浅谈Plug-in HEV对锂离子动力电池的需求

摘要：通过对Plug-in HEV各种工况的分析，提出混合动力车对电池的需求，结合整车的安全要求建议动力电池组布置在车辆的前后轴之间，并对电池组的电、热管理系统进行了简要论述。

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

电动车具有不依赖石油资源、零排放、使用成本低和能平抑电网用电低谷等优点，在国际石油资源日渐枯竭的大背景下是在交通领域解决能源问题的最好也是最终的方法。

电动汽车分为纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV），在目前电池技术尚不能满足车辆的续驶里程需求的情况下，混合动力汽车（HEV）成为纯电动车普及前的最佳过渡型方案。可外接充电式混合动力汽车（Plug-in HEV）作为混合动力汽车（HEV）的一种具有以下特点：

① 具有纯电动汽车的全部优点：低噪音、零排放及高能量效率。

② Plug-in HEV介于纯电动和常规混合动力电动汽车之间，加满油行驶里程不受限制。

③ 可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行充电，可改善电厂发电机组效率，电价低降低使用成本。

④ Plug-in HEV的充电使用火电，排放的二氧化碳也比汽油车少。

由于这些特点，使得Plug-in HEV成为电动汽车的一个重要研究和发展方向。Plug-in HEV动力系统主要可分为并联式、串联式和混联式三种结构，其结构主要特点与传统HEV类似。但是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 锂离子动力电池技术的发展

锂离子电池是上世纪90年代新兴起的电池，具有体积小、比能量和比功率高、电压高、寿命长和环保性好无污染性等优点，能量密度几乎是镍镉电池的1.5～3倍，也就是说在同样大小能量的情况下，锂电池的体积和质量可减小1/2左右。单元电池的平均电压为3.2～3.7V，相当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。这样能减少电池组合体的数量，从而因单元电池电压差所造成的电池故障的概率可减少许多。相对于镍镉电池和镍氢电池，充电时不用先进行放电，给使用带来了极大的方便性；锂离子电池还具备自放电低的优点。由于锂离子电池不含有镉、汞和铅等重金属，因此可以说是绿色的环保电池。总之，锂离子电池已日臻完善，在电动车上大有取代铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之势，各种电池的参数对比如表1所示。

锂离子电池按材料分类主要有LiCoO2、LiNiCoMnO2、LiMn2O4和LiFePO4等，但由于LiCoO2和LiMn2O4动力电池始终存在着寿命和安全问题，制约了其在电动车上的应用。随着电池材料的技术不断进步，磷酸铁锂材料以其高稳定性、高安全性等优点，从根本上解决了电池的安全与寿命问题，为环保型电动汽车的发展带来了新的希望。采用橄榄石型的LiFePO4正极材料，由于磷酸根取代了金属氧，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），因此在滥用条件下不会有氧气析出，解决了其他现有正极材料不能解决的安全问题，具有高安全性、高温性能好、高稳定性等特点。各种锂离子电池的性能参数如表2。

表1 各种电化学体系的性能参数比较

表2 不同体系锂离子电池的性能参数比较

虽然锂离子电池技术取得了突破性的进展，但是就目前的技术而言在满足整车的需求方面仍存在以下问题：

① 电池的低温特性不好，低温放电效率低，电池温度低于0℃时无法充电；

② 电池一致性差，造成电池成组后电池包整体寿命大幅度下降；

③ 电池成本太高，就纯电动轿车而言电池成本超过了整车成本的40%；

④ 电池包设计水平低，不能适应车辆的温度、振动、冲击、潮湿等恶劣工况的要求；

⑤ 电池管理系统对电池组的热管理、电管理和监测系统技术不过关，造成电池组早期损坏。

因此有必要在电动车开发时，需针对整车的技术要求对动力电池进行针对性的设计和开发，达到保护好、用好电池的目的。

3 车辆的不同行驶工况对电池的需求

图1是Plug-in HEV在通常行驶过程中的驱动设备工作示意图，下面就车辆在不同行驶条件下对动力电池组的要求谈谈自己的看法。

图1 Plug-in HEV在通常行驶过程中的驱动设备工作示意图

（1）车辆停止工况

该工况发动机和驱动电机均处于停止状态，避免了普通燃油车的怠速燃油消耗，这时需电池电量处于如下图2的高效工作区，以便于驱动车辆和吸收车辆的制动回馈能量。

图2 电池组不同的工作区域

（2）起动加速工况

该工况对应普通燃油车辆的起步状态，由驱动电机驱动车辆起步，此时驱动电机处于最大功率状态，要求电池的最大输出功率(PB)大于电机的最大功率(PMmax)；由于在不同电池的荷电状态（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要电池的PB(SOCmlid)>PMmax。

