混合电动车用高性能镍氢电池的研制.doc

车用动力电源系统研究文集（一）混合电动车用高性能氢镍电池的研制Development of High Performance Nickel-Metal HydrideBatteries for Hybrid Electric VehiclesYoshiaki Yano, Shinsuke Nakahori, Takaaki Ikemachi, Ikuo Yonezu, Shoichi Toya, Yoshikazu Ishikura, SANYO Electric Co., Ltd.摘要:HEV电池比通常用电池要求输出高的电流。最大要求输出电流通常100A150A。在我们已积累的工艺基础上，我们制作了一套符合较高输出要求的氢镍电池组(D型:HR-DP)。在1999第33次东京汽车展示会我们展示了新电池的。由于较低内阻集流体的使用，降低了电池的内阻。我们成功保证输出电流2.5倍目前用户-使用的D型电池。采用了高温放电性能好正极和改善了贮氢合金提高了循环寿命。与最大需求从300A到500A的HEV相比，ISG(整合的起动机发电机)需要比较高的电流。为了满足这些高的要求，我们通常研制的是M型电池(型号:HR-MP)。在本文中，我们讨论HEV用氢镍电池(HR-DP)的各种不同性能的提高，主要关注输出的提高，高温充电效率和延长循环寿命。也讨论了一些在ISG中使用的氢镍电池（HR-MP）。53 1.引言人们关心的例如CO2使全球的变暖和空气污染环境问题是由排气引起的，电动车(EV)被认为是解决这些问题的一个方法。在最近几年中，人们对HEVs的兴趣有所增加。人们认为这些电动车PEV更节约和更实际。在市场上发现已经发现一些HEV模型。在市场上的HEV中，电池提供动力在电动车启动；以及在加速度期间协助发动机提供动力。因此，现在市场上大多数的HEV中有一个使电池在电动车减速时充电的系统。另外存在的一个方法是电池在发动机效率低的时候提供能量，例如在电动车启动期间。在欧洲，发展了一种被称为ISG系统已知的。ISG采用了一个直流42V系统(伴随使用一个36V电池组)，比HEV用电池组的电压低，电池必须有大的输出电流。对于HEV和ISG系统，发动机启动和加速时高的输出功率，高温时高的充电效率和燃料利用率，长的循环寿命是必需的。对于这些问题，我们开发了HEV用单体氢镍电池，电池支持物，电池组ECU(电子控制单元)和一个由单体电池装配而成、并在1999第33个东京汽车展示会展示的电池组。以后，我们继续改良电池特性，并且我们成功的制得了具有高输出特性的HEV用电池。在下面，介绍我们开发的新特性HEV用氢镍电池。在此处也介绍正在发展的ISG用电池的特性。2.研制HEV用HR-DP2.1.较高的功率输出当电动车开始启动及加速时，EV用电池必须提供动力，因此要求HEV用电池与普通电池相比必须有较高的输出功率。通过改善用户使用的D型电池，降低内阻我们成功提高了电池的输出功率。明显地，(1)降低集流体内阻，(2)增加电极材料表面面积，和(3) 降低负极内阻，我们提高了已存在的电池的输出电流从80A(10s放电到电池电压为0.9V)到140A(初期研制的产品)，进一步达到180A，甚至达到200A。在比较关心的降低集流体内阻方面，我们使用自己研制的集流体。对于该集流体，目标是短缩引导电路和增大横截面面积，考虑影响传导率的主要因素。结果是设计一个为普通D型电池集流体电阻四分之一的集流体。进一步，增加电极材料表面积，进一步降低了内阻。同时，使贮氢合金粒径最佳化，和通过研究添加剂，降低负极的内阻。经过上述努力，我们使HEV用电池内阻降低到2m(180A等效输出；1KHZ AC)。进一步降低到1.5m。这些结果，以于用户使用的电池比较的形式，显示在图2中。因此，通过满足用户的要求和进一步改善HEV用电池，我们能够达到以前D型电池2.5倍输出电流。2.2.关于高温充电效率的研究大体上，氢镍电池在高温时充电效率较低。这样，在电池组中的单体电池，存在充电时电池SOC十分不一致的问题。为了要避免这个问题，我们研究了在高温时提高充电效率的方法。在充电时，在正极除了发生反应(1)，反应(2)也存在，反应见下面。 （1） （2）当在高温环境充电时，降低了氧气析出电位和充电正极电位之间的差距。这使得O2产生，意味者充电在正极不能够进行。通过最优化正极活性材料的成分，我们能够改进以前的电池，如Fig.3所示。这样的提高是比较容易控制的；即使电池里面温度不均匀，SOC不一致性仍较小。2.3.循环寿命在HEV，电池使用寿命限制者电动车的寿命，并且养护是复杂的。因此尤其需要长寿命电池。电池寿命的终止主要是负极被氧化引起的。贮氢合金被氧化引起内阻升高和输出功率降低。氧化反应来自合金的表面。减小表面积，合金的粒径，与负极的耐久性有关。另一方面，大的表面积可以降低电流密度，提高输出功率。而且合金经过充/放电循环将发生粉化，这取决于合金的成分。因此我们采用了最佳的贮氢合金粒径和组成。图4显示了HEV用电池模型的脉冲充/放电循环特性。在充放电过程中，每一循环变换使用容量5%SOC。因此，经过改进HEV用D型电池，能够有长循环寿命的特性。HR-DP输出功率衰退初次状态60%时，已循环150，000次或高于20A 脉冲循。图5显示了D型电池在45充/放电加速循环寿命测试。正如上面提到的，我们提高了高温充电效率和降低了氧化。这样降低了贮氢合金的氧化。因此，甚至在高温情况下，电池显示了良好的循环寿命。3.关于ISG用电池(HR-MP研制)ISG用电池的要求，由于电池组总电压不高，要求输出电流比HEV更高。作为对策，我们发展了能满足ISG用高输出电流的HR-MP电池。对于HR-MP电池，除了HR-DP电池工艺学的发展，选择合适的集流体能满足400A甚至更高的大电流。因此，HR-DP的最大放电电流是200A，而HR-MP的集流体能够满足470A放电。表1显示了HR-DP和HR-MP的部分参数。4.结论因此，依据上面的叙述，我们发展了HEV用高性能的氢镍电池。HR-D特性详述如下。(1)最大放电电流200A: 1，000W/公斤的高能量密度(2)良好的高温充电性能: 以60C的90%休整率。(3)长寿命: