镍氢充电电池：无需DC-DC转换器降低成本，提高温度特性可设置于发动机舱
发布时间：2013-4-8 11:25
发布者：李宽
松下集团的能源公司在2013年2月于美国举行的车载电池国际会议“AABC（Advanced Automotive Battery Conference）2013”上宣布，开发出了可用于减速能量再生功能的镍氢充电电池（图1）。能以比较低的成本将车辆的燃效提高5～10%左右。计划2014年前后实现实用化。 
图1：串联10个一号电池单元 松下新开发的电池。改善了高温特性。 新开发的镍氢充电电池与现有铅酸蓄电池组合使用（图2）。利用发电机回收减速能量，存储在镍氢充电电池上用于驱动电装品等，由此可提高燃效。另外，由于铅酸蓄电池的负担减轻，还能延长寿命。 
图2：与铅酸蓄电池一起使用 回收减速能量存储在镍氢充电电池和铅酸蓄电池内，利用两个电池的电力驱动马达，补偿发动机的驱动力。 最近，在发动机车上采用减速能量再生功能的汽车厂商不断增加。各公司的充电电池种类各不相同，铃木为“Wagon R”配备了铅酸蓄电池和锂离子充电电池，日产汽车为“赛瑞纳”配备了两块铅酸蓄电池，马自达为“ATENZA”配备了铅酸蓄电池和双电层电容器（EDLC）。赛瑞纳除再生功能外还配备了驱动力补偿功能。 其中，与使用EDLC时相比，利用镍氢充电电池的优点是部件成本低。不但充电电池本身价格低，而且无需升降电压的DC-DC转换器。 之所以无需转换器，是因为针对SOC（State of Charge：充电状态）变化的充放电电压变动范围与铅酸蓄电池基本相同（图3）。驱动车载电装品使用的电压根据铅酸蓄电池决定，充电时为13～15V，放电时为12～13V。 
图3：与铅酸蓄电池的电压范围基本相同 镍氢充电电池的一大特点是，SOC变动时的电压变化与铅酸蓄电池接近。因此无需DC-DC转换器。（a）为SOC变动的充电电压，（b）为放电电压。锂离子充电电池和EDLC需要根据SOC的情况升降电压。 松下集团开发的镍氢充电电池单元为一号电池，串联10个单元使用时，充电和放电基本都在该变动范围内（图4）。并联铅酸蓄电池无需经由转换器调整电压。 
图4：无需DC-DC转换器 铅酸蓄电池和镍氢充电电池可以直接并联。 例如ATENZA使用的EDLC，由于是在两个电极间物理存储电荷，所以充电电压随着充电的进行而上升。因此，需要采用可变电压式发电机。相反，放电时电压降低，为稳定电压需要使用DC-DC转换器。 铅酸蓄电池的寿命延长到10年左右 新开发的镍氢充电电池与锂离子充电电池相比的优点是，前者的高温特性出色，可设置于发动机舱内。由于能设置于铅酸蓄电池附近，还可以缩短布线。锂离子充电电池因温度特性的问题一般设置在车内。另外，EDLC可设置在发动机舱内。 松下集团通过为电解液添加新开发的添加剂等，将充放电的上限温度提高到了70℃（图5）。以前面向混合动力车（HEV）量产的电池单元在环境温度超过60℃后，充电效率会大幅降低。 
图5：可设置于发动机舱内 原产品在环境温度超过60 ℃后，效率会大幅降低，而此次开发的产品在70 ℃下仍能维持90％以上的效率。 另外，镍氢充电电池与采用两块铅酸蓄电池的赛瑞纳系统相比的优点是，前者的内部电阻比铅酸蓄电池小，易于利用再生电力充电。因此容易提高燃效。但镍氢充电电池的价格比铅酸蓄电池高，所以部件成本上升。不过，松下集团预计“运行成本会降低”。这是因为，通过与镍氢充电电池一起使用，估计铅酸蓄电池的寿命可延长到10年左右。铅酸蓄电池的寿命一般为2～3年。如果能延长到10年，就不用再支付市场价格高达2万～3万日元的铅酸蓄电池的换购费用了。 铅酸蓄电池的寿命之所以能够延长，是因为充放电主要通过镍氢充电电池进行，所以铅酸蓄电池的负荷减轻。一般情况下，铅酸蓄电池的充放电次数达到约1万2000次后，放电电压就会降到7.2V以下（图6）。而通过与镍氢充电电池并用，充放电次数可达到原来的5倍以上，约为6万8000次。 
图6：可大幅延长铅酸蓄电池的寿命 （a）仅利用铅酸蓄电池时，反复充放电约1万2000次后，放电电压降到7.2V以下。（b）通过与镍氢充电电池一起使用，反复充放电约6万8000次，放电电压仍能确保10V以上。 松下集团在铅酸蓄电池的日本市场上拥有高份额。今后打算向整车厂商提供组合使用铅酸蓄电池和此次新开发的镍氢充电电池的方案。将来，除了再生功能外，还计划用于电动换档（Shift by Wire）等的辅助电源。 |
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