浅谈Plug-in HEV对锂离子动力电池的需求

浅谈Plug-in HEV对锂离子动力电池的需求

摘要：通过对Plug-in HEV各种工况的剖析，提出混合动力车对电池的需求，结合整车的安全要求主张动力电池组安置在车辆的前后轴之间，并对电池组的电、热办理体系进行了扼要论说。

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 前语

电动车具有不依赖石油资源、零排放、运用本钱低和能平抑电网用电低谷等长处，在世界石油资源日渐干涸的大布景下是在交通范畴处理动力问题的最好也是终究的办法。

电动轿车分为纯电动轿车（BEV）、混合动力轿车（HEV）、燃料电池电动轿车（FCEV），在现在电池技能尚不能满意车辆的续驶路程需求的情况下，混合动力轿车（HEV）成为纯电动车遍及前的最佳过渡型计划。可外接充电式混合动力轿车（Plug-in HEV）作为混合动力轿车（HEV）的一种具有以下特色：

① 具有纯电动轿车的悉数长处：低噪音、零排放及高能量功率。

② Plug-in HEV介于纯电动和惯例混合动力电动轿车之间，加满油行进路程不受约束。

③ 可运用外部共用电网（首要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行充电，可改进电厂发电机组功率，电价低下降运用本钱。

④ Plug-in HEV的充电运用火电，排放的二氧化碳也比汽油车少。

因为这些特色，使得Plug-in HEV成为电动轿车的一个重要研讨和开展方向。Plug-in HEV动力体系首要可分为并联式、串联式和混联式三种结构，其结构首要特色与传统HEV相似。可是Plug-in HEV用发动机功率比HEV的小，电机和电池的功率、容量比HEV的大，电池可通过电力网进行充电。

2 锂离子动力电池技能的开展

锂离子电池是上世纪90年代新鼓起的电池，具有体积小、比能量和比功率高、电压高、寿数长和环保性好无污染性等长处，能量密度几乎是镍镉电池的1.5～3倍，也就是说在相同巨细能量的情况下，锂电池的体积和质量可减小1/2左右。单元电池的均匀电压为3.2～3.7V，相当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。这样能削减电池组合体的数量，然后因单元电池电压差所形成的电池毛病的概率可削减许多。相对于镍镉电池和镍氢电池，充电时不必先进行放电，给运用带来了极大的方便性；锂离子电池还具有自放电低的长处。因为锂离子电池不含有镉、汞和铅等重金属，因而能够说是绿色的环保电池。总归，锂离子电池已日臻完善，在电动车上大有替代铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之势，各种电池的参数比照如表1所示。

锂离子电池按资料分类首要有LiCoO2、LiNiCoMnO2、LiMn2O4和LiFePO4等，但因为LiCoO2和LiMn2O4动力电池一直存在着寿数和安全问题，约束了其在电动车上的运用。跟着电池资料的技能不断进步，磷酸铁锂资料以其高稳定性、高安全性等长处，从根本上处理了电池的安全与寿数问题，为环保型电动轿车的开展带来了新的期望。选用橄榄石型的LiFePO4正极资料，因为磷酸根替代了金属氧，具有大键角（109度）、大键能（Co-O键的2倍）、含热量低（100焦耳/克，是金属锰的1/3）、热失控温度高（400度，是金属锰的2倍），因而在乱用条件下不会有氧气分出，处理了其他现有正极资料不能处理的安全问题，具有高安全性、高温功用好、高稳定性等特色。各种锂离子电池的功用参数如表2。

表1 各种电化学体系的功用参数比较

 

 

表2 不同体系锂离子电池的功用参数比较

 

 

尽管锂离子电池技能取得了突破性的发展，可是就现在的技能而言在满意整车的需求方面仍存在以下问题：

① 电池的低温特性欠好，低温放电功率低，电池温度低于0℃时无法充电；

② 电池一致性差，形成电池成组后电池包全体寿数大幅度下降；

③ 电池本钱太高，就纯电动轿车而言电池本钱超越了整车本钱的40%；

④ 电池包规划水平低，不能习惯车辆的温度、振荡、冲击、湿润等恶劣工况的要求；

⑤ 电池办理体系对电池组的热办理、电办理和监测体系技能不过关，形成电池组前期损坏。

因而有必要在电动车开发时，需针对整车的技能要求对动力电池进行针对性的规划和开发，到达维护好、用好电池的意图。

3 车辆的不同行进工况对电池的需求

图1是Plug-in HEV在一般行进进程中的驱动设备作业暗示图，下面就车辆在不同行进条件下对动力电池组的要求谈谈自己的观点。

 

