摘要：研制开发出混合动力电动车用80 Ah方型MH—NI(氢镍)动力电池及其96 V/80 Ah、384 V/80 Ah高电压电池组系统：在--20～55 ℃宽温度范围条件下，电池可在SOC0.2～0.8范围内进行3～10 C的脉冲充放电。12 V电池模块比能量达61 Wh/kg，峰值比功率达到406 W/kg，电池28天荷电保持率达91%;电池1 C寿命正在测试中，目前已达500次无任何衰减。96 V或384 V高电压电池组大电流充放电特性、热管理、性能一致性状态及安全可靠性较好;384 V/80 Ah电池组及其管理系统完成城市客车工况150 h台架可靠性实验考核，并顺利进行在燃料电池/MH—Ni电池为混合动力的城市客车的装车运行实验，电池组性能状态良好。

　　根据日本Institute of Information Technology，Ltd.付总裁Hideo Takeshita在2003年3月“The 20th International Semi，nar&Exhibit on Primary&Secondary Batteries”会议对全球电动车用动力电池市场分析预测报告及美国Menahem Anderman博士2003年就美国BTAP(the Battery Technical AdvisoryPane)June 2000 Report后，对国际汽车动力电池发展评估报告表明，MH-Ni动力电池由于其优异的综合动力特性及长寿命和可靠性将成为各类混合动力电动车(HEV)应用的主流产品;即使是燃料电池汽车，分析及应用实例同样也表明，将燃料电池与MH-Ni蓄电池构成混合动力仍然是发展电动车的较好的技术方案it捌;事实上MH-Ni动力电池也是目前国际上较为成功同时也是唯一能工业化及商业化的HEV的先进可靠动力蓄电池.

　　目前国际上能够供货的仅有Et本PanasonicEV Energy，Co，Ltd.，2003年该公司已提供商业化的电动汽车市场约10万套MH-Ni动力电池系统。目前，国际上如Pana.sonic EV Energy，Co，Ltd.给出的HEV用MH.Ni电池大多为6.5 Ab，相比而言，动力电池要在高容量前提下实现高比功率则要比在小容量下达到高比功率要困难的多，而大容量HEV用MH-Ni动力电池特别是大容量高电压电池系统的开发报道较少。MH.Ni动力电池在我国具有较好的资源优势，通过国家“八五”“九五”国家高技术研究发展计划(“863”计划)的技术攻关，MH-Ni电池相关关键材料已基本实现国产化，同。 时在MH.Ni动力电池研制方面也积累了一定基础，“十五”期间，在国家“863”电动汽车重大专项的大力支持下，北京有色金属研究总院联合天津和平海湾电源集团公司及清华大学(计算机系)对混合动力电动车用MH-Ni动力电池及其系统进行大量且较为细致的开发研究工作，特别是对燃料电池城市电动客车用PEMFC/MH-Ni动力电池混合动力中的384V/80 Ah MH—Ni动力系统进行了较为深入的研制开发工作，在电池的高功率特性、性能一致性、寿命及高电压电池体系的热管理及其可靠性改善方面取得了较好结果，本文拟对此有关工作给出部分相关研究的结果。

　　1电池设计、制备与性能测试

　　概括而言，混合动力电动车对动力蓄电池系统的主要性能要求可为：

　　(1)高输出比功率，高比能量，系统体积小、质量轻;(2)高再生充电效率;(3)SOC在0.3～0.8间：容量、内阻、热、效率、高稳定性等;(4)长寿命(与HEV等寿命);(5)宽温度范围条件下，高电压电池组系统各单体性能的一致性及其可靠性;(6)低成本。

　　值得注意的是，电动车用电池性能不应该仅仅考虑单体或模块性能，而更应该强调高电压电池组系统集成性能及其应用的可靠性技术;同时，由于MH-Ni动力电池氢气体电极本身特点，对MH-Ni单体电池、模块及电池组制备过程的材料选择、结构设计中，在结合考虑以上要求的同时，还应特别注意动力电池在电动车工况条件下内阻及热问题的影响，加强从单体到系统的热、电管理，优化完善电化学、电学、热力学及机械等的系统集成的可靠性技术，如此方能将从单体或模块所获得的性能真正在车用电池系统上得以可靠实现。

