淺談Plug-in HEV對鋰離子動(dòng)力電池的需求

摘要：通過對Plug-in HEV各種工況的分析，提出混合動(dòng)力車對電池的需求，結(jié)合整車的安全要求建議動(dòng)力電池組布置在車輛的前后軸之間，并對電池組的電、熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了簡要論述。

Requirement for power lithium ion batteries of Plug-in HEV

ZHU Yong-li, LI Qiang

(Technology Institute, Great Wall Automobile Stock Co. Ltd,, Baoding Hebei 071000, China)

Abstract: By means of the analysis of various modes of plug-in HEV, the requirements for lithium ion batteries were proposed. It is suggested that the power battery packs had better to be arranged between the front axle and the back axle of the vehicles in order to meet the safety requirement. The electric and thermal management systems of the battery packs were also discussed.

Key words: Plug-in HEV; lithium ion battery; drive mode; arrangement for vehicles; battery management system

1 前言

電動(dòng)車具有不依賴石油資源、零排放、使用成本低和能平抑電網(wǎng)用電低谷等優(yōu)點(diǎn)，在國際石油資源日漸枯竭的大背景下是在交通領(lǐng)域解決能源問題的最好也是最終的方法。

電動(dòng)汽車分為純電動(dòng)汽車（BEV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）、燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV），在目前電池技術(shù)尚不能滿足車輛的續(xù)駛里程需求的情況下，混合動(dòng)力汽車（HEV）成為純電動(dòng)車普及前的最佳過渡型方案?？赏饨映潆娛交旌蟿?dòng)力汽車（Plug-in HEV）作為混合動(dòng)力汽車（HEV）的一種具有以下特點(diǎn)：

① 具有純電動(dòng)汽車的全部優(yōu)點(diǎn)：低噪音、零排放及高能量效率。

② Plug-in HEV介于純電動(dòng)和常規(guī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車之間，加滿油行駛里程不受限制。

③ 可利用外部公用電網(wǎng)（主要是晚間低谷電力）對車載動(dòng)力電池進(jìn)行充電，可改善電廠發(fā)電機(jī)組效率，電價(jià)低降低使用成本。

④ Plug-in HEV的充電使用火電，排放的二氧化碳也比汽油車少。

由于這些特點(diǎn)，使得Plug-in HEV成為電動(dòng)汽車的一個(gè)重要研究和發(fā)展方向。Plug-in HEV動(dòng)力系統(tǒng)主要可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和混聯(lián)式三種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)與傳統(tǒng)HEV類似。但是Plug-in HEV用發(fā)動(dòng)機(jī)功率比HEV的小，電機(jī)和電池的功率、容量比HEV的大，電池可通過電力網(wǎng)進(jìn)行充電。

2 鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展

鋰離子電池是上世紀(jì)90年代新興起的電池，具有體積小、比能量和比功率高、電壓高、壽命長和環(huán)保性好無污染性等優(yōu)點(diǎn)，能量密度幾乎是鎳鎘電池的1.5～3倍，也就是說在同樣大小能量的情況下，鋰電池的體積和質(zhì)量可減小1/2左右。單元電池的平均電壓為3.2～3.7V，相當(dāng)于3個(gè)鎳鎘或鎳氫電池串接起來的電壓值。這樣能減少電池組合體的數(shù)量，從而因單元電池電壓差所造成的電池故障的概率可減少許多。相對于鎳鎘電池和鎳氫電池，充電時(shí)不用先進(jìn)行放電，給使用帶來了極大的方便性；鋰離子電池還具備自放電低的優(yōu)點(diǎn)。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬，因此可以說是綠色的環(huán)保電池?？傊囯x子電池已日臻完善，在電動(dòng)車上大有取代鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池之勢，各種電池的參數(shù)對比如表1所示。

鋰離子電池按材料分類主要有LiCoO2、LiNiCoMnO2、LiMn2O4和LiFePO4等，但由于LiCoO2和LiMn2O4動(dòng)力電池始終存在著壽命和安全問題，制約了其在電動(dòng)車上的應(yīng)用。隨著電池材料的技術(shù)不斷進(jìn)步，磷酸鐵鋰材料以其高穩(wěn)定性、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，從根本上解決了電池的安全與壽命問題，為環(huán)保型電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來了新的希望。采用橄欖石型的LiFePO4正極材料，由于磷酸根取代了金屬氧，具有大鍵角（109度）、大鍵能（Co-O鍵的2倍）、含熱量低（100焦耳/克，是金屬錳的1/3）、熱失控溫度高（400度，是金屬錳的2倍），因此在濫用條件下不會有氧氣析出，解決了其他現(xiàn)有正極材料不能解決的安全問題，具有高安全性、高溫性能好、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。各種鋰離子電池的性能參數(shù)如表2。

