尚曉麗，黃鑌，吳賢章（浙江南都電源動力股份有限公司，浙江 杭州 311305）

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起停電池國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

尚曉麗，黃鑌，吳賢章
（浙江南都電源動力股份有限公司，浙江 杭州 311305）

摘要：本文對國內(nèi)外起停電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，介紹了在起停電池領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的公司的解決方案特點和最新研發(fā)、市場活動，以及國內(nèi)主流起停電池企業(yè)的技術(shù)發(fā)展情況，提出了起停電池技術(shù)發(fā)展和性能提升的重點方向。

關(guān)鍵詞：起停電池；AGM 蓄電池；EFB 蓄電池；超級電池；深充放電；部分荷電態(tài)

0 前言

國際清潔交通委員會 (ICCT) 發(fā)布的報告[1]顯示，世界主要國家為應對全球氣候變化紛紛提出了汽車減排和燃油經(jīng)濟性指標，其中歐洲的標準最為嚴苛，到 2020 年每公里 CO2排放量減少到 95 g；日本和中國的目標較接近，分別是 115 g 和 117 g；美國的目標是到 2025 年降至 107 g。

汽車在城市擁堵工況下行駛時的油耗和尾氣排放量相當可觀。據(jù)統(tǒng)計，短暫停車時發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)的能耗浪費達 17 % 之多, 汽車怠速時所排放的尾氣所含有害物質(zhì)是該車時速 80 km/h 時排放尾氣的73 倍[2]。在我國，隨著城市化的加劇以及汽車保有量的不斷增加，大城市交通擁堵已經(jīng)成為無法避免的現(xiàn)實。據(jù)調(diào)查顯示，中國大中城市及一些沿海城市，汽車行駛時間與等紅燈或堵車的怠速時間的平均比例為 3:1，城市道路隨著每年超千萬輛新車涌向路面將變得更擁堵。汽車擁堵時超高尾氣排放量也是我國近年來爆發(fā)大規(guī)模霧霾的主要原因之一。

汽車起停功能可在車輛怠速時關(guān)閉發(fā)動機，需要的時候重起發(fā)動機，燃油經(jīng)濟性更好，發(fā)動機更安靜。采用鉛酸電池或與其它電池技術(shù)組合，在系統(tǒng)成本增加不多的前提下減少排放和環(huán)境污染，消費者接受度較高，起停系統(tǒng)對汽車企業(yè)來說是低成本高效益的投資。

1 起停技術(shù)發(fā)展概況

汽車起停技術(shù)自上世紀七十年代中期豐田[3]最初的嘗試以來，至今已有 40 多年的時間，在國外已經(jīng)發(fā)展成為一種比較成熟的技術(shù)。在我國，節(jié)能減排的巨大壓力和龐大的汽車保有量均是促使起停技術(shù)發(fā)展的推動力。據(jù)專家估計，到 2019 年，我國每三輛車中就會有一輛配有起停系統(tǒng)[4]。

起停技術(shù)的基本原理是在車輛遇到路口紅燈或者擁堵時，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，此時控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)指令讓運轉(zhuǎn)著的發(fā)動機自主關(guān)閉，隨后只要車主踩下離合器、油門踏板或者松開剎車的瞬間，就可以再次起動發(fā)動機轉(zhuǎn)入正常行駛狀態(tài)，從而實現(xiàn)怠速時的零排放。

起停功能的實現(xiàn)主要取決于電機電控和起停電池兩大方面因素：電機電控系統(tǒng)主要包括起停啟動電機、高效發(fā)電機以及各種控制器、轉(zhuǎn)換器和傳感器；起停電池一般為鉛酸電池，與傳統(tǒng)意義的起動電池相比，起停電池的使用工況更加嚴苛，對循環(huán)壽命、冷起動能力、失水、耐高溫等關(guān)鍵技術(shù)指標提出了新的挑戰(zhàn)。