（3）中低速行驶工况

该工况对应普通燃油车辆的中、低速行驶状态；Plug-in HEV的基本工作策略也有两种选择：纯电动控制策略和发动机为主控制策略。纯电动控制策略：主要应对城市工况，如图3所示。车辆启动后先以纯电动工作，车辆仅由电机驱动，电池组工作在电能消耗模式，当SOC下降到下限时，起动发动机，切换到电量保持模式，此时车辆工作与全混合动力车辆类似，车辆以发动机驱动为主，在发动机功率不足时由动力电池组提供能量，电机辅助车辆行驶。发动机为主控制策略：主要应对郊区工况，如图4所示。此时车辆即使在起始的电量消耗模式阶段，以驱动电机为主驱动车辆行驶，发动机用来辅助驱动，当SOC下降到下限时，切换到电量保持模式。车辆在中、低速行驶工况下以纯电动工作模式为主。

据统计，单独使用纯电驱动可以行驶40英里可以满足美国90%以上城市居民的一天的出行需求，因此一般Plug-in HEV在电池的电量消耗阶段满足大于60公里即可；由于在城市内车速不会太高，所以一般最高车速不超过80km/h，SOC在100%～20%之间。电池的容量按照城市工况计算，下图为某车型按照ECE工况用Matlab进行仿真分析的纯电动控制策略能量消耗。通过以上仿真可以看出，在电量消耗阶段，电池组向驱动电机提供驱动车辆所需要的能量，并将车辆制动过程中的部分能量回收，以延长车辆的续驶里程；在电量保持阶段，电池组向电机提供电辅助所需要的能量，由于该阶段电池电量较低，相对输出功率也较低，因此必须保证PB(SOCmlid)>PMmax；同时必须保证电池的可吸收功率大于电机在能量回馈过程中的发电功率。

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 按照ECE工况用Matlab进行仿真分析的纯电动控制策略能量消耗

（4）加速行驶工况

该工况同普通燃油车辆的加速行驶状态相同，主要由发动机驱动，由动力电池组向驱动电机提供能量协助发动机完成车辆的加速工作，以提高发动机的燃油经济性。在该过程中由于电机的工作时间较短，但是一般工作在最大功率状态，所以对电池组的功率特性要求较高。

（5）高速行驶工况

该工况同普通燃油车的高速行驶状态，发动机工作在高效区，在该工况下电机的驱动模式可以转化为发电模式，利用发动机的富裕功率发电，这时电池组的SOC处于上升状态（一般SOC不超过80%，剩余20%由于回收制动能量回馈电能），由于发动机的部分能量储存到电池组中，所以车辆在该工况下能耗较常规燃油车改善不明显。

（6）减速、制动

减速和制动是电动车区别于常规车的主要特征，利用该过程中产生的回收能量，可以延长电动车的续驶里程，提高整车的能量利用效率；该工况和常规车的减速和制动工况相同，所不同的是普通燃油车的减速和制动利用发动机的拖滞力和机械制动系统制动，而电动车则是利用驱动电机的回馈制动和机械制动相结合实现的。为了提高能量回收效率，所以电池的电量保持在图3所示SOCmin和SOCmax之间。

（7）停车

常规车停车就意味着车辆的一切工作停止，而作为纯电动车和Plug-in HEV是补充能量的时间；在电动车上一般设有快充和慢充两种模式；快充是采用地面充电站充电，一般要求15～20min充电80%，要求电池系统和充电站具备通讯能力，适时监测电池的状态（电压、电流、温度等信息）对充电过程进行管理，在保证电池质量的前提下，实现快速充电，一般Plug-in HEV能够满足5C以上的充电能力；慢充即采用车载充电机充电，受家用充电插座的限制，充电机功率不会太大，充电时间较长一般需要4小时以上的时间。