图1 Plug-in HEV在一般行进进程中的驱动设备作业暗示图

（1）车辆中止工况

该工况发动机和驱动电机均处于中止状况，避免了一般燃油车的怠速燃油耗费，这时需电池电量处于如下图2的高效作业区，以便于驱动车辆和吸收车辆的制动回馈能量。

 

图2 电池组不同的作业区域

（2）起动加快工况

该工况对应一般燃油车辆的起步状况，由驱动电机驱动车辆起步，此刻驱动电机处于最大功率状况，要求电池的最大输出功率(PB)大于电机的最大功率(PMmax)；因为在不同电池的荷电状况（SOC）的情况下电池具有不同的放电功率，所以在选取电池时需求电池的PB(SOCmlid)>PMmax。

（3）中低速行进工况

该工况对应一般燃油车辆的中、低速行进状况；Plug-in HEV的根本作业战略也有两种挑选：纯电动操控战略和发动机为主操控战略。纯电动操控战略：首要应对城市工况，如图3所示。车辆发动后先以纯电动作业，车辆仅由电机驱动，电池组作业在电能耗费形式，当SOC下降到下限时，起动发动机，切换到电量坚持形式，此刻车辆作业与全混合动力车辆相似，车辆以发动机驱动为主，在发动机功率缺乏时由动力电池组供给能量，电机辅佐车辆行进。发动机为主操控战略：首要应对市郊工况，如图4所示。此刻车辆即便在开始的电量耗费形式阶段，以驱动电机为主驱动车辆行进，发动机用来辅佐驱动，当SOC下降到下限时，切换到电量坚持形式。车辆在中、低速行进工况下以纯电动作业形式为主。

据统计，独自运用纯电驱动能够行进40英里能够满意美国90%以上城市居民的一天的出行需求，因而一般Plug-in HEV在电池的电量耗费阶段满意大于60公里即可；因为在城市内车速不会太高，所以一般最高车速不超越80km/h，SOC在100%～20%之间。电池的容量依照城市工况核算，下图为某车型依照ECE工况用Matlab进行仿真剖析的纯电动操控战略能量耗费。通过以上仿真能够看出，在电量耗费阶段，电池组向驱动电机供给驱动车辆所需求的能量，并将车辆制动进程中的部分能量收回，以延伸车辆的续驶路程；在电量坚持阶段，电池组向电机供给电辅佐所需求的能量，因为该阶段电池电量较低，相对输出功率也较低，因而有必要确保PB(SOCmlid)>PMmax；一起有必要确保电池的可吸收功率大于电机在能量回馈进程中的发电功率。

车辆循环车速/(km/h)

 

 

动力电池SOC/%

 

 

动力电池输出电流/A

 

 

电机输出功率/kW

图5 依照ECE工况用Matlab进行仿真剖析的纯电动操控战略能量耗费

（4）加快行进工况

该工况同一般燃油车辆的加快行进状况相同，首要由发动机驱动，由动力电池组向驱动电机供给能量帮忙发动机完结车辆的加快作业，以进步发动机的燃油经济性。在该进程中因为电机的作业时刻较短，可是一般作业在最大功率状况，所以对电池组的功率特性要求较高。

（5）高速行进工况

该工况同一般燃油车的高速行进状况，发动机作业在高效区，在该工况下电机的驱动形式能够转化为发电形式，运用发动机的殷实功率发电，这时电池组的SOC处于上升状况（一般SOC不超越80%，剩下20%因为收回制动能量回馈电能），因为发动机的部分能量贮存到电池组中，所以车辆在该工况下能耗较惯例燃油车改进不明显。

（6）减速、制动

减速和制动是电动车差异于惯例车的首要特征，运用该进程中发作的收回能量，能够延伸电动车的续驶路程，进步整车的能量运用功率；该工况和惯例车的减速和制动工况相同，所不同的是一般燃油车的减速和制动运用发动机的拖滞力和机械制动体系制动，而电动车则是运用驱动电机的回馈制动和机械制动相结合完成的。为了进步能量收回功率，所以电池的电量坚持在图3所示SOCmin和SOCmax之间。

（7）泊车

惯例车泊车就意味着车辆的一切作业中止，而作为纯电动车和Plug-in HEV是补偿能量的时刻；在电动车上一般设有快充和慢充两种形式；快充是选用地上充电站充电，一般要求15～20min充电80%，要求电池体系和充电站具有通讯才能，当令监测电池的状况（电压、电流、温度等信息）对充电进程进行办理，在确保电池质量的前提下，完成快速充电，一般Plug-in HEV能够满意5C以上的充电才能；慢充即选用车载充电机充电，受家用充电插座的约束，充电机功率不会太大，充电时刻较长一般需求4小时以上的时刻。

