混合动力汽车用镍氢电池的现状及发展分析

曹生彪，皇甫益

(内蒙古稀奥科镍氢动力电池有限公司，内蒙古 包头 014030)

混合动力汽车用镍氢电池的现状及发展分析

曹生彪，皇甫益

(内蒙古稀奥科镍氢动力电池有限公司，内蒙古 包头 014030)

阐述了混合动力汽车(HEV)用镍氢电池的现状和发展趋势，分析镍氢动力电池的技术特点、性能，从车用镍氢电池组的规格、尺寸和性能等方面，介绍HEV的情况，最后提出HEV对镍氢电池新的要求。

镍氢电池； 动力电池； 混合动力汽车(HEV)

近年来，新能源汽车产业发展迅速。纯电动汽车目前还在研发阶段，燃料电池汽车是可能的发展目标，而混合动力汽车(HEV)中，丰田公司于1997年已开始销售Prius混合动力汽车[1]。镍氢动力电池具有高容量、大功率、无污染和安全性能好等特点[2-3]，广泛应用于HEV。目前已经上市的HEV中，有85%的以镍氢电池作为电源。

HEV的优点主要有：与燃油汽车相比，HEV可实现节能减排的目的；燃油经济性提高了40%～60%，同时减少各类排放污染物50%～90%[1]；与纯电动汽车相比，HEV发展不受充电桩的影响，实现了能源的回收再利用；不改变驾驶员的驾驶习惯，驾驶员不会存在“不敢开车跑长途”、“车没有电怎么办”之类的顾虑。

本文作者对HEV用镍氢电池的现状进行了详细分析，并预计了发展的趋势。

1 HEV用镍氢电池

镍氢电池的正极活性物质是氢氧化亚镍，负极活性物质是稀土系贮氢合金粉[3]，隔膜是尼龙或经过处理的聚乙烯、聚丙烯材料，电解液是一元或多元强碱。

镍氢电池的比能量较高、技术成熟且价格较低，在低温性能和安全性方面优于锂离子电池(见表1)[4]，在新能源汽车的实际应用中占据着重要地位，至今已有19 a的实际装车运行历史。

表1 HEV用动力电池性能比较

Table 1 Performance comparison of power battery for hybrid electric vehicle(HEV)

电池种类比能量/Wh·kg-1比功率/W·kg-1-40℃低温性能循环次数/次安全性铅酸电池33130差400～500良镍氢电池45～60>1100良>1000良锂离子电池100>1100差>1000差

1.1 镍氢电池在HEV上的优势

混合动力系统对电池有很多要求，在这些要求中，镍氢动力电池都具有一定的优势。

大功率充放电能力：比功率是衡量电池快速充放电能力的指标，相对于比能量，HEV对比功率的要求更高。铅酸电池的比功率较低；锂离子电池在大电流长时间充放电时易发生燃烧、爆炸；镍氢动力电池的比功率较高，且安全性较高。

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”的过程。高的充放电效率对保证整车的效率十分重要。铅酸电池的充放电效率较低；锂离子电池在低温环境下的充放电效率较低；镍氢动力电池充放电效率较高，而且使用温度范围比较宽。

相对稳定性：动力电池应当在快速充放电过程中及充放电变化的工况条件下，保持性能的相对稳定，确保在动力系统使用条件下能达到足够的循环次数。铅酸电池的循环寿命较短；锂离子电池和镍氢动力电池的循环寿命都较长。

安全性：动力电池在短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热和耐振动等条件下进行安全性、可靠性试验，要保证不爆炸、不燃烧。在安全性方面，锂离子电池存在爆炸的危险，虽然通过更改材料、管理系统控制等方法可提高安全性，但仍有安全风险；铅酸电池和镍氢动力电池的安全性都较高，很难发生爆炸。

