氣體排放以及阻火器泄放測(cè)試。

對(duì)任何一種電池的性能要求都可以分為2種類型：最高功率要求和最大能量要求^[5,6,7]。通常，對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車電池的最大功率要求出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)。該情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油粘度較高，需克服發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性，且發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度與理想設(shè)計(jì)溫度相差甚遠(yuǎn)，而電池情況也不理想。

動(dòng)力電池是化學(xué)設(shè)備，在較冷環(huán)境下其輸出功率將有所減小，因?yàn)榉磻?yīng)達(dá)不到正常溫度時(shí)的速率。為了使動(dòng)力電池在低溫下能夠?qū)崿F(xiàn)大電流放電，設(shè)計(jì)中需增加反應(yīng)物與集流體和電解液的接觸面積。該舉措意味著需在同一電池單體中放入較多的并聯(lián)電極。在鉛酸電池中，每塊極板都做得更薄，但是增加極板的數(shù)量，可以在滿足電池體尺寸和電壓不變的前提下提高動(dòng)力電池的功率容量^[8]。

能量存儲(chǔ)要求是指在汽車停止且發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)保證其他電器負(fù)載正常工作的能力，即在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)支持負(fù)載所需的能量。能量存儲(chǔ)要求也指在充電系統(tǒng)無(wú)法正常工作時(shí)維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短，也是SAE最初提出保有容量技術(shù)要求的初衷。從該要求提出以來(lái)，汽車領(lǐng)域逐步采用了電子燃油噴射系統(tǒng)、電動(dòng)燃油泵、高能點(diǎn)火系統(tǒng)、后窗除霧裝置以及其他一些設(shè)備，而上述代表當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)的設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)制訂之時(shí)尚未問(wèn)世。

在不采用DC/DC變換器時(shí)，電池充電電壓等于系統(tǒng)總線電壓。系統(tǒng)總線電壓的上限由白熾燈燈絲的要求和汽車上各種電子設(shè)備的供電要求決定。電池的電壓要求則取決于電池的荷電狀態(tài)、電池化學(xué)特性、串聯(lián)的單體數(shù)目以及溫度。通常，給動(dòng)力電池充電時(shí)需要接外部電源。當(dāng)充電電流流過(guò)時(shí)，電池的電壓超過(guò)其開(kāi)路電壓，使電池反應(yīng)反向進(jìn)行，放電反應(yīng)的產(chǎn)物返回其原來(lái)的荷電狀態(tài)。每一種化學(xué)電池都有其對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓范圍，該范圍與溫度及電解液物質(zhì)的量濃度密切相關(guān)?？赏ㄟ^(guò)每個(gè)單體電壓在1～4 V的電池組為所需的負(fù)載供電，同時(shí)能在電氣系統(tǒng)允許的電壓下為其充電。由于動(dòng)力電池與汽車電氣系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展，目前該系統(tǒng)運(yùn)作良好。

電池樁頭是電池與電氣系統(tǒng)其他部分的接口，理想的電池樁頭具有以下特征：低電阻；溫度變化及振動(dòng)時(shí)保持緊固；可以無(wú)損地連接和斷開(kāi)，以便進(jìn)行電池和電纜的更換；負(fù)極易于辨認(rèn)?，F(xiàn)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未覆蓋諸如線控系統(tǒng)、排放處理設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樯鲜鱿到y(tǒng)尚未發(fā)展到可以將其要求標(biāo)準(zhǔn)化的程度。但是，未來(lái)對(duì)電池的要求，它的方向逐漸變得清晰。

當(dāng)前采用的12 V電氣系統(tǒng)在過(guò)去數(shù)十年飛速發(fā)展，其中近20年內(nèi)的技術(shù)提升尤為明顯。如今的電氣系統(tǒng)已經(jīng)接近12 V系統(tǒng)的峰值功率極限。而降低排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性、提高安全性、增加舒適性和方便性等對(duì)功率的全新需求，使得汽車工業(yè)開(kāi)始重新考慮車載系統(tǒng)電壓的問(wèn)題。

世界范圍內(nèi)，諸多科研機(jī)構(gòu)都意圖推動(dòng)汽車制造商、供應(yīng)商和汽車界的專家開(kāi)始制訂全新的汽車電器標(biāo)準(zhǔn)，目前已得出可使用42 V標(biāo)稱總線電壓的研究結(jié)果，因?yàn)槠湟呀?jīng)接近人體所能承受的最高電壓值。當(dāng)考慮到電壓的波動(dòng)及低溫環(huán)境下的電池充電要求時(shí)，達(dá)到了美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（Underuriters Laboratories, UL）以及其他實(shí)驗(yàn)室給出的電壓極限。當(dāng)上述要求包括更大的驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，功率和電壓會(huì)進(jìn)一步增加。

該電流極限是一項(xiàng)重要參數(shù)，與電流極限和功率脈沖的持續(xù)時(shí)間可一定程度上決定單個(gè)電池單體的尺寸和重量。在既定電壓下隨著功率和持續(xù)時(shí)間的增加，電池的尺寸也相應(yīng)增加。而采用高電壓參數(shù)的HEV系統(tǒng)中，出現(xiàn)了使用新型化學(xué)電池系統(tǒng)的趨勢(shì)——鎳氫電池和鋰離子電池。