表1 各種電化學(xué)體系的性能參數(shù)比較

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表2 不同體系鋰離子電池的性能參數(shù)比較

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雖然鋰離子電池技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，但是就目前的技術(shù)而言在滿足整車的需求方面仍存在以下問題：

① 電池的低溫特性不好，低溫放電效率低，電池溫度低于0℃時(shí)無法充電；

② 電池一致性差，造成電池成組后電池包整體壽命大幅度下降；

③ 電池成本太高，就純電動(dòng)轎車而言電池成本超過了整車成本的40%；

④ 電池包設(shè)計(jì)水平低，不能適應(yīng)車輛的溫度、振動(dòng)、沖擊、潮濕等惡劣工況的要求；

⑤ 電池管理系統(tǒng)對電池組的熱管理、電管理和監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)不過關(guān)，造成電池組早期損壞。

因此有必要在電動(dòng)車開發(fā)時(shí)，需針對整車的技術(shù)要求對動(dòng)力電池進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)和開發(fā)，達(dá)到保護(hù)好、用好電池的目的。

3 車輛的不同行駛工況對電池的需求

圖1是Plug-in HEV在通常行駛過程中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作示意圖，下面就車輛在不同行駛條件下對動(dòng)力電池組的要求談?wù)勛约旱目捶ā?br>

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圖1 Plug-in HEV在通常行駛過程中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作示意圖

（1）車輛停止工況

該工況發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均處于停止?fàn)顟B(tài)，避免了普通燃油車的怠速燃油消耗，這時(shí)需電池電量處于如下圖2的高效工作區(qū)，以便于驅(qū)動(dòng)車輛和吸收車輛的制動(dòng)回饋能量。

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圖2 電池組不同的工作區(qū)域

（2）起動(dòng)加速工況

該工況對應(yīng)普通燃油車輛的起步狀態(tài)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛起步，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于最大功率狀態(tài)，要求電池的最大輸出功率(PB)大于電機(jī)的最大功率(PMmax)；由于在不同電池的荷電狀態(tài)（SOC）的情況下電池具有不同的放電功率，所以在選取電池時(shí)需要電池的PB(SOCmlid)>PMmax。

（3）中低速行駛工況

該工況對應(yīng)普通燃油車輛的中、低速行駛狀態(tài)；Plug-in HEV的基本工作策略也有兩種選擇：純電動(dòng)控制策略和發(fā)動(dòng)機(jī)為主控制策略。純電動(dòng)控制策略：主要應(yīng)對城市工況，如圖3所示。車輛啟動(dòng)后先以純電動(dòng)工作，車輛僅由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電池組工作在電能消耗模式，當(dāng)SOC下降到下限時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，切換到電量保持模式，此時(shí)車輛工作與全混合動(dòng)力車輛類似，車輛以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足時(shí)由動(dòng)力電池組提供能量，電機(jī)輔助車輛行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)為主控制策略：主要應(yīng)對郊區(qū)工況，如圖4所示。此時(shí)車輛即使在起始的電量消耗模式階段，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為主驅(qū)動(dòng)車輛行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)用來輔助驅(qū)動(dòng)，當(dāng)SOC下降到下限時(shí)，切換到電量保持模式。車輛在中、低速行駛工況下以純電動(dòng)工作模式為主。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，單獨(dú)使用純電驅(qū)動(dòng)可以行駛40英里可以滿足美國90%以上城市居民的一天的出行需求，因此一般Plug-in HEV在電池的電量消耗階段滿足大于60公里即可；由于在城市內(nèi)車速不會太高，所以一般最高車速不超過80km/h，SOC在100%～20%之間。電池的容量按照城市工況計(jì)算，下圖為某車型按照ECE工況用Matlab進(jìn)行仿真分析的純電動(dòng)控制策略能量消耗。通過以上仿真可以看出，在電量消耗階段，電池組向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)車輛所需要的能量，并將車輛制動(dòng)過程中的部分能量回收，以延長車輛的續(xù)駛里程；在電量保持階段，電池組向電機(jī)提供電輔助所需要的能量，由于該階段電池電量較低，相對輸出功率也較低，因此必須保證PB(SOCmlid)>PMmax；同時(shí)必須保證電池的可吸收功率大于電機(jī)在能量回饋過程中的發(fā)電功率。

