中科院上海微系统-混合电动车用动力MH_Ni电池的研究现状与发展_马丽萍
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收稿日期:2002-06-18作者简介:马丽萍(1976)),女,黑龙江省人,博士研究生,主要研究方向为M H -Ni 电池。
Biography:M A L-i ping (1976)),female,candidate for Ph D.混合电动车用动力MH -Ni 电池的研究现状与发展马丽萍, 夏保佳(中国科学院上海微系统与信息技术研究所能源室,上海200050)摘要:综述了混合电动车(HEV)用MH -N i 电池的发展状况及技术水平。
MH -N i 电池因具有较好的安全性、高功率、长寿命及宽使用温度范围等优点,成为HEV 很有希望的辅助动力电源。
其动力性能基本上达到了美国能源部和新生代汽车联合体(DOE/P NGV )制定的要求。
对影响动力MH -N i 电池组实际应用的关键问题如比功率特性、电池存储性能、电池组合设计、电池组热管理和内压管理等进行了阐述。
同时讨论了MH -N i 电池荷电状态(State of Charge)的计算以及电池组性能测试方法。
关键词:混合电动车;MH -N i 电池;比功率;荷电状态中图分类号:T M 912.2 文献标识码:A 文章编号:1002-087X(2003)增-0245-05State -o-f art of R &D of power N -i MH battery for hybrid electric vehicleMA L-i ping , XIA Bao -jia(Department of Energy,S hanghai I nstitu te of M icrosystem &I nf or mation Technology,Chinese Academy o f Sciences,Sha nghai 200050,China)Abstract :The state -o-f art of development and performance level of N-i MH battery for hybrid electric vehicle (HEV)are review ed.N-i MH battery is the prom ising power battery for HEV due to its reliable security ,hig hpow er level,long life and w ide operating tem perature rang e.Its performance is basically meets the pow er spec-i fication established by DOE/PNGV (the US Department of Energ y/the Partnership for a New Generation of Vehicle).The key issues concerning the applications of N-i MH battery pack,such as specific energ y characteris -tic ,storage performance,structure design,thermal management and internal pressure management are con -sidered.T he methods for calculating the state of charge (SOC)of N-i MH battery and testing the perform ance of battery pack are also discussed.Key words:hybrid electric vehicle (H EV);N-i MH battery ;pow er density;state of charge (SOC)由于全世界保护环境、节约能源的呼声日益高涨,促使人们高度重视电动车及其相关技术的发展。
目前发达国家如美国、德国、日本、法国等相继投入大量的财力物力来开发电动车。
我国属于石油资源缺乏的国家并且污染状况严重,因此进入20世纪90年代以来我国也加入大力发展电动车的行列[1,2]。
目前纯电动车和混合电动车的研发均被列为国家863重大专项的优先开发项目,其中混合电动车是发展重点。
1 混合电动车的特点自从有了电池就有人提出了电动车。
但只是到了近十年间这场波及全球范围的电动车热才使电动车的发展以一种新的姿态、新的概念展开。
从世界电动汽车的发展状况看,目前的研究主要集中在电池电动车(BEV ),又称纯电池电动车(PEV)、混合电动车(H EV )、燃料电池电动车(FCEV)等[3]。
电池电动车是指以车载蓄电池提供动力的电动车。
也称为零排放电动车(ZEV),是一种运行中完全不消耗石油和不污染环境的绿色车型。
但由于电池有限的储能不能满足长距离行驶的需要,社会又缺乏配套的充电基础设备,所用电池容量大、成本高使得电动汽车造价太高不利于大力推广。
燃料电池有许多种类,人们认为用于电动车最现实和最具发展前景的是质子交换膜燃料电池(PEM FC)。
