知识点02 混合动力汽车镍氢电池的基本认知
一、镍氢电池简介
镍氢电池（Ni-MH）是一种碱性电池，单体电池电压1.2V，比能量75～80W·h/kg，比功率160～230W/kg，体积能量密度达到200W·h/L，体积功率密度达到400～600W/L。
1.优点
1）充电18min可恢复40%～80%的容量，过充电和过放电性能好。
2）应急补充充电性能好，1h内可以完全充满，应急补充充电时间短。
3）在80%的放电深度下，循环寿命可达到1000次以上，是铅酸电池的3倍。
4）一次充电后行驶里程长，而且启动加速性能较好。
5）可以在环境温度-28～80℃条件下正常工作。
6）循环寿命可达到6000次或7年。
7）采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作。
8）低温性能较好，能够长时间存放。
9）镍氢电池中没有铅（Pb）和镉（Cd）等重金属元素，不会对环境造成污染。
10）镍氢电池可以随充随放，不会出现镍镉电池在没有放完电即充电而产生的“记忆效应”。
2.缺点
1）在高温条件下使用时电荷量急剧下降。
2）自放电损耗较大。
3）价格较贵，镍氢电池的成本很高，约达600～800美元/kW·h，不同的储氢合金具有不同的储存氢能力，价格也不相同。
4）镍氢电池的比功率和放电能力不及镍镉电池。
5）镍氢电池在使用时应充分注意各个单体电池之间的一致性，特别是在高速率、深放电情况下，各个单体电池之间的容量和电压差较明显。因此需要注重对电池组在充、放电过程中的导热管理和电池安全装置的设计。
目前日本产混合动力汽车多采用镍氢电池作为能源。
二、镍氢电池构造
镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍Ni（OH）2，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体电池，在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍氢电池的特性与镍镉电池特性基本相同，但氢气是没有毒性的物质，无污染、安全可靠、使用寿命长，而且不需要补充水分。
镍氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍氢电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，特别是在存放一段时间后，会有近20%的电荷流失，老化现象比较严重。为避免发泡镍氢电池老化所造成的内阻增高，镍氢电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的镍氢电池的烧结体极板本身就是活性物质，不需要进行活性处理也不需要进行预充电，电压平衡、稳定，具有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。
通常镍氢电池的外形有方形和圆形两种。
三、镍氢电池工作原理
如图1-1所示，镍氢电池的正极，是由球状氢氧化镍粉末与添加剂等金属、塑料和黏合剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni（OH）2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的改善。采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂时，可以提高大电流时的放电性能。
图1-1 镍氢电池在碱性电解液中进行反应的模型
a）储氢合金载体负极 b）镍正电极
镍氢电池负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的金属，是用钛-钒-锆-镍-铬（Ti-V-Zr-Ni-Cr）五种基本元素及钴、锰等金属元素烧结的合金，经过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能，对镍氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解也不结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加储氢合金的防腐性能，这有利于提高镍氢电池的比能量、比功率和使用寿命。
电解质是水溶性氢氧化钾（KOH）和氢氧化锂（LiOH）的混合物。当电池充电时，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极从金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。
镍氢电池在充电过程中容易发热，发热产生的高温，会对镍氢电池产生负面影响。高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短。镍氢电池在充电后期，会产生大量的氧气，在高温的环境条件下，将加速负极储氢合金氧化，并使储氢合金平衡压力增加，使储氢合金的储氢量减少，从而降低镍氢电池的性能。尼龙无纺布隔膜在高温的作用下，会发生降解和氧化。尼龙无纺布隔膜发生降解时，产生铵离子（NH4+）和硝酸根（NO3-）离子，加速了镍氢电池的自放电。尼龙无纺布隔膜发生氧化时，氧化成碳酸根，使镍氢电池的内阻增加。在镍氢电池充电过程中，电池温度迅速升高，会使充电效率降低，并产生大量氧气，如果安全阀不能及时开启，会有发生爆炸的危险。
四、充、放电特性
（1）放电特性 镍氢电池（6个单体电池组件）放电时，2C功率输出时的比功率可达到600W/kg以上，3C功率输出时的比功率可达到500W/kg以上，放电深度范围内比功率的变化比较平稳，这对混合动力汽车的动力性能控制十分有利，电池的寿命可以达到10万km以上。
（2）充电特性 镍氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到100%，能够有效地回收混合动力汽车在制动时反馈的电能。另外，由于能量损耗较小，镍氢电池的发热量被控制在很小的范围内，这样可以有效地控制剩余电量，并用电流来显示电池的剩余电量。
五、实车应用
1.本田车系
图1-2所示为本田Insight镍氢电池组，电池组置于行李舱底板，由120颗松下1.2V镍氢电池组成，串联合计电压为144V，支持50A充电，100A放电。为延长电池寿命，每个电池单元放电量为4A·h，电池组共可放电144×4=0.576kW·h。
图1-2 本田Insight镍氢电池组
2.丰田车系
图1-3所示为丰田第二代普锐斯镍氢电池组，重53.3kg，由28组松下镍氢电池模块构成，每个模块分别载有6个1.2V电池（图1-4），总计168个电池，串联标称电压合计201.6V，比第一代的38组228个电池有所减少。第三代丰田普锐斯在国外为插电式混合动力（PHEV）车型，电池装载较多，而在国内因无插电功能，所以电池数量和第二代完全相同，标称电压仍为201.6V。
图1-3 丰田第二代普锐斯镍氢电池组
旧款普锐斯中，HV蓄电池间为单点连接，接点在电池上部，而新车型中的蓄电池间为双点连接，新增的点在电池下部，这样蓄电池的内部电阻得以降低。
图1-4 普锐斯6个1.2V电池结构
新款普锐斯在镍氢电池的制造技术上进行了一些改进，如正极板采用多极板技术，负极板采用端面焊接技术，在电解液中适当加入LiOH和NaOH，采用抗氧化能力强的聚丙烯毡做隔膜等，可以有效地提高镍氢电池耐高温能力。在镍氢电池组之间加大了散热间隙，采取有效的散热措施并建立自动热管理系统，以保证镍氢电池正常工作并延长使用寿命。通过增大冷却强度可以让镍氢电池的放电功率有一定程度的提高，比如由25kW提高到27kW。