　　1.1单体模块及电池组的设计

　　1.1.1单体电池的设计及其制备

　　根据整车技术要求，本课题主要设计研制80 Ah MH-Ni动力电池。单体电池采用方形结构，课题尺寸为L110xW38X H175 Ill/113，电池外壳为塑料壳体，壳体设计时充分考虑模块单体之间的散热通道;电池集流体结构及端子引流方式采用特殊结构，以减少欧姆内阻;同时在正负极活性材料的选取及相关工艺上充分结合合同及燃料电池城市客车工况要求，控制大电流充放电条件下的热效应，保证效率，并力求电池比功率大于350 W/kg。电极工艺主要是将活性物质(正极为Ni(OH)：，负极为稀土系AB，型贮氢合金粉)与优化改进的相关导电剂、粘合剂等添加剂及水等混合形成浆料，通过电极拉浆机按一定工艺涂浆、烘干、轧压、制片、焊接极耳、封装隔膜完成电极的制备;然后将正负极片交替叠放放人壳体中，与极柱焊接，壳体与盖之间采用超声波焊接机封口，最后注入6mol/L氢氧化钾电解液，经化成，分选，得成品80 Ah电池。

　　1.1.2模块电池组合及电池组的设计与制备

　　在电极及单体电池的工艺当中，充分重视电池性能一致性的影响因素，极片及单体的组合方式均应注意一定的分布规律;并根据北京有色金属研究总院的特色分选专利技术，对单体电池进行有效组合;模块组合采用框架式结构，模块中单体电池相互串联，单体电池之间具有足够的冷却风通道，每个单体电池均预留有一半导体温度传感器的固定位置，以便于温度采集。根据燃料电池城市客车底盘结构设计，384 V/80Ah电池组，设计成4个96 V/80 Ah电池组相串联的结构;每个96 V/80 Ah电池构成一个独立的热管理系统，即一独立箱体，电池冷却采用小型24 v直流风机驱动风冷，96 V箱体中风道经特殊设计，箱体内风速、风压等参数经设计后再实验测定，并优化箱体内部空气流场、热场及其与电池生热之间的冷却关系;由于96 v箱体为独立热管理单元，该96 V/80 Ah电池系统性能基本可反映384 V/80 Ah电池组性能概况。

　　1.2性能测试

　　单体电池测试采用北京有色金属研究总院自行研制的LBC.80方型动力电池检测分析系统进行，模块性能测试采用ArbinTS0209.T及北京有色金属研究总院与吉林北华电子技术开发有限责任公司合作开发的电动汽车用动力电池仿真测试系统测试，96’v电池组测试采用Diga订on BTS.600及北京有色金属研究总院与吉林北华电子技术开发有限责任公司合作开发的BTSS.2000动力电池大电流检测系统，内阻测试采用日本HIOKl3560内阻测试仪测试。

　　高温条件下的测试是指蓄电池充电后，在55℃±2℃条件下贮存5 h后在55℃±2℃进行测试(每阶段充电后，在同一温度下搁置l h);低温测试是指电池充电后，在一20℃±2℃条件下贮存12 h后，在进行_20℃±2℃环境下测试(每阶段充电后，在同一温度下搁置4 h)。

　　96 V/80 Ah及384 V/80 Ah电池组系统仿真城市客车工况的150 h可靠性实验在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的AvL PUlrla Engine Test System台架上进行，电池实验的电动车为清华大学研制的燃料电池城市客车。

　　2结果与讨论

　　研制开发的80 Ah电池模块及96 v电池组实物图分别如图1、图2所示。

　　
图1 12V/80Ah电池模块实物图

　　
图2台架测试中的96V/80Ah电池系统

　　单体电池质量为1.492 1.512 kg，容量80.7～84.72 Ah，模块电池质量为16.06 kg，比能量81.11 Wh/kg;单体电池比能量达65～69 Wh/kg，12 V模块比能量达60.7 Wh/kg(参看图3)。

　　
图3 12V饱OAh电池模块1 C充电曲线

　　2.1单体及模块电池性能

　　2.1.1单体及模块电压、容量及内阻特性

　　12 v模块电池的容量测试采用室温条件下l C

       充电1h，改0.1 C充电1 h，充电结束后，搁置1 h，1 C(80 A)傲电至1.0 v。图4给出了一典型12 v模块电池的放电曲线，模块放电电压平台大于1.2 V平台部分约占70%。

　　
图4 12 v/80Ah电池模块1 C放电曲线

　　模块中各单体容量、静态搁置电压、内阻一致性测试在约数百只12 v模块中随机抽样检查方式进行，检测结果所有模块中各单体之间容量相对误差小于1%，但均大于80 Ah;电池不同SOC开路条件下，模块之中各单体内阻小于3 mQ，内阻相对误差小于2%;静态搁置电压及其容量之间的相对误差小于1%，抽样检查结果之一如表1所示。