目前，對(duì)HEV電池的另一項(xiàng)技術(shù)要求是較高的充電接受能力。對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，是通過(guò)在測(cè)功機(jī)上使汽車按照規(guī)定的速度-時(shí)間曲線“行駛”。行駛工況由加速、減速、勻速和停車構(gòu)成。HEV上應(yīng)用制動(dòng)能量回收，以提高汽車的整體效率。由于汽車的質(zhì)量相對(duì)較大，減速過(guò)程中可提供的充電功率可能超出電池的接受能力。在該條件下，電池會(huì)達(dá)到極限充電電流而產(chǎn)生氣體（鉛酸和鎳電池體系）或者達(dá)到截止電壓（鋰離子電池體系）。如果充電接受能力相應(yīng)增加，對(duì)電池造成的額外壓力可減小。

如果電池既需要提供較長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)能量，又需要為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)或車輛起步提供短時(shí)間內(nèi)的脈沖功率，則電池的設(shè)計(jì)需采用折中的解決方案。在每個(gè)電池單體中均需采用更多的電極以增加總表面積。以此增加的電流分布在較大的電極面積上，可保持電池電壓降滿足系統(tǒng)要求。如果功率需求可由其他設(shè)備提供，電池可以使用更厚重的電極，在低倍率下達(dá)到能量存儲(chǔ)要求的同時(shí)獲得更好的耐久性。

一種比較理想的方法是由超級(jí)電容器提供脈沖功率，電池僅提供能量存儲(chǔ)。超級(jí)電容器可以在較低的倍率下再充電，為下一次功率輸出做準(zhǔn)備，或者利用制動(dòng)能量回收充電。通過(guò)超級(jí)電容器充電后，電池可以在一個(gè)較寬的電池荷電狀態(tài)（SOC）范圍內(nèi)工作，因?yàn)槠饎?dòng)所需的功率已經(jīng)存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。

將電池和超級(jí)電容器結(jié)合使用，必然需要較為復(fù)雜的充電系統(tǒng)，因?yàn)殡姵睾统?jí)電容器的充、放電特性有著顯著區(qū)別，所以其充電截止電壓差別較大。因此，可能需要某種DC/DC變換器或者是開(kāi)關(guān)器件對(duì)同一直流總線上的2個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。

HEV及純電動(dòng)汽車等新能源車型通常需要采用動(dòng)力電池檢測(cè)與充電控制技術(shù)。在該類車型上，并非只有停車狀態(tài)才需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或提供驅(qū)動(dòng)功率，而是在汽車行駛過(guò)程中也需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁┐祟惞β瘦敵?。在過(guò)去的10～15年，相關(guān)領(lǐng)域的研究工作已得以大幅增加。通常而言，僅能通過(guò)測(cè)量4種物理量來(lái)反映電池的狀態(tài)——電壓、電流、溫度和時(shí)間。其他的一些性能，如功率、能量、荷電狀態(tài)和功率能力等，是從測(cè)量的數(shù)據(jù)和動(dòng)力電池設(shè)計(jì)模型推算得到的。動(dòng)力電池的充電控制方法是根據(jù)電池承受過(guò)充電的能力來(lái)決定的。而水基化學(xué)電池如鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池存在析氣效應(yīng)，因此能夠接受一定程度的過(guò)充電。此外，鋰離子電池則完全不能被過(guò)充電，其電池單體必須布設(shè)有獨(dú)立的充電控制電路，在電池充滿電后切斷充電電流。

對(duì)動(dòng)力電池的監(jiān)測(cè)可采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的方法包括有開(kāi)路電壓法或者安時(shí)積分法。最近，一些基于交流阻抗或?qū)Ъ{的方法被用于表征電池的荷電狀態(tài)或者健康狀態(tài)。電池的荷電狀態(tài)表示為電池中剩余電量與電池滿充下電量的百分比^[9]。動(dòng)力電池的健康狀態(tài)則無(wú)法用純數(shù)學(xué)方法來(lái)闡述，其定義是指動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)壽命還能延續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間或者電池還有多長(zhǎng)時(shí)間需進(jìn)行更換。所需的電池模型依賴于具體的電池設(shè)計(jì)。如果所更換的動(dòng)力電池與原始電池的設(shè)計(jì)方式存在差異，軟件的精度就會(huì)有所降低。

而在充電過(guò)程接近尾聲時(shí)，繼續(xù)充電電流使電池電壓達(dá)到充電設(shè)備設(shè)定的截止電壓。由于電池是由一組電池單體串聯(lián)組成的，各電池單體的電流相同但電壓會(huì)有所不同，因此電池單體會(huì)在不同時(shí)間達(dá)到其截止電壓。在水基化學(xué)體系中，過(guò)充電的單體會(huì)分解電解液而析出氣體。對(duì)鋰離子電池單體而言，則不允許出現(xiàn)過(guò)充電現(xiàn)象。

就當(dāng)前局勢(shì)而言，世界范圍內(nèi)的HEV產(chǎn)業(yè)仍在不斷發(fā)展?，F(xiàn)在或者不久的將來(lái)，HEV會(huì)逐漸過(guò)渡至包括乘用車、貨車和城市客車在內(nèi)的諸多車型種類。不可否認(rèn)，動(dòng)力電池是影響其發(fā)展與推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一，很大程度上決定著HEV的性能和使用壽命。隨著HEV技術(shù)的完善與優(yōu)化，其作為一類為日常出行提供多樣化的交通工具，可充分實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要功效。

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