新能源汽车
混合动力汽车车用镍氢动力电池分析
徐顺余 高海鸥 邱国茂 高雪峰 (上汽股份汽车工程研究院)【摘要】 根据混合动力汽车对动力电池的要求,动力电池的发展现状和趋势,分析了镍氢动力电池的技术特点、性能,介绍了国内外镍氢动力电池生产企业的情况。【主题词】 电池 汽车 混合动力
0 引言随着人类环保意识的不断增强,石油资源逐年减少,油价逐步攀升,降低汽车污染和节约能源已成为世界各国政府面临的严峻问题。蓄电池技术和氢气的制取、运输、储存、成本等严重制约了电动汽车和燃料电池汽车的发展,因而混合动力汽车应运而生。在混合动力汽车中,由于采用了高功率的能源储存装置(蓄电池、超级电容等)能向汽车提供瞬时的能量而可减小发动机尺寸,提高效率,降低排放和燃油消耗,且可在进行制动和减速时回收能量。铅酸电池质量重,不能快充深放,循环寿命短;锂离子电池具有大电流性能差,价格高和安全性问题,目前还不适于混合动力汽车的发展。镍氢电池具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点,广泛应用在混合动力汽车上。1 混合动力汽车对动力电池的要求及其主要指标
1.1 对动力电池的要求动力电池一般指具有较高的容量和输出功率能力,可用作电动车辆驱动电源的两次电池。一般情况下,混合动力汽车车用动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中,电压、
收稿日期:2005-11-22电流可能有较大的变化。针对这种使用特点,混合动力系统对电池有以下特别要求:(1)大功率充放电能力:质量比功率和体积比功率是衡量蓄电池快速充放电能力的指标,相对于比能量要求,混合动力汽车对比功率要求更高。(2)充放电效率:动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环,高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。(3)相对稳定性:动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定,使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。1.2 车用动力电池的主要指标评价混合动力汽车车用动力电池技术的指标主要有以下几点:(1)质量比功率(W/kg):电池的质量比功率代表每千克质量的电池能提供的功率。它的大小决定电池所能输出的最大功率,标志着汽车的加速性能和最高车速,对电动汽车的动力性能等有直接影响。在混合动力汽车中,电池的比功率是最关键的因素,因为电池的电耗尽后可以在内燃机工况下重新进行充电。(2)质量比能量(Wh/kg):标志着纯电动模式下的续驶能力。(3)循环次数:动力电池的工作是一个不断充电-放电-充电-放电的循环过程,每充电和
・7・ 上海汽车 2006102新能源汽车放电一次,动力电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应。随着充电和放电次数的增加,动力电池中的化学活性物质会发生老化,逐渐削弱其化学功能,降低动力电池的充电和放电的效率,最后部分或完全丧失其充电和放电功能。动力电池的工作循环次数是衡量动力电池寿命的重要指标,对动力电池的使用有直接影响。(4)成本:电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关,目前新开发的高比功率的动力电池成本较高。2 镍氢动力电池的特点目前,世界上已开发的主要动力蓄电池性能如表1所示。表1 当前混合动力汽车车用动力电池性能比较电池型号质量比能量(Wh/kg)质量比功率(W/kg)循环次数(次)铅酸电池33130400～500镍镉电池45>500500混合电动车用镍氢电池40～60550～1350>1000锂离子电池100>1300>1000
镍氢电池的正极采用金属氢氧化镍,负极使用锡氢合金。镍氢动力电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅酸电池相比,镍氢电池具有比能量高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点;与镍镉电池相比,其比能量是镍镉电池的两倍。另一大优点就是镍氢电池不含有镉、铅这类有毒金属,其中一些金属还有较高的回收价值,可称为绿色能源。镍氢电池的主要特点:(1)质量比功率高:目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350Wh/kg。(2)循环次数多:目前应用在电动车上的镍氢动力电池,80%放电深度(DOD)循环可以达1000次以上,为铅酸电池的3倍以上。100%DOD循环寿命也在500次以上。在混合动力汽车中可使用5年以上。(3)无污染:不含铅、镉等对人体有害的金属,为21世纪“绿色环保电源”。(4)耐过充过放。(5)无记忆效应。(6)使用温度范围宽:正常使用温度范围-30～55℃;贮存温度范围-40～70℃。(7)安全、可靠:短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。3 国外主要的镍氢动力电池生产企业及国内现状