2 起停電池使用工況分析

根據(jù)整車系統(tǒng)的工作原理，起停電池的使用主要分為三個階段：① 汽車運行至紅燈時，車內(nèi)發(fā)動機停止正作，電池供給車內(nèi)輔助負載使用(如前燈、廣播、電控單元)，電流不大，小于 50 A；②在紅燈變綠燈很短時間內(nèi)由電池起動 BSG (或 ISG )模式下的高速電機，使電機高速帶動發(fā)動機起動，電流大小為 10C 左右；③發(fā)動機起動后為蓄電池進行充電[5]。

電池作為起停系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其技術(shù)水平制約著起停功能。起停電池的工況與傳統(tǒng)起動電池相比差異很大：傳統(tǒng)起動電池的工作模式是，電池在完成冷起動后，汽車行駛過程中一直處于滿充電狀態(tài)；起停電池的工作模式是，每次開起起停模式后都要求電池起動電機，見圖 1。由于起動頻繁，以及怠速過程中需要電池為汽車的電氣和電子設備供電(如前燈、廣播、電控單元)，電池的負載加重，放電深度增加，要求電池頻繁深放電。先進的起停系統(tǒng)還要通過回收制動快速充電，但由于回充電流大，要求電池在部分荷電態(tài)下使用 (因為滿荷電態(tài)下的電池無法實現(xiàn)能量回收)。另外，起停電池使用環(huán)境惡劣，靠近發(fā)動機的電池表面溫度可達到 60 ℃ 以上，容易造成板柵腐蝕、失水、鼓肚，甚至熱失控。

圖 1 起停電池使用工況 (電池頻繁深度放電、部分荷電態(tài)下使用)[6]

綜上所述，起停系統(tǒng)對電池性能提出了更高的要求，即具有更好的深放電循環(huán)性能 (20 % DOD～80 % DOD)、更長的 HRPSOC (高倍率部分荷電態(tài))循環(huán)壽命、更好的起動性能和充電接受能力以及更優(yōu)異的耐高溫性能。

3 起停電池技術(shù)分類

目前市場上應用的起停電池技術(shù)主要有兩種，采用 EFB 技術(shù)的增強型富液電池和采用 AGM 技術(shù)的閥控式鉛酸蓄電池。EFB 電池是在傳統(tǒng)富液電池技術(shù)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整活性物質(zhì)以及電解液配方，以提高電池深循環(huán)性能。與傳統(tǒng)起動電池相比，其循環(huán)性能提高一倍，冷起動能力提高 15 % 左右。AGM 電池與富液電池相比，其結(jié)構(gòu)上有很大改動：首先，采用陰極吸附式原理實現(xiàn)氧復合，減少了電池失水，做到真正的免維護；其次采用 AGM隔板，不僅使電解液固定在隔板中以防止電解液分層，提高深循環(huán)壽命，同時 AGM 隔板具有更低的電阻，有利于提高起動性能；最后采用緊裝配技術(shù)，使極板受到隔板 50 kPa 以上的壓力，以防止活性物質(zhì)軟化脫落，進一步提高循環(huán)性能。與傳統(tǒng)起動電池相比，AGM 電池的循環(huán)壽命可提高兩倍，冷起動能力提高 30 % 以上。

同時，對于起停電池來說，需要預測電池的荷電態(tài)和健康狀態(tài)，以確定電池是否能夠在放電階段(車輛怠速階段) 結(jié)束后為重起發(fā)動機供電，因此，通常依賴 BMS (電池管理系統(tǒng)) 在車輛運行時候計算這些數(shù)據(jù)。BMS 需要準確的開路電壓數(shù)據(jù)，即開路電壓與荷電態(tài)直接相關(guān)。由于 EFB 電池的電解液存在酸分層現(xiàn)象，酸密度存在濃度梯度，開路電壓不準確，荷電態(tài) SOC 預測性差，BMS 可能被誤導，計算出來的 SOC 是錯誤的，這樣很可能會抵消起停系統(tǒng)的功能，即依據(jù)發(fā)生酸分層的 EFB開路電壓數(shù)據(jù)，存在高估電池性能的風險，因此，EFB 電池適用于沒有智能充電管理的帶起停系統(tǒng)的車型。

