混合电动车及其蓄电池

电池工业篓!童篓!塑兰丝!竺：丝：丝丝

垫塑堡!垦

混合电动车及其蓄电池

李相哲，丁干，石常青

(泰州春兰研究院能源中心，江苏泰州225300

摘要：介绍了混台电动车的类型、特点以及混合电动车对其能源体系的要求；评价了目前用于混合电

动车的各种蓄电池或储能器的优缺点及其发展趋势。认为随着治污力度的加强和电池技术的进步，

MH／Ni电池和锂离子电池将成为电动车用电池主要产品。

关键词：混合电动车；蓄电池

中图分类号：TM912．1；1’M912．2；TM912．9文献标识码：B文章编号：1008—7923(2003)02—0081．05

Hybridelectricvehicleanditsstoragebatteries

LIXiang—zhe，DINGGan。SHIChang—qing

，ElwrgyCenter矿TaizhouChunlanAcademy，TaizhouJiangsu225300,ChinaJ

Abstract：Thetypesanticharactersofthehybridelectricvehicleanditsrequirementsforthebatterieswere

innodueedTheperformancesanddevelopementtrendofseveraltypesotbatteriesforhybridelectricvehicle

werecomparedindetailhwasbelievedthai，alongwiththetechnicaldevelopementofbatteries．theMH／Ni

andLi—ionbatterieswillpreservetheirleadingpositionsthestrenghteningofcuringpollutionandamongall