1.2 镍氢电池在HEV上的应用

HEV的分类方法有很多种，根据动力传动系统的配置和组合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式。镍氢电池作为HEV的辅助能源，是HEV的关键零部件。在汽车起步、加速和上坡时，将制动时或制动踏板未被踩下时再次充入的电能提供给电动机。目前，市场上主要使用的镍氢动力电池分为两种：①方形电池，内部由6只单体电池串联而成，整个单体模块的额定电压达到7.2 V，28个模块串联组合在一起，形成用201.6 V电池组；②圆柱形电池，单体电池的额定电压为1.2 V，常规的组织方式是先串联成电池棒，然后根据要求，组合成具有不同额定电压范围的电池组。方形电池和圆柱形电池各有优缺点，组合成201.6 V电池组后的尺寸、性能对比见表2。

表2 方形电池和圆柱形电池的尺寸、性能

Table 2 Performance and size of square battery and cylindrical battery

形状尺寸/cm单体电池电池棒201.6V电池组交流内阻/mΩ比功率/W·kg-1方形28.5×11.7×20-56×28.5×11.7(18673cm3)6.3>1200圆柱形高6×直径3.4高38×直径3.4长49×宽38×高7(13034cm3)7.0>1100

从表2可知，圆柱形电池组合成的电池组更省空间，但就电池的性能而言，方形电池的内阻更低、比功率更高。

国内外有多款混合动力汽车上市，长安志翔中度混合动力轿车的技术参数表显示：动力蓄电池组使用的是镍氢电池，工作额定电压为144 V(120只单体电池，每只1.2 V)，容量为6 Ah。多款HEV用电池组的具体性能指标列于表3。

表3 多款HEV用电池组的性能指标

从表3可知，HEV以圆柱形镍氢电池为主。车用镍氢单体电池主要有两种规格，即圆柱形和方形，方形镍氢电池生产工艺复杂，技术要求含量高。

2 HEV用动力电池的现状及发展趋势

2.1 国外HEV用动力电池的发展现状

国外研制和生产HEV用镍氢动力电池的公司主要有日本松下(三洋)电池公司、美国Cobasys公司、德国Varta公司和法国Saft公司等，技术和产业化相对成熟。松下(三洋)公司已有十多年生产车用镍氢动力电池的经验，主要产品是D型动力电池；丰田和松下合资成立的PEVE电池公司，主要生产方形镍氢动力电池；Cobasys公司、Varta公司和Saft公司已进行了多年的车用镍氢动力电池研制，目前已具备量产的水平。

2.2 HEV在国内发展缓慢的原因

我国没有将HEV划入新能源汽车行列，目前主要推广纯电动汽车和插电式混合动力汽车。2015年，我国新能源汽车销售量达到33.11万辆，同比增长3.4倍[5]，快速发展的主要原因，是受到国家和地方财政双向补贴政策、限购政策、电池回收利用补贴政策和新能源汽车不限行政策等的刺激，同时，北京、上海这样的大城市，市民购买燃油汽车摇号困难，限号出行不方便，因此购买新能源汽车成为了一个较好的选择。2015年6月1日实施新能源汽车不限号出行政策后，销售量快速增长。2015年5月新能源汽车月销量3 356辆，到2015年10月新能源汽车月销量增长到17 150辆[5]。2016年上半年，我国新能源车总销量为12万台，同比增长135%，其中纯电动车和插电式混合动力汽车销售分别为8万辆、4万辆，同比分别增长166%和91%[6]。

2.3 HEV用镍氢电池的发展趋势

2014年全球电动车出货量为236万辆，其中HEV为215万辆，占总量的百分之91%，其中镍氢HEV车销售量为135万辆，占HEV总出货量的63%。到2020年，HEV车的年预计销量为500万辆，镍氢电池用量将达到3.146×106kWh，占比65%；锂离子电池1.694×106kWh，占比35%[7]。具体预测情况见图1。

图1 全球HEV车及镍氢电池市场预测

Fig.1 Global HEV vehicle and MH-Ni battery market forecast

纯电动汽车是新能源发展的一个方向，但续驶里程、充电问题及价格昂贵，依然是制约发展的瓶颈，在电池技术没有取得实质性进步之前，混合动力是一个较好的解决方式。

2.3.1 国产品牌长安和吉利使用镍氢电池

国产品牌中，长安和吉利两家企业都倾向使用镍氢电池。如果HEV成为一种消费习惯，一些汽车企业为了应对市场潮流，可能会从长安、吉利或丰田公司直接购买混合动力技术的授权。

