基于TRIZ理论的电容型镍氢动力电池的研发应用

秦 伟，蒋志军

(1.内蒙古科技大学 机械工程学院；2．内蒙古包头昊明稀土新电源科技有限公司，内蒙古 包头 014010)

电容型镍氢动力电池(后文简称“动力电池”)作为新一代绿色环保二次电池具有比功率高、大电流充放电性能好、无污染等特点[1-3]，同锂电池相比其相对低廉的价格和较好的安全性使其在新能源/电动公共交通领域具有相当比例的应用[4，5]。而在实际应用过程中，电容型镍氢动力电池存在着常温能量密度不足，充电/供电能力受低温影响较大的缺点。

TRIZ理论是科学家根里奇·阿奇舒勒(G．S．Alt-shuler)提出的解决发明问题的方法论，在问题分析、解决领域有着全面而独特的理论体系。在分析发现核心问题、解决矛盾、扩展思维、预测技术系统发展趋势等方面，TRIZ理论具有明显优势，其归纳提出的39个工程参数和40条发明原理经常用于解决各种技术难题[6]。

1 基于TRIZ理论的创新求解过程

1.1 背景描述

为满足公交车的正常运营，其一天内的运营里程为300 km左右，而动力电池充电一次所携带的电量难以支撑整个运营里程。在冬季气温较低的场合(-15 ℃以下)，其充电/供电能力受到的影响较大。当前的解决方案为：夜间对动力电池进行充电，白天电动公交车持续运营；如果动力电池电量不足则由另一辆电动公交车或燃油车接替继续运营，电动公交车运营效率较低。

1.2 分析求解

将动力电池作为一个技术系统，引入到TRIZ理论中进行分析。

1.2.1 功能分析。 对组成该技术系统的各个组件进行列表整理，确定相互之间的相互作用，构建功能模型如图1所示。

通过功能分析可知，温度和电源管理系统对技术系统的影响是最严重的。其中温度对技术系统的作用是有害的，直接影响正负极板与电解液之间电化学反应的进行；充电管理系统对技术系统的作用是不足的，其对充放电过程没有进行精确控制。

图1 电容性镍氢动力电池功能模型

据此可以得到方案(一)：对“电源管理系统”进行升级，实现电源实时监控，根据电源余量情况安排调度发车间隔，对补电充电时间进行合理化安排。

1.2.2 因果分析。 通过对整个系统出现的问题进行梳理，明确问题产生的层级和因果关系。通过分析可知，动力电池供能不足是整个系统的最终体现结果，其直接原因是动力电池电量不足，而具体原因其实可以分为三点：动力电池电容量低、动力电池低温下性能差、运营时间无法随时充电(充电时间短)，具体因果关系详见图2。

图2 系统因果关系模型

由图中因果关系可知，电池材料限制在所有根原因中所占比重最大，据此得到方案(二)：对动力电池的正负极板/电解液材料进行改进，引入稀土元素使其在寒冷工况条件下的充放电性能得到改善。

1.2.3 理想解分析。 系统的理想解分析就是提高其理想化水平的过程，其总体思想围绕着如下几步：设计的最终目的是什么、理想解是什么、达到理想解的障碍有哪些，不出现该障碍的条件是什么。通过逐步递进分析，一步步得到解决方案。

具体到本课题，有如下的分析过程：

A.设计的最终目的是什么？

——改善动力电池的电池容量属性和低温特性。

B.本课题的理想解是什么？

——动力电池可以持续大量供电，其性能不受低温影响。

C.达到理想解的障碍是什么？

——电动公交车长行程持续运行；环境的低温。

D.不出现该障碍的条件是什么？

——将电动公交车长行程缩短；改变动力电池的低温属性。

E.得到方案(三)：将电动公交车长行程运行改为短行程运行。

经过分析，电动公交车的长行程是指其一个工作日内的总运营里程，是在固定线路上往复多次折返，减少折返次数即变成了短行程运行。

1.2.4 资源分析。 对系统内部、外部资源进行分类，详见表1。

表1 动力电池系统内/外部资源分类

通过分析，发现从属于系统外部资源的支撑组件和散热组件当前的功能比较少，考虑对其进行改进。

方案(四)：对散热系统和支撑系统进行改进，在支撑系统内加入温度传感器和电偶元件，配合散热系统对动力电池的温度进行监控。温度过高启用散热系统；温度较低散热系统关闭，热电偶对动力电池进行适当加热，保证动力电池的正常工作温度。