但是燃料电池的制造成本比较高,如阴阳极催化材料、质子交换膜和双流板等。
其次,氢源也是制约燃料电池应用于电动车的一大难点,采用高压钢瓶太重且不安全;采用稀土贮氢金属材料较贵,比特性也有待提高;甲醇直接氧化使系统更为复杂,且单体电池电压较低。
因此低价、安全、能大量吸收并快速释放氢气的新材料和无铂催化剂是目前研究的两个热点。
另外纯氢燃料电池电动车还面临一个根本的制约因素就是缺乏氢气制备和灌充的基础设施。
这些因素说明这种电动车的发展和实用化尚有许多工作要做。
从2000年10月13日~18日在加拿大的蒙特利尔市召开1.燃油汽车ICV;2.混合电动车(内燃机+蓄电池)HEV(IC+batteries);3.混合电动车(燃料电池+蓄电池)HEV(FC+batteries);4.纯电动车PEV图1电动汽车的发展趋势Fig.1Devel oping trend of the electric vehicle 的第17届国际电动车研讨会的情况看[2],非零排放的混合电动车既可以提高燃油经济效益,降低废气排放,保持适中车辆价位,又不须要从市电网充电,普及这种车不需要巨额的投资建设庞大的充电网站,也不用等候充电,是目前最经济实用且易于推广的车型[4,5]。
混合电动车的动力系统中同时含有电池组和内燃机,它兼有电池电动车和内燃机汽车两者的优点[6~8]。
目前就混合电动车的设计模式来说有串联式(Slow r esponse or dua-l mode or pseudo-EV)和并联式(Fast response or power-assist)两种。
串联式混合电动车的设计思路是采用一台小功率燃油发动机带动一台发电机给电池充电,电池再将电力输出到一台与驱动轮相连的马达上转化为机械动力推动车辆。
串联式混合动力的设计可以使车辆采用两种方式运行,一是纯电动车的方式,即发动机停止工作,车辆所需的全部动力由电池组向马达输出电力而获得;二是混合动力方式,即发动机-发电机系统和电池组同时向马达输出电流,使马达的输出功率达到最大。
并联式混合电动车的基本设计思路是以燃油发动机为主,以电池/马达系统的动力为辅。
即采用一台小型的燃油发动机作为车辆的主动力源,控制发动机恒速工作在最佳工作状态,使燃油得到充分的燃烧,以降低废气中有害气体的排放量。
使用再生刹车系统还可将刹车时的机械能转化为电能对电池充电。
汽车在这种情况下运行可使废气的排放量大大降低,而能源的利用率大大提高。
随着技术的进步,混合电动车的成本将不断降低;和普通汽车相比,耗油量、排放物的大大减少会使得混合电动车被更多的消费者接受,估计在今后10a、20a或更长的时间内将会作为电动车中的畅销品种而流行。
图1为日本权威机构预测的在未来几十年内各种电动汽车的发展趋势。
由图可看出在2015年前汽车中电动车的份额将迅速上升,其中混合电动车的份额将越来越大。
2混合电动车用MH-N i电池的发展世界各国对HEV所用化学电源进行了较深入的研究,主要集中在高功率充放电、长寿命和安全性等方面。
同时还要求化学电源不污染环境、充电操作方便、电源内阻小、自放电率低、耐振性好、对环境温度变化不敏感、易于调整和维护等[9]。
目前世界各国已开发出铅酸、镉镍、金属氢化物镍(MH-N i)、锂离子(聚合物锂离子)和燃料电池等多种化学电源。
其主要性能见表1。
从比容量、比功率、安全性、环境友好性等方面来看,M H-N i电池是最有希望的候选者。
根据目前M H-Ni电池的技术发展水平,它也是HEV用化学电源在近一阶段的最佳选择。
M H-N i电池的充放电可看作氢在正负极之间的转移,电解液无增减现象,电池可以实现密封设计。
M H-Ni电池比镍镉电池具有更高的比能量,高功率的M H-Ni电池的比功率可达到900 W/kg(瞬时脉冲放电功率),比能量可达95Wh/kg以上;而循环寿命长,全充放电可达1000次(80%DOD)、浅充放电5~10万次(40%DOD),工作环境温度范围为-30~+55e;耐过充放。
目前日本的丰田公司、本田公司和美国的通用汽车公司、福特汽车公司等生产的混合电动车所用的辅助动力系统均为M H-N i电池组(均在第17届国际电动车研讨会上展出)。
因此大力发展H EV用M H-Ni电池是有战略意义的[10~12]。
表1HEV用可充电池的性能比较Tab.1Comparison of performanceof rechargeable batteri es for H EV铅酸Lead-acid Cd-Ni M H-Ni锂离子L-i ion PEM FC 比能量Energy densityp u u-w w w比功率Pow er densi tyu-w u-w u-w w w循环寿命Cycle lifes-p w w u)安全性S afetyu u u s?可靠性Reliabilityu u u??价格Priceu s-p s-p s s材料再生性Resourcesw w p-u s-p s-u注:w优秀Superior;u好Good;p可以接受Acceptable;s许多问题有待解决M any problems to be s olved;?尚不明确Amb-i guity.根据混合电动车的不同动力模式,对蓄电池的性能有不同的要求。
在串联模式下电池的功率和容量设计得都较大;而在并联模式下电池要求有更高的输出功率,而容量并不是主要的目标。