2.3.2 合资车企业钟爱HEV

我国17家合资车企业的44款全新车型，插电式HEV和HEV占了近一半左右，由此可见，合资车企业把重心放在了支持力度较小、但大众接受较高的车型上。在纯电动汽车的布局上，合资车企业出现一种试探的态度。

2.4 HEV的发展对镍氢动力电池新的要求

随着HEV的快速发展及完善，HEV对镍氢动力电池提出了新的要求：使用温度范围较宽，既能放出电也能充入电，特别是低温充放电；边界条件(EOL)测试；模拟工况测试数据及混合动力脉冲能力特性(HPPC)测试；较高的放电平台和较低的充电平台；高倍率充放电性能进一步提高，由30C放电、15C充电提高到40C放电、20C充电；较小的自放电

率，小于10%/月；循环测试中，容量缓慢递减、内阻缓慢递增；通过高低温极限环境测试对电池包进行热场分析；较高的使用寿命(10 a或200 000 km)。

3 结语

本文作者阐述了HEV用镍氢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、性能并从车用镍氢电池组的规格、尺寸、性能等方面介绍了国内外HEV的情况：

近几年，在国内环保意识提高、不可生资源紧缺和政策的引导下，我国HEV发展快速，已经上市多款HEV。由于HEV不需要额外的配套设施，而且不改变驾驶员的驾驶习惯，所以受到大众喜欢。随着日本HEV专利技术的到期，我国HEV必将快速发展。

[1] XU Sao-ping(徐绍萍)，LI Pei-liang(李培良)，GENG Chao-qing(耿朝青). 镍氢电池用廉价稀土储氢合金负极材料的研制[J]. Chinese Rare Earths(稀土)，2004，25(5)：15-23.

[2] GAO Jin-liang(高金良). 稀土系镍氢电池负极材料的开发和市场[J]. Chinese Rare Earths(稀土)，1995，16(1)：63-67.

[3] LV Ming-xiang(吕鸣祥)，HUANG Chang-bao(黄长保)，SONG Yu-jin(宋玉瑾)，etal. 化学电源[M]. Tianjin(天津)：Tianjin University Press(天津大学出版社)，1992. 229.

[4] XU Shun-yu(徐顺余)，GAO Hai-ou(高海鸥)，QIU Guo-mao(邱国茂)，etal. 混合动力汽车车用镍氢动力电池分析[J]. Shanghai Auto(上海汽车)，2006，12(2)：7-9.

[5] LI Na(李娜). 补贴不再是消费者买车的决定因素[J]. New Energy Style(新能源汽车)，2016，61(2)：10-13.

[6] 2016年上半年新能源汽车市场销量排名分析[EB/OL]. http：//www.chinabgao.com/stat/stats/61294.html.

[7] 全球HEV市场锂电池到2025年将完成对镍氢电池替代[EB/OL]. http：//www.itdcw.com/archives/news/011GX242014. html.

Status quo and development analysis of MH/Ni battery for hybrid electric vehicle

CAO Sheng-biao，HUANG Fu-yi

(InnerMongoliaRareEarthOvonicHigh-PowerMH-NiBatteryCo.，Ltd.，Baotou，NeiMongol014030，China)

Status quo and development trend of MH/Ni battery for hybrid electric vehicle(HEV)，the characteristics and performance of MH/Ni power battery technology were analyzed. The situation of HEV from the specifications，size and performance of vehicle used MH/Ni battery pack was reviewed. The new requirements of HEV for MH/Ni power battery was put forward.

MH/Ni battery； power battery； hybrid electric vehicle(HEV)

曹生彪(1969-)，男，内蒙古人，内蒙古稀奥科镍氢动力电池有限公司经理，高级工程师，研究方向：镍氢电池；

TM912.2

A

1001-1579(2016)05-0289-03

2016-04-29

皇甫益(1984-)，男，内蒙古人，内蒙古稀奥科镍氢动力电池有限公司技术员，工程师，研究方向：镍氢电池，本文联系人。