　　表1 电池静态搁置时电压、内阻相对误差

　　2.1.2模块电池的温度特性

　　为适应环境气候的变化，电池在不同温度条件的充放电性能也是一个关键，按照国家“863”电动汽车重大专项2003年度HEV用高功率金属氢化物镍动力蓄电池性能测试规范，将电池以0.5 C充电后，再0.1 C充电1 h，将电池放人55℃恒温箱中5 h后以1/3 C放电，同样电池按规范充电后，在低温一20℃恒温箱中搁置16 h后以1/3 C放电曲线如图5所刁i。

　　
黑：室温;红：55℃;绿：-20℃

　　图5 80 Ah电池在不同温度条件下的1/3 C放电曲线

　　实验结果表明，电池在55℃及-20℃条件下所放出的容量与室温相比，其充放电效率均在91%左右。

　　2.1.3电池的脉冲功率特性

　　根据HEV工况特点，其对电池的性能要求常常是在SOC0.3～O.8问具有良好的大电流充放电特性，通常该大电流持续时间不长，表现为脉冲功率特性;电池能够对外输出的电流越大，表明电池的动力学特性越好，反映在HEV上则是电动车的启动、爬坡、加速及再生制动能量回收等性能优越。

　　如图6～9给出了在不同条件下电池的脉冲功率特性，表2～4给出了测试电流的条件情况。

　　
图6 80Ah电池6 C脉冲放电特性(室温)

图7 80Ah电池10 C脉冲放电特性(室温)

　　
图8 80Ah电池高温55℃下的6C脉冲放电特性

　　
图9 80Ah电池高温55℃下的脉冲充电特性

　　表2 80Ah电池在6 C脉冲放电条件

　　根据表2、表3给出的的测试条件，按照国家“863”计划2003年度HEV用高功率MH-Ni动力蓄电池性能测试规范(以下简称“规范”)，随机抽样电池在SOC0.2～0.8且室温及高温55℃条件下以6 C放电的最低电压均高于0.8 V，绝大多数处于0.9 V以上;在较低SOC(SOC 0.2)情况下，电池以10 C放电电压最低达0.6 V，如图6、图8;但在较高SOC下电池lO c放电仍可达到O.8 V的脉冲放电电压，如图7;另一组的实验测试数据表明，12 W80 Ah模块SOC=1时在700A放电10 s，电池电压平台可在8.86 V，800 A放电10 s电池电压平台可在8.17 v，通过电池质量换算12 W80 Ah电池的峰值比功率已可大于406.97 W/kg，电池表现出良好的大功率输出特性。与此同时，电池根据表4给出的高温55℃下脉冲充电条件，按照国家“863”计划2003年度HEV用高功率MH-Ni动力蓄电池性能测试规范，测试出的电池典型充电曲线如图9所示，其总的能量效率可达到93.88%，且在脉冲式充电条件下，电池在各种环境下都无明显升温情况，表明电池状态良好，可满足混合动力电动车高倍率充放电要求。

　　2.1.4电池的寿命特性

　　根据“规范”要求，寿命测试是蓄电池在20℃±5℃条件下，以1 Cl电流恒流放电至1.0V，在同一温度条件下，以0.5 G电流恒流充电至实际容量(20℃放电容量的平均值)的80%，1 C1电流恒流放电至1.0V，充放电结束后搁置0.5h，即完成一次循环，循环25次为一个周期，第24次循环结束后，第25次循环以0.5 Cl电流恒流充电至实际容量(20℃放电容量的平均值)后，在20℃±5℃条件下，搁置1 h，再以1C1电流恒流放电至1.0 V，然后再进行下一周期循环试验。若某个周期的第25次循环的放电容量小于实际容量的80%，则停止循环寿命试验。因寿命实验时间较长，图10仅给出电池寿命测试中的部分数据，寿命实验仍在进行当中。

　　根据图10，电池循环达370次时，其容量尚无任何衰减迹象，预计实际电池寿命应在1 000次以上。

　　
图10 80Ah电池容量寿命曲线

　　2.1.5电池的荷电保持率

　　所研制的80 Ah电池，随机抽样2只进行荷电保持率实验，抽样电池采用0.5 C充电2 h，改0.1 C充电l h，电池充满电后，在常温条件下，以开路状态贮存28 d，然后在同一温度下以1 C1(A)电流放电至终止电压1.0 V，计算放电容量(以Ah计)。实验结果二电池放电容量分别为74.37 Ah和72.93Ah，与其原始容量相比较，其荷电保持率分别92%和91.1%。

　　2.2 96 V电池组性能

　　如前所述，单体及模块电池仅反映电池的基本性能状况，要使电池真正在电动汽车上达到可靠应用，高电压电池组系统集成技术及可靠性技术十分关键，主要涉及问题有电池模块性能一致性及其分布、电池热管理、电磁兼容、极限控制策略、机械适应性等。根据研究结果，96 V/80 Ah电池系统构成一相对独立热管理控制单元，在该单元内每个电池模块采用8单体相互串联而成，共10个模块串联构成96 v系统，系统与电池管理系统相关电压、电流及温度等参数采集部分相连。