起停電池總是處于充放電循環(huán)中，循環(huán)壽命要求較現(xiàn)有電池高得多，需要推出長循環(huán)壽命 AGM電池。EFB 電池則需采取抑制酸分層的措施，防止開路電壓 OCV 與荷電態(tài) SOC 不匹配，防止活性物質(zhì)過度硫酸鹽化，防止電池早期失效。江森自控提出需要根據(jù)不同的起停功能要求，選擇適用的電池，如 EFB 電池用于能量回收要求不高的入門級起停車，AGM 電池用于要求能量回收功能較好的先進起停車，將 AGM 技術(shù)和其它技術(shù)結(jié)合起來用于系統(tǒng)性優(yōu)化[5]。

4 起停電池國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外起停技術(shù)起步較早，經(jīng)過二三十年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前該系統(tǒng)在歐洲已經(jīng)非常普及，美國也在大力推廣和使用。奧迪、寶馬、保時捷等車企已經(jīng)實現(xiàn)了標配。領(lǐng)先的起停電機廠家有德爾福、博世、日本電裝等公司，起停電池廠家主要有美國江森自控 (VARTA)、東賓 (EastPenn)、日本湯淺 (GS YUASA)、古河 (FB) 等公司。其技術(shù)路線及產(chǎn)品如表 1 所示。

表 1 國際領(lǐng)先的起停電池制造商技術(shù)路線及產(chǎn)品

根據(jù)表 2 中江森自控公司的數(shù)據(jù)[7]，AGM 電池的充放電耐久性是普通電池的 3 倍，電量更為強勁且使用壽命更長，能夠克服各類嚴苛環(huán)境的挑戰(zhàn)，能滿足起停汽車對蓄電池的各種要求。該電池2007 年投用，迄今累計生產(chǎn)了 2 000 萬套。江森自控公司的起停 AGM 電池主要有五個型號，其容量為 60～105 Ah，主要用于微混車輛，支持再生制動、智能電壓控制及交流電機被動起動等功能。目前 AGM 電池在汽車電池市場中增速最快，這源自整車配套和售后市場的需求。該公司正積極投資擴大其全球 AGM 電池產(chǎn)能，以支持北美、歐洲和中國市場對起停汽車需求的增長。其 EFB 電池定位是介于普通起動電池與 AGM 電池之間的一種產(chǎn)品，采用較厚的隔板、高密度活性材料以及聚酯絨物，循環(huán)壽命是標準起動電池的兩倍，主要有 5 個型號，容量 60～80 Ah。此外，江森自控公司積極探索新一代起停電池技術(shù)，即在 AGM 電池中添加炭材料作為加強型 AGM 電池 (EFM)，其循環(huán)壽命可達普通 AGM 電池的兩倍，用戶有奔馳、寶馬、奧迪、通用等。

表 2 江森自控公司起停電池技術(shù) (Varta 瓦爾塔)

除了起停鉛酸電池，江森自控公司還于 2015年推出了全新的鋰鈦電池產(chǎn)品[8]，進一步擴展其汽車電池產(chǎn)品線。該項 12 伏電池技術(shù)由江森自控和東芝聯(lián)合開發(fā)，采用東芝的 SCiBTM 電芯，適用于更為先進的起停汽車車型。先進汽車起停系統(tǒng)會搭載兩只電池：其中一只是 12 V AGM 電池或 EFB電池，為起動發(fā)動機、照明、導航系統(tǒng)和無線電等車載設備提供電能；12 V 鋰鈦電池則主要用于接收和儲存車輛減速時產(chǎn)生的再生制動能量，從而提供更高的電量和負載管理空間。電池尺寸和紙巾盒相仿，質(zhì)量約 9 lb，壽命 4～6 a。新電池僅對汽車的起停系統(tǒng)供電，因此汽車本身仍需額外配一個電池。12 V 電池系統(tǒng)將于 2018 開始生產(chǎn)。