3.1 国外主要镍氢动力电池生产企业(1)松下电能有限公司(PEVE)PEVE(PanasonicEVEnergyCo.,Ltd)是松下和丰田的合资公司。目前采用松下电池的商业化混合动力汽车有丰田的Prius、Alphard、Estima、本田的Civic、Insight等。松下最新的方形电池采用新的电极材料,降低了内阻和内压,使可靠性和寿命得到提高,其主要参数如表2所示,其技术特征:・比功率达到1350W/kg;・采用新的电极材料使内阻显著降低;・采用新的电池联接结构;・寿命有显著的提高;・电池箱尺寸减少15%,重量减少25%。表2 PEVE方形电池的主要参数型号最新的方形模块当前的方形模块名义电压(V)7.27.2名义容量(Ah)6.56.5比功率(W/kg)13501000比能量(Wh/kg)4646重量(g)10401050尺寸(mm)19.6×106×28519.6×106×275(2)CobasysCobasys是ChevronTexacoTechnologyVenture(美国第二大能源公司)和ECD(Energy・8・上海汽车 2006102 新能源汽车ConversionDevices)的合资公司。ECD全资控股Ovonic,Ovonic拥有很多关于镍氢电池方面的专利,全世界生产镍氢电池的企业须得到它的许可才能生产销售。Cobasys不仅只是技术的研发,而且把研发的技术推广到产业化的水平。Cobasys专门为混合动力汽车开发8.8Ah的Series1000电池模块。其基本参数见表3。表3 Series1000电池模块的基本参数特征性能型号Series1000塑料模块容量8.8Ah名义电压12V能量108Wh重量2.4kg功率2.5kW(10s,35℃)尺寸(323×45×87)mm冷却方式液冷(50/50DEX-COOL冷却液/水)(3)VartaVarta是美国江森自控(JCI,JohnsonControlsInc.)控股的企业,江森自控是世界上最大的汽车电池制造商之一,Varta总部在德国汉诺威。该公司为混合动力车用镍氢电池开发的主要产品有圆形模块5.5Ah,8Ah,12Ah;方形模块7Ah,25Ah。其中方形模块优于市场上同类产品:内阻低、质量比功率高(1300W/kg)、质量比能量高、低温性能好。3.2 国内镍氢动力电池研发现状国内镍氢动力电池的主要生产厂家有:春兰(集团)公司、天津和平海湾、中山中炬森莱、神舟科技、沈阳三普。它们经过“863”的积累,技术进步很快,单体电池的技术指标虽然与国外的相差不是很大,但一致性和循环寿命比国外差,特别是集成后各项指标相差较大。国内动力电池研发机构及生产企业还存在资金不足的问题,其原因主要是动力电池还没形成产业,其生产工艺大部分还是手工作业;汽车整车厂对动力电池的要求很高,但需求量不大,两者相互制约。4 结语本文阐述了混合动力汽车对动力电池的要求,动力电池的发展现状和趋势,分析了镍氢动力电池的技术特点、性能并介绍了国内外镍氢动力电池主要生产企业的情况。在目前阶段开发混合动力汽车,动力电池选镍氢电池是比较理想的。随着混合动力汽车市场的逐渐成熟,镍氢电池的价格也会随之下降,镍氢动力电池前景可期。参考文献1 闫康平,陶明大.镍氢电池的现状与发展方向.四川稀土,2003.32 商国华.电动车用第二代电池.世界汽车,1999.73 江静华,蒋建清,马爱斌.金属氢化物-镍(MH-Ni)电池.江苏冶金,1999.44 E.Hansen,L.Wilhelm,N.Karditsas.FullsystemNickel-MetalHydrideBatteryPacksforHybridElectricVehicleApplications,2002IEEE5 张 鹏,孟 进,许 英.镍氢电池的原理及与镍镉电池的比较.国外电子元器件,1997.5AbstractAccordingtothepowerbatteryrequirementsofhybridvehicle,thecurrentsituationandtrendofpowerbattery,thearticleanalyzesthetechnicalcharacterandperformanceofnickel-hydrogenbattery,aswellasthesituationofnickel-hydrogenbatterymanufacturingenterprisesathomeandabroad.
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