　　96 V/80 Ah电池组单元实际测试结果如图11～14所示。

　　
图11 96 V/80 Ah电池系统中各9.6 v模块1 C充放电特性

　　
图12 96V，80Ah电池系统中各9.6V模块450A下放电特性

　　
图13 96V/80Ah系统SOC--0.55时2 C充电曲线

　　
图14 96 V180 Ah系统SOC--0.6时3 C充电曲线

　　在完成的16个96 V/80 Ah电池系统中，分别进行l C充电l h后，改0.1 C充电O.5 h，1 C放电容量均为80 Ah左右，室温情况下，电池模块的最大温升在约10℃，模块之间的温度差约在5℃之内。在SOC=0.5左右条件下，对系统进行2 C及3 C充电实验如图13～14所示。

　　按照整车电池系统的技术要求，对96 V/80 Ah电池系统在SOC 0.55进行2 C充电实验，SOC 0.6时进行了3 C充电实验，两种情况持续充电时间均高出合同一倍以上，在对所研制的16个96 V电池系统的分别测试中，10个模块温升及温差均最高不超过5℃，显示出系统热管理良好。

　　2.3可靠性实验及装车实验运行

　　由于作为混合动力电动车用电池，80 Ah电池容量较高，与小容量电池相比电池产生的热量不容易散出，热量容易积聚导致热失控;而电池在持续大电流充放电或过充放电，因欧姆内阻、氢氧复合反应热及电极极化内阻均会导致电池温度上升，甚至电池的损坏。因此动力电池特别是高电压电池系统正常情况下应严格按照经实验确定的有效极限控制策略框架，进行电池的高倍率充放电。然而实际中，因各种以外因素可能导致电池过充、过放等极端事情的发生，因此电池应进行各项可能的安全特性测试，其中安全性实验包括单体电池不同温度下的恒流过充电实验、不同温度电压下的恒压充电实验、100%SOC的穿刺、短路实验。实验发现在各类极限状况下，电池均无燃烧和爆炸现象，最极端情况如短路或穿刺实验中电池因短路引起的大电流，使电池本体温度迅速上升，并有气体从安全阀或壳体破裂处排除，持续一定时期后逐步平静下来，表明电池在各类极端情况下安全性较好。与此同时384W80 Ah电池组系统按整车城市工况技术要求(北京城市工况等)进行了384V/80Ah电池组及其管理系统的150 h混合动力可靠性考核实验，实验过程电池输出平均功率均超过70 kW，最大功率输出达125 kW，如图15所示，考核实验包括在与燃料电池、电机、DC.DC等配合测试下的不同功率条件下的各种混合动力工况及纯MH-Ni电池电动工况等不同测试条件。从目前测试现状上看，测试过程中电池系统及电池模块性能一致性等性能状况均良好;实验实物图如图16所示。

　　目前384 W80 All MH-Ni动力电池及其管理系统已安装至燃料电池城市客车上(如图17所示)，并经过初步在清华大学校园及至北京永丰基地阶段的实验运行，其中实验运行包括PEMFC/电池混合动力工况及纯MH_Ni动力电池工况等形式，电池性能状态良好，如图18所示。

　　
图15 384 V/80 Ah电池系统按混合动力北京城市工况150 h可靠性考核曲线之一

　　
图16 384 V/80 Ah MH—Ni电池及其管理系统按城市客车工况进行150 h台架可靠性考核实物图

　　
图17 384 V/80 Ah MH—Ni电池及其管理系统在城市客车底盘上安装实物图

　　
图1 8燃料电池/MH—Ni电池混合动力城市客车

　　3 结论

　　(1)研制开发混合动力电动车用80 AhMH-I-Ni动力电池，12 V电池模块电池比能量达60 Wh/kg，功率密度达400W/kg，电池可在-20～55℃条件下使用，电池室温荷电保持率可达90%，高倍率充放电性能优越，寿命长、一致性好、安全性高。

　　(2)在单体电池基础上，研制完成96 W80 Ah及384 W80Ah电池系统集成技术及其可靠性技术。该高电压电池系统可满足3～4 C的短期充放电，电池无明显温升，同时系统按城市客车工况进行150 h台架可靠性考核实验及装车实验运行性能良好。

　　(3)80 Ah电池及高电压电池系统的研制为最终MH-Ni动力电池在混合动力电动车上的应用奠定了良好的实验基础。