車輛循環(huán)車速/(km/h)

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動(dòng)力電池SOC/%

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動(dòng)力電池輸出電流/A

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電機(jī)輸出功率/kW

圖5 按照ECE工況用Matlab進(jìn)行仿真分析的純電動(dòng)控制策略能量消耗

（4）加速行駛工況

該工況同普通燃油車輛的加速行駛狀態(tài)相同，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由動(dòng)力電池組向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)完成車輛的加速工作，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。在該過程中由于電機(jī)的工作時(shí)間較短，但是一般工作在最大功率狀態(tài)，所以對電池組的功率特性要求較高。

（5）高速行駛工況

該工況同普通燃油車的高速行駛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，在該工況下電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式可以轉(zhuǎn)化為發(fā)電模式，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的富裕功率發(fā)電，這時(shí)電池組的SOC處于上升狀態(tài)（一般SOC不超過80%，剩余20%由于回收制動(dòng)能量回饋電能），由于發(fā)動(dòng)機(jī)的部分能量儲存到電池組中，所以車輛在該工況下能耗較常規(guī)燃油車改善不明顯。

（6）減速、制動(dòng)

減速和制動(dòng)是電動(dòng)車區(qū)別于常規(guī)車的主要特征，利用該過程中產(chǎn)生的回收能量，可以延長電動(dòng)車的續(xù)駛里程，提高整車的能量利用效率；該工況和常規(guī)車的減速和制動(dòng)工況相同，所不同的是普通燃油車的減速和制動(dòng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的拖滯力和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)，而電動(dòng)車則是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的回饋制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。為了提高能量回收效率，所以電池的電量保持在圖3所示SOCmin和SOCmax之間。

（7）停車

常規(guī)車停車就意味著車輛的一切工作停止，而作為純電動(dòng)車和Plug-in HEV是補(bǔ)充能量的時(shí)間；在電動(dòng)車上一般設(shè)有快充和慢充兩種模式；快充是采用地面充電站充電，一般要求15～20min充電80%，要求電池系統(tǒng)和充電站具備通訊能力，適時(shí)監(jiān)測電池的狀態(tài)（電壓、電流、溫度等信息）對充電過程進(jìn)行管理，在保證電池質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)快速充電，一般Plug-in HEV能夠滿足5C以上的充電能力；慢充即采用車載充電機(jī)充電，受家用充電插座的限制，充電機(jī)功率不會太大，充電時(shí)間較長一般需要4小時(shí)以上的時(shí)間。

4 動(dòng)力電池組的整車布置

基于目前動(dòng)力電池具有體積大、沉重和放電功率大等特點(diǎn)，在整車設(shè)計(jì)時(shí)除了需要考慮空間、重量分配、操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性能等問題外，碰撞安全問題是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，需要滿足我國、歐盟及北美等國家的關(guān)于正碰、側(cè)碰、后碰等法規(guī)要求；在車輛發(fā)生碰撞后不爆炸、不起火、不能危及乘客及行人要求等，最新法規(guī)要求車輛在碰撞后絕緣電阻不能小于500V/Ω；目前國內(nèi)許多改裝車將電池包放在車輛的兩側(cè)和車輛后部的背胎或行李箱位置是非常不合理的，最佳電池組布置是在前后軸之間的方案；圖6、7是目前具有代表性的兩個(gè)方案。

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5 電池的監(jiān)測與管理

電池技術(shù)是電動(dòng)車技術(shù)的瓶頸技術(shù)，是整車的薄弱環(huán)節(jié)，磷酸鐵鋰電池單體電池在實(shí)驗(yàn)室循環(huán)壽命可達(dá)2000次，電動(dòng)車在日常使用過程中全充全放的幾率很少，因此電池組的理論使用壽命要大于2000次，能夠滿足車輛生命使用周期的要求；但是車輛的使用條件（溫差大、振動(dòng)、沖擊、大電流充放電等）和實(shí)驗(yàn)室存在較大的差別，再加上電池一致性的因素，所以目前電池成組后的電池壽命常常不足600次；因此如何對電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效的管理為電池營造一個(gè)適宜的工作環(huán)境是擺在我們面前的一個(gè)主要課題；

5.1 電池的熱管理技術(shù)