1.2.5 技术矛盾分析。 技术矛盾是指系统的一个参数得到改善的同时，系统的另一个参数得到了恶化。在本课题中，其技术矛盾可以描述为：为了增加动力电池的电量，需要将其重量增加；但这样会影响公交车的续航时间。矛盾的两个参数分别是运动物体重量和运动物体作用时间。通过查找矛盾矩阵，得到推荐的发明原理为：

05 合并

19 周期性作用

31 多孔材料

34 抛弃与修复

通过分析，采用发明原理19周期性作用，得到方案(五)：增加充电次数，在电动公交车进站停靠间歇进行补电。

1.2.6 物理矛盾分析。 物理矛盾是指系统中的某一参数同时需要往相反的两个方向发生变化。通过对系统进行物理矛盾分析，得到了两对物理矛盾，分别描述如下：

物理矛盾1：为了公交车运营里程长，电池容量要大；考虑到整体重量要轻，电池容量要少。

物理矛盾2：为了保证正常供电/充电，温度要稍高；为了适应冬季低温环境，温度要低。

其分析求解过程见表2。

表2 动力电池系统物理矛盾分析

依据发明原理34抛弃与修复，得到方案(六)：在动力电池中的某个电池组件充电效率低时，对其进行更换以保证整体效率。

依据发明原理07套装，得到方案(七)：将动力电池放置在电动机附近和地板下方，利用电动机的发热和车内较高的温度来避免环境低温对其性能的影响。

采用发明原理17维数变化，得到方案(八)：将动力电池设计成三维模块结构，内部电池的温度由于有模块间的互相包裹不会因外界温度低而受影响。

1.2.7 物场分析。 TRIZ理论认为任何一个工程系统要正常工作必须具备3个要素：两个物质和一个场。这里“场”指的是物质之间的相互作用。在此构建动力电池供能时的物场模型。

图3所示的原系统物场模型为动力电池通过电场为电动公交车电机供电，动力电池是施加场的物质，电机是被施加场的物质。动力电池指向电机的箭头表示电场的作用是由动力电池施加到电机上；虚线表示电场的作用是不足的，指代实际使用时长行程供电能力不足。

根据TRIZ物场分析标准解系统判断，原系统物场模型表现为非有效完整的物场模型，应使用第二级改变/增强物场模型中的标准解来解决。选用标准解2.1.1串联物场模型，在原有物场模型中增加一个新的物质，施加场的物质通过新的物质对被施加场的物质施加场。

构建改进后的新的系统物场模型如图4所示，在动力电池和电机之间增加稳压调整元件，对电池输出电流进行微调，控制电机启停时的动力参数，提高电能利用效率，该物场模型即为方案(九)。

图3 原系统物场模型

图4 改进后的新的系统物场模型

2 方案评估

针对所有得到的方案进行汇总，从成本、实现的难易程度、实用性3个方面进行分析(见表3)。

表3 方案汇总及综合评估

通过分析可见，方案1、2、3、5、6的综合可用性比较好，为达到方案的最优解，考虑将这几个方案进行综合。

3 最终方案

采用丰度稀土贮氢合金对动力电池极板、电解液材料进行改进，提动力电池的能量密度和耐高、低温性能；调整电动公交车的运行安排，白天停靠总站时进行短时间大电流补电，夜间进行长时间小电流充电；电源管理系统实时监控动力电池状态并实时调整公交车总站停靠补电时间。

4 结论

通过在实际生产中对最终方案的实施操作，新型电容型镍氢动力电池的性能得到大幅改善，其在新能源交通领域的应用效果也得到了证实。在某地的实际使用情况表名，新型电容型镍氢动力电池作为电动公交车的运行能源，可以在连续多日低于-15 ℃的条件下正常工作，而白天补电间隔仅为10 min左右；在空调全开的情况每日运行商业里程超过200 km，出勤率100%[7]。 本文全面应用TRIZ理论对新型电容型镍氢动力电池的性能提升及实际应用进行了创新。在实际操作中，应用了功能分析、资源分析、因果分析、物场分析、矛盾解决理论等不同的TRIZ工具，对电容型镍氢动力电池的不足进行全方面分析求解，并对得到的原理方案进行综合评估，最终得出完整解决方案。同时也对TRIZ理论的各工具综合应用进行了梳理，对TRIZ理论应用于其他工业问题的解决提供了范例。