日本杰士湯淺公司的起停電池以 EFB 技術(shù)路線為主，自 2009 年推出第一代起停電池以來，不斷進行技術(shù)改進，通過優(yōu)化板柵設計、采用高密度正極活性物質(zhì)、負極板柵特殊處理以及正極板中添加新型添加劑改善充電接受能力和耐久性，目前已經(jīng)發(fā)展至第四代。第四代產(chǎn)品的充電接受能力比傳統(tǒng)電池提高 3 倍，耐久性是傳統(tǒng)電池的 4 倍。杰士湯淺公司的起停電池產(chǎn)品主要原裝配套豐田、鈴木、本田、馬自達等車型，占日本國內(nèi)起停車用電池市場份額的 50 %[9]。

日本古河公司的起停電池技術(shù)路線則是富液式鉛炭超級電池。CSIRO (澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織) 發(fā)明了鉛炭超級電池, 其負極采用電容器炭材料與鉛酸電池負極復合的內(nèi)并式結(jié)構(gòu)，可以極大地減少 HRPSOC 工況下硫酸鹽的積累，提高電池性能和使用壽命。鉛炭超級電池是鉛酸電池的創(chuàng)新技術(shù)，相比鉛酸電池有著諸多優(yōu)勢：充電快，放電功率高，循環(huán)壽命長、性價比高、使用安全穩(wěn)定。ALABC (國際先進鉛酸電池聯(lián)合會) 近年來開展的一系列示范項目表明，鉛炭超級電池是目前的電池體系中最適合起停系統(tǒng)技術(shù)需要的產(chǎn)品，能滿足帶能量回收功能的起停系統(tǒng)要求，甚至可以滿足中混和強混的技術(shù)要求[10]。

日本古河公司是 CSIRO 授權(quán)的兩家超級電池生產(chǎn)商之一。自 2004 年以來, CSIRO 就一直和古河公司在超級電池的研發(fā)活動與市場推廣方面進行合作。2006 年 ALABC 發(fā)起超級電池示范項目[11]，將古河超級電池模塊裝在本田 Insight 混合動力車上，在英國已完成 10 萬英里的路試，結(jié)果表明超級電池在無任何均充的條件下，模塊電壓和荷電態(tài)一致性較好。

此外，古河公司針對不同起停工況可能引起的失效模式進行了分析[6]，見表 3，開發(fā)的富液式超級電池在充電接受能力、PSOC 循環(huán)壽命較 EFB電池有大幅提升， 80 % SOC 動態(tài)充電循環(huán)壽命達到同款 EFB 電池的 2 倍。2011 年開始，日本汽車開始大規(guī)模配置起停系統(tǒng)。2013 年，古河公司在日本推出 4 款富液式超級電池 (M-42/N-55/Q-85/ S-95)，并配套本田奧德賽商用車。

表 3 日本古河起停電池失效模式分析

美國東賓公司于 2007 年成為超級電池授權(quán)生產(chǎn)商，可在除日本和泰國外的全球范圍內(nèi)進行推廣。2009 年獲得奧巴馬政府對超級電池的巨額資助，后與美國桑迪亞國家實驗室合作，模擬測試超級電池在 HRPSOC 條件下的性能，在混合動力測試中循環(huán)耐久性較普通鉛酸電池提高 3～4 倍[12]。

Exide 公司 2010 年在美國開始生產(chǎn) AGM 起停電池，總投資 8000 萬美元。Exide 卷繞式起停電池的起停壽命超過 22 萬次。近年來，ALABC 的微混示范項目中多采用 Exide 卷繞式超級電池，大眾Passat 1.4I 搭載 Exide 12 V 單體容量 100 Ah 卷繞式超級電池。根據(jù) Eucar 助力測試方法實驗室測試達到 14 萬英里，實現(xiàn) 7 %～18 % 的節(jié)油減排[13]。