batteries．

Keywords：hybridelectricvehicle；storagebatteries

0前言

在纯电动车不能完伞推向市场的情况下，作为

过渡产品，混合电动车(HEV)正在形成新一轮的技

术开发热点。混合电动车可蛆大幅度提高燃油的经

济性，并且可以降低排放。与燃油车相比，c仉排放

量可以降低50％，CH、NOx等排放量可以降低90％，

缺点是不能达到零排放，但成本比纯电动车要低得

多…。即便在以后纯电动车成为主导的情况下，混合

电动车也会占据廊有的位置，目前，混合电动车采tI}j

的主要动力模式为发动机+动力电源，发展趋势为

燃料电池十动力电源。预计2001年后HEV在汽车

中所占的比例将会迅速上升，2010年后HEV、EV的

收稿日期：2002．07．22

作者简介：李相哲(1972一)．男，河南省焦作人，工程师。

Biography：LlXiang—zhe(19721．malc．engineew

“863”计划电动车重大专项项目(课题编号2001AA501532

发展将更为迅猛，并且HEV中“燃料电池+电池”的

模式所占的比例将逐渐上升，HEV的量将占到汽车

总量的50％以上，2030年后将占到80％以上。

1HEV动力结构模式

HEV的动力总成由发动机、发电机及驱动电机

构成，现有的结构模型可以分为以’F3类：

(1)串联式HEV

发动机、发电机和驱动电机足用“串联”的方式

组成。动力由同一驱动电机输出。3大动力总成各自

的功率都等于或接近于HEV的最大驱动功率，必须

装置一个大功率的发动机驱动电动力系统nJ。

优点：控制策略比较简单，发动机工况相对稳

定，汽车布置自由度夫。

缺点：在能量转换过程中，能量损耗较大，能量

转换时总的综合效率要比内燃机汽车低。外廓尺寸

较大，质量也较大。面丽F～———————吨}——————————而

万方数据

电池工业李相哲等：混合电动车耍鼻蓄电池雹§l勃甜口。为：哟≯塌d吻

能量流动途径见图1”1。一．=：=一l阿

I苎兰塑吲塑塑P爿塑坠堕吲竺1

图1串联式HEV的结构模型

ng．1StructuremodelforserialHEV

(2)并联式

主要由发动机、电机一发电机两大动力总成组

成，其功率可以互相叠加。发动机功率与电动一发电

机功率约为电动汽车所需要的最大驱动功率的

0．5～1(最大)倍。

优点：可以采用小功率的发动机和电动一发电

机，动力系统的装配空间和质量都较小，造价低。

缺点：最大的技术问题是如何根据车辆的速度、

驾驶员发出的功率要求指令以及蓄电池本身的荷电

状态，协调和优化使用发动机和电动机的效率，在技

术上比较复杂，另外，制动能量回收效率较低，其能

量流动途径如图2所示”】。

图2并联式HEV的结构模型

Fig．2StructuremodelforparallelHEV

(3)混合式

综合了串联式和并联式结构组成的电动汽车，

主要由发动机、电动．发电机和驱动电机3犬动力总

成组成。

优点：节油、减少排放的效果最好。

缺点：技术最复杂，控制困难，成本高。其能量流

动途径如图3所示13】。

图3混合式HEV的结构模型

Fig．3Structuremodelscrim——parallelforHEV

2HEV用蓄电池

2，1HEV对蓄电池的要求

评价HEV、EV用蓄电池的性能指标主要有以下

几点：

质量比能量：用Wh／kg表示，它标志着一次充

电能行驶多少里程，代表每千克质量的电池能够提

供多少能量。

体积比能量：用Wh／L表示，它标志着蓄电池占

据车内多少空间，代表每升体积的电池能够提供多

少能量。

质量比功率：用W／kg表示，它标志着汽车的加

速性能和最高车速，代表每千克电池可以提供多大

功力。

价格：用总计购人价表示，它标志着使用的经济

性，代表按里程计算的使用成本因素。

寿命：用工作时间或总行驶里程表示，它标志着

使用的经济性、方便性。

为了确保电动车合理的行驶性能，对其能源系

统有如下要求：高比能量，能确保电动车达到合理的

行驶里程；高比功率，确保加速和爬坡性能；寿命长，

免维护；成本低；自放电小；充电快，效率高，以提高

车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力；尺寸

小；安全性好；可回收；更换简便。

(1)HEV的使用特点

在串联结构中，内燃发动机大体上以车辆平均

负荷功率运行(又称慢响应发动机)，此类车通常要

求在规定零排放的区域内安全关闭发动机作为纯电

动车运行。因此，设计时要考虑满足车辆瞬态最大动

力特性的要求。并联结构中，电动动力在通常运行工

况一F不起作用，只有在加速、爬坡等工况下内燃机动

力不足以完成任务时才起辅助驱动作用。在这种结

构的车辆中，电池性能要求可以低一些。

要求电池的充放电比功率均应达到1kW／kg，

比能量达到40～50Wh／kg，总储存能量1～3kWh

(指小型轿车)，电池电压200～300V。为了提高能量

利用效率，要求对刹车、减速、下坡等情况下的能量

予以同收，储存在电池中，所以，要求电池有比较高

的充电接受能力。

(2)电池的设计要求

从HEV的使用特点可以看出，电池是一个功率

辅助系统．大部分放电是以大电流进行的，能量消耗

较少，所以设计时应着重注意功率性能而不是能量

参数。50％SOC(荷电状态)区间内的充放电性能是是

重要的。应当有较宽的温度使用范围。HEV循环几乎

万方数据

电池工业

篁!童篁!塑丝丝丝兰丝!!塑量!星

不要求电池完全充电或完全放电，所以多只电池一

起应用通常存在的问题(充电电压升高泄气、电池之

间的不平衡、过放电等)较少。主要的问题可能是电

池的失效、整体的可靠性及电流分布。最可能的失效

是电池的充放电高功率性能降低。过充电／深放电在

由许多单体电池组成的电池组中几乎是不可避免

的，随着电池使用时间的增加，这种可能性更大。由

于许多电池串联一起使用，所以对电池的一致性要

求很高。丰H{公司的Prius电动车需要240只电池串

联，以前若一只电池出现故障，需要替换全部240只

电池，后来进行r改进，设计了6个单体电池组件，

可以简便地更换失效电池，并且缩短了电流路径，比

功率比采用圆柱电池提高了67％【4】。为了提高能量

利用效率，充电能量转换效率要高。另一个很重要的

问题是电池管理方面的问题，即SOC水平的判断，其

精确的判断不仅确定HEV可“使用的时间，也决定

其工作状况的好坏。其他如安全性能、热管理性能等

也是很必要的。

美国先进电池联合会(USABC)提出的电动汽车

电池主要性能指标参见表1。

表lUSABC制定的电池中长期发展目标

Table1ThedevelopmentgoalforEVbatteries

指标中期长期

质量比能量(C／3放电)