電池對溫度較為敏感，電池在不同的溫度下表現(xiàn)出不同的特性（容量、內(nèi)阻、功率等），在同一電池包中溫度的差異是導(dǎo)致電池一致性差的主要原因；電池的熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：電池溫度的測量與監(jiān)控、電池組溫度過高時(shí)的有效散熱與通風(fēng)、低溫條件下的快速加熱、有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)、保證溫度場的均勻分布；通過電池、監(jiān)測設(shè)備、傳熱介質(zhì)、風(fēng)機(jī)、電池箱、制冷及加熱設(shè)備的組合設(shè)計(jì)，以達(dá)到熱管理的目的；按照冷卻介質(zhì)可以分為：水冷、風(fēng)冷；其中水冷采用水或乙醇作為冷卻介質(zhì)，具備對位置不敏感，適應(yīng)溫度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)，所以目前應(yīng)用較少；風(fēng)冷方式雖然具有效率低和適應(yīng)溫度范圍窄等缺點(diǎn)，但是和整車暖通系統(tǒng)結(jié)合后會有很大程度的改善，再加上具備設(shè)計(jì)簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)是目前應(yīng)用的主流。電池的風(fēng)冷系統(tǒng)分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，雖然串聯(lián)具有簡單和成本低的特點(diǎn)，但是存在電池組溫差大的缺點(diǎn)，目前應(yīng)用較少。目前應(yīng)用的電池通風(fēng)系統(tǒng)以并聯(lián)為主，如豐田的Pruis和RAV4等；一般要求電池組的單體溫差不超過5℃，圖8為Prius第一代和第二代串、并聯(lián)溫度場對比圖。

圖8? Prius第一代和第二代串、并聯(lián)溫度場對比圖

5.2 電池的電管理技術(shù)

如圖9所示電池的電管理系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)估計(jì)、數(shù)據(jù)通訊、安全管理、能量管理和故障診斷等。

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圖9 電池管理系統(tǒng)的功能示意

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電池管理系統(tǒng)所能采集的只有電池的電流、電壓、溫度及絕緣電阻等信息，通過數(shù)據(jù)采集將溫度信息發(fā)送給熱管理系統(tǒng)，使電池工作在最佳的溫度范圍；安全管理是根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息進(jìn)行分析并發(fā)出報(bào)警信號和指令，以保護(hù)電池系統(tǒng)和乘客的安全；數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)估計(jì)是顯示電池當(dāng)前的工作信息和電池的狀態(tài)，電池狀態(tài)主要是SOC和電池的健康狀態(tài)（SOH）,通過電池狀態(tài)的估計(jì)決定整車的控制策略是純電動(dòng)控制策略還是發(fā)動(dòng)機(jī)為主的工作模式，另外通過電池狀態(tài)的估計(jì)也能提供更換故障電池的信息，以提高售后工作的效率。

能量管理是對電池充放電過程的控制，對電池模塊的均衡是其主要工作之一，是彌補(bǔ)目前電池一致性較差和提高系統(tǒng)效率的主要方法；電池的均衡分主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種；圖10所示為被動(dòng)均衡方式，當(dāng)電池B1電壓高于設(shè)定值時(shí)，充電電流經(jīng)過電阻R1和開關(guān)管K1旁路以減少電池B1的充電量；圖11為主動(dòng)均衡，其原理類似于升壓變壓器，當(dāng)電池5電壓超過額定值時(shí)開關(guān)sec5閉合，電流I1將電池5充電電流旁路將電能儲存于變壓器的高壓繞組中，同時(shí)將開關(guān)prim閉合將產(chǎn)生電流I2給電池組充電。主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡的對比效果如表3所示。

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表3 主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡的對比

6 總結(jié)

電池技術(shù)是電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)，也是電動(dòng)車的最薄弱環(huán)節(jié)，只有充分的了解車輛的實(shí)際運(yùn)行條件，根據(jù)電池的特點(diǎn)進(jìn)行針對性的電動(dòng)車專用車身及動(dòng)力總成開發(fā)，做到保護(hù)好、用好電池，才能開發(fā)出經(jīng)濟(jì)、安全并為大多數(shù)消費(fèi)者所能接受的車。目前以磷酸鐵鋰為代表的高性能電池已經(jīng)有了技術(shù)突破，并在快速發(fā)展，相信在不久的將來，在國家政策的支持下，再加上市場需求的拉動(dòng)，電動(dòng)車將成為人們的主要代步工具。