美國、日本、歐洲等國家對汽車尾氣的排放有嚴格的法規(guī)控制，燃油經(jīng)濟性要求較高，民眾的環(huán)保意識較強，這也是歐美起停汽車得到廣泛普及的主要原因。盡管如此，目前國外的起停技術(shù)尚未完全成熟，能量回收功能、低速輔助功能方面需要進一步增強，起停電池在動態(tài)充電接受能力、耐高溫性和循環(huán)壽命方面仍有待進一步改善。

5 起停電池國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國汽車采用起停技術(shù)的比例還很低，據(jù)統(tǒng)計，2013 年起停系統(tǒng)的裝配率還不到 4 %，跟國外相比差距非常大。目前國內(nèi)主要汽車廠商如一汽、上汽、上海大眾等眾多廠家在旗下部分主力車型搭載了起停系統(tǒng)，并逐步將該系統(tǒng)作為標準配置應用于更多系列車型。隨著起停技術(shù)的推廣應用及節(jié)能減排效果的顯現(xiàn)，該項技術(shù)將作為標準配置出現(xiàn)在國內(nèi)更多的車型中。國內(nèi)的起停技術(shù)目前主要受制于電控和電池技術(shù)。

雖然國內(nèi)起停電池技術(shù)與國外水平差距較大，起停電池產(chǎn)品的成熟度較低，但是主流電池企業(yè)都在積極布局，正在通過自主研發(fā)和對外技術(shù)合作等方式不斷縮短與國外技術(shù)的差距。

南都電源公司一直密切關(guān)注起停電池技術(shù)的發(fā)展，早在 10 年前已經(jīng)著手起停電池的研究工作，與上汽、一汽、重慶長安汽車研究院等多家車企開展了深度合作。南都起停電池采用 AGM 技術(shù)、鉛炭技術(shù)和高溫電池技術(shù)，具有使用溫度范圍廣，冷起動性能優(yōu)越、循環(huán)壽命高等特性，尤其高倍率部分荷電態(tài) (HRPSOC) 下的循環(huán)壽命可達 20 萬次以上[14]。南都電源 “鉛炭電池”技術(shù)研究獲得了國際先進鉛酸電池聯(lián)合會 (ALABC) 的資助，高性能鉛炭起停電池技術(shù)獲得了國家“強基工程”項目資助。此外，風帆、駱駝、超威等企業(yè)也在積極開展起停電池技術(shù)的研究，加強同國外起停電池企業(yè)的技術(shù)合作。

6 結(jié)束語

國外起停技術(shù)正在向先進水平邁進，能量回收功能、低速輔助功能方面需要進一步增強，起停電池技術(shù)需要重點提升動態(tài)充電接受能力、耐高溫性和循環(huán)壽命方面的性能。國內(nèi)起停電池技術(shù)不斷發(fā)展，逐步縮小與國外的技術(shù)差距，不斷提升起停系統(tǒng)的性能，推進汽車起停系統(tǒng)的進一步普及。

參考文獻：

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Overview of the development of start-stop battery technology

SHANG Xiaoli, HUANG Bin, WU Xianzhang
(Zhejiang Narada Power Source Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 311305, China)

Abstract:This paper presents an overview on start-stop battery technology worldwide, describes the solution features and the latest researches and developments, marketing activities in the leading companies in this start-stop battery field as well as the developments of start-stop battery in the mainstream manufactures in China, and states the key directions of start-stop battery technology development and performance enhancement.

Key words:start-stop battery; AGM battery; EFB battery; super battery; deep charge and discharge; part state of charge

收稿日期：2015–06–08

中圖分類號：TM 912.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0847(2016)01-45-06