／Wh／kg

体积比能量(C／3放电)

／Wh／L

质量比功率

(80％放电深度／30Sj／W／kg

体积比功率

(80％放电深度／30S)／W／L

使用寿命／年

循环寿命(80％放电深度)

销售价格／美元／KWh

使用温度／℃

正常充电时间／h

快速充电日j同／％(min)

效率(C／3放电率，6h克电1

自放电

热损耗(高温电池)

维护方式

80～100200

135300

150—200400

250600

510

600次1000次

<150<100

—30～65—40～85

<63～6

40(<15)60(t00)

75％80％


48h自32W／KWh：15％额定容量

免维护，极小的车载控制

中国十五“863”计划的指标，见表2”

表2十五“863”计划目标

Table2Thegoalof“863’’projectinChina

目前一些大的电池生产商及汽车制造商都在共

同进行HEV、EV的研制和开发，许多类型的储能装

置如铅酸、镉镍、氢镍、锂离子、超级电容器等都进行

了装车实验，取得了良好的结果，有些车型已经商业

化。

2．2HEV用蓄电池的特点

221铅酸蓄电池

优点：生产技术成熟，价格便宜，已实现大批量

生产，产品的回收容易。

缺点：污染严重，比能量低，不耐过充电、过放

电，自放电率高，循环寿命低。在50％SOC，电解液浓

度降低时电池容易结冰，使其性能迅速下降。

发展趋势：提高一致性和比能量，近期开发的第

三代圆柱型密封铅酸电池，已经应用于Ev和HEV

上，技术、性能价格指标达到美国能源部的参数要

求。第四代采用TMF(箔式卷状电极)技术开发的密

封铅酸电池，具有极高的比功率和较低的价格，可以

应用于HEV，并且寿命比原来的铅酸电池延长3～4

倍。1992年由国际铅锌组织联合世界铅蓄电池厂商

成立的“先进铅蓄电池联合体(ALABC)”制定的先进

铅蓄电池的研究目标为：

比能量50Wh／kg，比功率150W／kg，循环寿命

大于500次，价格小于150美元／kWh，快速充电性

能：50％SOC5rain，80％SOC15rain。目前，价格及

比功率方面，一般的铅蓄电池已达到要求，因而改进

的主要力量应集中在比能量，循环寿命及快充性能3

项指标“。71。用我国两家电池厂生产的铅蓄电池在改

装车上试用，存在的最大问题是均匀性差。

2．2．2镉镍电池

优点：耐过充电、过放电，寿命长，可进行大电流

放电及快速充电，高低温性能好。

缺点：镉污染严重，许多国家已经限制生产或使

万方数据

电池工业车相哲等：混合电动车厦其蓄电池鹾叛琏jd。竞磊国叻≯j元幺彤眵

用，且有记忆效应，回收困难。

甲期的电动车大多采用镉镍电池，由于存在以

上缺点以及氢镍电池和锂离子电池的快速发展，许

多国家已经开始限制镉镍电池的使用。

2．2．3氢镍电池

优点：可实现快速充电，比能量、比功率较高，已

经商品化，无污染。

缺点：自放电高，成本较高，高温性能差。目前不

能提供普遍的同收技术，氢镍电池存在的另一个M

题是在电池管理控制中，电池的荷电水平不容易准

确判断。

发展趋势：大幅度提高性能、降低成本的关键技

术是正极的泡沫镍基板和负极贮氢合金以及氢氧化

镍等制造技术，而这些技术可咀通过最新的粉末冶

金技术得到完善和提高。由于充放电过程均具有很

高的热焓值，必须配备热管理系统。MH／Ni电池在

安全性能、寿命、加速性能等方面均优于其他电池，

是目前最适用于HEV的电池”】。

2．24锂离予电池

优点：单体电池电压高，电池组中所需单体电池

数量少；电池无副反应，充放电可获得较高的能量效

率，放电时易检测电池的荷电状态。

缺点：不能陕速充电，可靠性、一致性、安全性

差，成本高，技术不成熟，高温性能差。低温情况下，

由于电池内阻高，有机电解液电导低，充放电性能很

差。若深度放电或在高温情况下储存或放电，容易造

成容量的不可逆损失。

要解决的问题主要是价格和安全性问题，主要

通过电解质的研究改进提高其热稳定性从而提高电

池的安全性。在降低价格方面，随着原材料价格的下

降和产量的日益增加，其成本已经开始逐渐下降。由

