混合动力汽车电池系统方案选型研究 杨聪娇 （上海捷能汽车技术有限公司，上海２０１８０４） 【摘要】 从电池系统电压、电池容量、电池系统充＼放电功率、电池系统充＼放电电流、ＳＯＣ工作区间等方 面，对混合动力汽车电池系统方案的选型进行研究。 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｈｅｍｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｖｏｌｔａｇｅ，ｂａｔｔｅｒｙ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｂａｔｔｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｒｇｅ＼ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｏｗｅｒ，ｂａｔｔｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｒｇｅ＼ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ＳＯＣ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｒａｎｇｅ，ｂａｔｔｅｒｙ ｓｉｚｅ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． 【关键词】 电池系统混合动力汽车方案选型 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１３．０５．０１ ０ 引言 １ 电池系统的工作电压 随着全球经济发展以及能源、环保等问题的 电池系统的要求均转化于车辆技术要求。车 日益突出，化石能源使用所带来的大气污染和温 辆的性能又直接受制于整个动力系统零部件的选 室气体对环境造成的影响已成不可逆转之趋势。 型及匹配，动力系统中影响最大的就是电池、电机 传统燃油汽车已成为环境污染、温室效应的主要 以及控制器，电池参数的选择则主要受制于电机 罪魁祸首。但是纯电动汽车续驶里程目前仍无法 及电机控制器，在系统无法明确提供零件需求时， 有重大突破，而插电式强混电动汽车由于专利壁 一般做法是先确定电机和电机控制器的工作电 垒技术太过复杂，目前能切实可行的仍为混合动 压、额定功率和最大功率，这几个参数直接影响电 力汽车。混合动力汽车由于电池、电机系统的调 池系统的选型。电机希望工作电压越高越好，而 节作用可以使传统内燃机避开低效率和高排放区 电机控制器要求整个动力系统的工作电压必须在 间，大大提高燃油经济性并降低排放。该技术已 某一电压下，否则将会对电机控制器造成致命性 经越来越受到世界各国的重视，目前混合动力汽 损坏。所以电池系统的工作电压基本上可以根据 车（ＨＥＶ）在商业上大规模生产和获得更多市场份 电机控制器可接受的范围进行选择 。 额的主要障碍是蓄电池。如何选择合适的电芯， 电池系统电压范围为：电池系统最低压（电芯 并形成最佳电池系统方案，目前世界各车企及研 最低电压 凡）至电池系统最高电压（电芯最高电 究机构都在做相应的研究和开发。 压 ）。根据不同材料体系相同电压平台有两种 收稿日期：２０１３—０２—２８ 上海汽车２０１３．０５ ・３・ 电压范围，如果材料体系为磷酸亚铁锂体系，则电芯 的电压范围在２．５－３．８ Ｖ，平台电压在３．２ Ｖ；如果为 三元体系，则电芯电压范围在２．７～４．２ Ｖ，平台电压 在３．７ Ｖ。这可根据实际方案来确认，例如通过电机 输入明确电池系统电压为３４５ Ｖ（２００～４ＯＯ Ｖ）。 ２ 电池系统的容量 电池系统的容量受到多种因素影响。（１）车 辆持续助力爬坡和持续加速的影响，车辆持续助 力及爬坡时问及功率、电流，持续助力和爬坡要求 越高则对电池容量的要求也越高；（２）电池工作时 的最大功率和最大电流也会对电池容量的确定有 直接影响，电流、功率越大电池容量要求也会越 高 Ｊ。首先各零部件提供初步方案供仿真用，整 车性能仿真提供两种仿真结果。第一种：明确电 池系统能量消耗最高的工况（一般为爬坡工况）下 仿真结果，确定电池最低能量要求；第二种：提供 特定标准工况仿真结果，代表整车正常工作的电 池能量和功率消耗的电池相关仿真结果。