4 动力电池组的整车安置

依据现在动力电池具有体积大、沉重和放电功率大等特色，在整车规划时除了需求考虑空间、分量分配、操作稳定性和制动功用等问题外，磕碰安全问题是需求要点考虑的内容，需求满意我国、欧盟及北美等国家的关于正碰、侧碰、后碰等法规要求；在车辆发作磕碰后不爆破、不起火、不能危及乘客及行人要求等，最新法规要求车辆在磕碰后绝缘电阻不能小于500V/Ω；现在国内许多改装车将电池包放在车辆的两边和车辆后部的背胎或行李箱方位是十分不合理的，最佳电池组安置是在前后轴之间的计划；图6、7是现在具有代表性的两个计划。

 

5 电池的监测与办理

电池技能是电动车技能的瓶颈技能，是整车的薄弱环节，磷酸铁锂电池单体电池在实验室循环寿数可达2000次，电动车在日常运用进程中全充全放的几率很少，因而电池组的理论运用寿数要大于2000次，能够满意车辆生命运用周期的要求；可是车辆的运用条件（温差大、振荡、冲击、大电流充放电等）和实验室存在较大的不同，再加上电池一致性的要素，所以现在电池成组后的电池寿数常常缺乏600次；因而怎么对电池组进行实时监控和有用的办理为电池营建一个适合的作业环境是摆在咱们面前的一个首要课题；

5.1 电池的热办理技能

电池对温度较为灵敏，电池在不同的温度下表现出不同的特性（容量、内阻、功率等），在同一电池包中温度的差异是导致电池一致性差的首要原因；电池的热办理体系的首要功用包含：电池温度的丈量与监控、电池组温度过高时的有用散热与通风、低温条件下的快速加热、有害气体发作时的有用通风、确保温度场的均匀分布；通过电池、监测设备、传热介质、风机、电池箱、制冷及加热设备的组合规划，以到达热办理的意图；依照冷却介质能够分为：水冷、风冷；其间水冷选用水或乙醇作为冷却介质，具有对方位不灵敏，习惯温度规模广的长处，可是存在结构杂乱、本钱高、维护杂乱等缺陷，所以现在运用较少；风冷办法尽管具有功率低和习惯温度规模窄等缺陷，可是和整车暖通体系结合后会有很大程度的改进，再加上具有规划简略、本钱低、易于完成等长处是现在运用的干流。电池的风冷体系分为串联和并联两种，尽管串联具有简略和本钱低的特色，可是存在电池组温差大的缺陷，现在运用较少。现在运用的电池通风体系以并联为主，如丰田的Pruis和RAV4等；一般要求电池组的单体温差不超越5℃，图8为Prius第一代和第二代串、并联温度场比照图。

图8  Prius第一代和第二代串、并联温度场比照图

5.2 电池的电办理技能

如图9所示电池的电办理体系的首要功用包含数据收集、数据显现、状况估量、数据通讯、安全办理、能量办理和毛病诊断等。

 

图9 电池办理体系的功用暗示

 

电池办理体系所能收集的只要电池的电流、电压、温度及绝缘电阻等信息，通过数据收集将温度信息发送给热办理体系，使电池作业在最佳的温度规模；安全办理是依据数据收集信息进行剖析并发出报警信号和指令，以维护电池体系和乘客的安全；数据显现和状况估量是显现电池当时的作业信息和电池的状况，电池状况首要是SOC和电池的健康状况（SOH）,通过电池状况的估量决议整车的操控战略是纯电动操控战略仍是发动机为主的作业形式，别的通过电池状况的估量也能供给替换毛病电池的信息，以进步售后作业的功率。

能量办理是对电池充放电进程的操控，对电池模块的均衡是其首要作业之一，是补偿现在电池一致性较差和进步体系功率的首要办法；电池的均衡分自动均衡和被迫均衡两种；图10所示为被迫均衡办法，当电池B1电压高于设定值时，充电电流通过电阻R1和开关管K1旁路以削减电池B1的充电量；图11为自动均衡，其原理相似于升压变压器，当电池5电压超越额定值时开关sec5闭合，电流I1将电池5充电电流旁路将电能贮存于变压器的高压绕组中，一起将开关prim闭合将发作电流I2给电池组充电。自动均衡和被迫均衡的比照作用如表3所示。

 

表3 自动均衡和被迫均衡的比照