4 动力电池组的整车布置

基于目前动力电池具有体积大、沉重和放电功率大等特点，在整车设计时除了需要考虑空间、重量分配、操纵稳定性和制动性能等问题外，碰撞安全问题是需要重点考虑的内容，需要满足我国、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，最新法规要求车辆在碰撞后绝缘电阻不能小于500V/Ω；目前国内许多改装车将电池包放在车辆的两侧和车辆后部的背胎或行李箱位置是非常不合理的，最佳电池组布置是在前后轴之间的方案；图6、7是目前具有代表性的两个方案。

5 电池的监测与管理

电池技术是电动车技术的瓶颈技术，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命可达2000次，电动车在日常使用过程中全充全放的几率很少，因此电池组的理论使用寿命要大于2000次，能够满足车辆生命使用周期的要求；但是车辆的使用条件（温差大、振动、冲击、大电流充放电等）和实验室存在较大的差别，再加上电池一致性的因素，所以目前电池成组后的电池寿命常常不足600次；因此如何对电池组进行实时监控和有效的管理为电池营造一个适宜的工作环境是摆在我们面前的一个主要课题；

5.1 电池的热管理技术

电池对温度较为敏感，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主要原因；电池的热管理系统的主要功能包括：电池温度的测量与监控、电池组温度过高时的有效散热与通风、低温条件下的快速加热、有害气体产生时的有效通风、保证温度场的均匀分布；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设计，以达到热管理的目的；按照冷却介质可以分为：水冷、风冷；其中水冷采用水或乙醇作为冷却介质，具备对位置不敏感，适应温度范围广的优点，但是存在结构复杂、成本高、维护复杂等缺点，所以目前应用较少；风冷方式虽然具有效率低和适应温度范围窄等缺点，但是和整车暖通系统结合后会有很大程度的改善，再加上具备设计简单、成本低、易于实现等优点是目前应用的主流。电池的风冷系统分为串联和并联两种，虽然串联具有简单和成本低的特点，但是存在电池组温差大的缺点，目前应用较少。目前应用的电池通风系统以并联为主，如丰田的Pruis和RAV4等；一般要求电池组的单体温差不超过5℃，图8为Prius第一代和第二代串、并联温度场对比图。

图8  Prius第一代和第二代串、并联温度场对比图

5.2 电池的电管理技术

如图9所示电池的电管理系统的主要功能包括数据采集、数据显示、状态估计、数据通讯、安全管理、能量管理和故障诊断等。

图9 电池管理系统的功能示意

电池管理系统所能采集的只有电池的电流、电压、温度及绝缘电阻等信息，通过数据采集将温度信息发送给热管理系统，使电池工作在最佳的温度范围；安全管理是根据数据采集信息进行分析并发出报警信号和指令，以保护电池系统和乘客的安全；数据显示和状态估计是显示电池当前的工作信息和电池的状态，电池状态主要是SOC和电池的健康状态（SOH）,通过电池状态的估计决定整车的控制策略是纯电动控制策略还是发动机为主的工作模式，另外通过电池状态的估计也能提供更换故障电池的信息，以提高售后工作的效率。

能量管理是对电池充放电过程的控制，对电池模块的均衡是其主要工作之一，是弥补目前电池一致性较差和提高系统效率的主要方法；电池的均衡分主动均衡和被动均衡两种；图10所示为被动均衡方式，当电池B1电压高于设定值时，充电电流经过电阻R1和开关管K1旁路以减少电池B1的充电量；图11为主动均衡，其原理类似于升压变压器，当电池5电压超过额定值时开关sec5闭合，电流I1将电池5充电电流旁路将电能储存于变压器的高压绕组中，同时将开关prim闭合将产生电流I2给电池组充电。主动均衡和被动均衡的对比效果如表3所示。

表3 主动均衡和被动均衡的对比

6 总结

电池技术是电动车的关键技术，也是电动车的最薄弱环节，只有充分的了解车辆的实际运行条件，根据电池的特点进行针对性的电动车专用车身及动力总成开发，做到保护好、用好电池，才能开发出经济、安全并为大多数消费者所能接受的车。目前以磷酸铁锂为代表的高性能电池已经有了技术突破，并在快速发展，相信在不久的将来，在国家政策的支持下，再加上市场需求的拉动，电动车将成为人们的主要代步工具。