于电解液大多为有机易燃物，当电池热量产生速度

火于散热速度时，就有可能出现安全问题。根据

PhBiensan等人的研究证明，锂离子电池在滥用条

件下能达到使铝集流体熔化的高温，大于700。C．从

而导致电池出现冒烟、着火甚至爆炸等情况。另一方

面，锂离子电池电极很薄，对制造工艺和精度要求较

高，在电动车应膈中必须具备相应配套的辅助系统，

从而增加了成本。在设计上还需要进一步采取措施

来保证安全性。

22．5锂聚合物电池

优点：解班了锂离子电池的安全性问题，蚪：产成

本低于锂离子电池。

缺点：比功率差，快速充电性能差(采用有机电

解液)，仍为实验室产品。

制造工艺更复杂，要求更高。目前除了寿命和价

格外，主要性能可接近或达到USABC的商业化日

标。但缺乏台架实验和实车道路实验情况，美国能源

部将其作为长期目标进行开发研制，应用在HEV上

还需要提高其功率性能。

2．2．6金属空气电池

主要为锌空气电池。其潜在比能量为200Wh／Kg

左右，性能稳定，安全性好，没有毒性和危险性，制造

成本低。但存在寿命短、此功率小、不能输出大电流

及难以充电等缺点。在使用过程中若不采用更换锌

粒正极匣的方法，而采用通常的充电方法，其充电时

间会很长，给使用带来不便。

铝空气电池也是一种发展态势很好的电池。其

质量比能量大，理论值达到8100Wh／kg，目前实际

只达到350Wh／Kg。这种电池质量小，没有毒性和危

险性，但比功率低，充放电速度比较缓慢，电压滞后，

自放电大，工作期问容易过热。

227超级电容器

优点：功率密度远高于电池，能量密度又远高于

传统的电容器。适应超高电流快速充放电，功率密度

高，寿命长，呵达lO万次以上，无任何污染，制造成

水低。

缺点：能量密度低，必须与其他电池结合起来应

用。

超级电容器对予电动车的启动、加速、上坡有重要

的意义。超级电容器一般与其他二次电池结合起来应用

在HEV上，可以提高能量利用效率，并且减少了大电流

对蓄电池的冲击作用，提高电池的使用寿命”101。

1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器的发

展计划，美国能源部(包括美国军方)也制定了相应

的发展电化学超级电容器的研究计划，参见表3。

表3超级电容器的发展目标

TaMe3Thedevelopmentgoalforsupercapacitor

万方数据

电池工业篁!童丝!塑!丝丝兰：丝兰丝

!!!!篁!旦

最新资料表明，采用有机物做电解质的超级电

容器的比能量可以达到5～7Wh／kg，电容器的近期

目标已基木达到。

现在，EV、HEV用电池市场是铅酸电池、氖镍电

池和锂离子电池三分天下。随着ZEV法案的颁布和

实施，以及电池技术的发展，氢镍电池和锂离子电池

将会占据越来越重要的市场份额，并成为电动车用主

要电池。日本产业界于1997年分析预测，在移动通讯

和便携式计算机领域里，镡离子电池和锂聚合物电池

将成为主流产品。氢镍电池在2l世纪的前10年间，

向电动机械的后备电源方向发展，它将成为电动车辆

和混合引擎电动车辆领域里应用的主流产品。

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一次全国电化学会议论文集【C1南京：南京师范太学

出版卒上，200l

沪”番。………-………～～…一…t…、～…………………¨……………一

宁波市鄞,9t‘I精艺机电厂

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邮编：315171

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万方数据

混合电动车及其蓄电池

作者：李相哲，丁干，石常青

作者单位：泰州春兰研究院能源中心,江苏,泰州,225300

刊名：电池工业

英文刊名：CHINESEBATTERYINDUSTRY

年，卷(期)：2003,8(2)

被引用次数：8次



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