通过该 仿真结果可以结合整车续驶里程要求得到电池整 个寿命周期总能量要求 Ｊ。通过仿真结果、ＳＯＣ 区间以及总能量衰减因数，可以得出电池最低可 用能量。ＡＳＯＣ控制在２０％一４０％，假设可用ＳＯＣ 区间已确定为３０％，电池ＳＯＣ区间为３５％～ ６５％，平衡点为５０％，则根据下面的公式可以确定 电池系统的最低容量需求。还有一个对容量选择 的重要影响因素，就是电池尺寸因子，它是一个综 合多种因素的最小电芯数量，对于同一个电池系 统一旦确定尺寸因子电池系统便确定。通过下面 公式可以确定电池系统需要的容量。 Ｅ 一ＥｏＬ陂＝Ｅ…总：ｌ：ＡＳＯＣ坡／２ （１） Ｅ Ｂ０Ｌ吱＝Ｅａｖ一ＥＯＬ￣／ｒ／ （２） Ｅ总Ｂ０嵫＝Ｅ ＢｏＬ￣／ＡＳＯＣ （３） 凡 ， ＝Ｌａ／Ｌ。 。 （４） Ｅ总ａｖＥｏ ＝ｎ 术Ｅ 。ｍ总术ＡＳＯＣ，ｅ （５） Ｎ＝Ｅ总 Ｅｏ ／［（Ｅ ｉ 总（ＡＳＯＣ ） ＋Ｅ ｉ以（２￣ＳＯＣ ）／７）／２］ （６） 如果供应商提供标准工作平均电流 下的 循环次数＞Ｎ，财Ｅ札Ｂ０Ｌ标＝Ｅ ｉ 总，否则需要根据 ・ ・ 供应商提供的循环能力重新按照公式（６）倒推计 算电池系统的总能量 总眦标。 ＥｅＢ（）ｌ＿＝ｍａｘ（Ｅ总ＢｏＬ啵，Ｅ总） （７） ＢｏＬ标Ｅ总一ＢｏＬ＝凡 Ｕ额 Ｃ。。ｌｌ （８） Ｃ＝Ｅ总Ｂ０Ｌ／（ｇ／， Ｕ额） （９） 式中，Ｅ 。嗽为寿命末期可用能量（系统仿真为输 入）； ＿Ｂ。ｕ麦为寿命初期可用能量；Ｅ总＿Ｂ。啦为寿命 初期爬坡总能量；Ｅ…总为仿真输入电池系统总能 量；Ｅ舢 。 为完成整车续驶里程要求的总能量； ＡＳＯＣ坡为爬坡工况ＳＯＣ波动区间；ＡＳＯＣ标为标 准工况下ＳＯＣ波动区间；ＡＳＯＣ 为系统ＳＯＣ工作 区间；卵为容量衰减因数，由供应商提供；Ｌ 为总 续驶里程； …为特定仿真工况单个循环的行驶里 程； …为标准工况下达到车辆续驶里程目标总循 环次数；，标为标准工况下的平均电流，由仿真工况 数据计算得出；Ｎ为仿真输入用电池系统ＳＯＣ工 作区间（ＳＯＣ 一ＳＯＣ ）在，标下循环次数；Ｎｓ为 供应商提供的在，标下的循环次数；Ｅ总ＢｏＬ为寿命 初期可用能量；，标为标准工况下的平均电流，循环 能力需要根据供应商提供数据分析；Ｆ为电池系 统尺寸因子；Ｃ为电池系统容量。 通过以上公式，确定电池系统容量为８ Ａｈ。 ３ 电池系统的功率和电流 由于混合动力汽车在车辆使用过程中主要有 几种情况：（１）刹车、起步时的加速和制动要求电 池需要在短时间完成大倍率充电和放电工作 ； （２）车辆行驶在持续较长坡道上进行爬坡情况，此 时需要电池提供持续恒定功率对车辆进行助力， （３）车辆持续下坡过程中需要能持续的尽量多的 回收制动能量。此时需要电池进行的工作是持续 回馈能力。 对于电流的确认有几项工作需要进行：（１）需 要确认电机所能承受的最大电流以及额定电流， 因为动力系统之间为串联连接，电池系统不能超 过电机所能承受的最大电流，也是动力系统最大 电流；（２）电池系统不同ＳＯＣ状态下最大电流、功 率能力，该数据由供应商提供；（３）电池系统充电 和放电内阻尺，电池内阻是影响电池充放电功率能 上海汽车２０１３．０５ 则针对稳态计算中可能存在的热风险零件对其进 ４ 结语 通过对整车热性能稳态和瞬态的计算分析， 主要得到以下结论： 行热性能评估，并对瞬态计算结果提出的方案进 行试验验证，计算结果和试验结果偏差仅６％。 参考文献 ［１］ 张宝亮．整车热管理的一维与三维耦合仿真［Ｊ］．汽车 工程，２Ｏｌ１，３３（６）：４９３－５Ｏ１． （１）定义稳态计算的工况及其边界条件，采 用Ｆｌｕｅｎｔ软件对整车热性能进行计算，通过对计 算结果分析发现传动轴等零件存在热风险，提出 更改方案降低零件温度，使其满足零件耐热性能。 ［２］周建军．数值模拟在整车热管理中的应用［Ｊ］．上海汽 车，２００９（７）：１６－ｌ７． （２）定义瞬态计算工况和边界条件，采用 Ｒａｄｔｈｅｒｍ软件对可能存在热风险的零件进行热性 能评估，计算结果可以较为明确地表现出瞬态工 况下风罩等零件的温度变化情况，提出优化方案 ［３］ 宣益民．车辆热特征分析与热系统设计［Ｊ］．南京理工 大学学报，１９９９，２３（３）：２８２—２８８． ［４］ 田红霞．发动机热管理试验技术研究［Ｊ］．内燃机与动 力装置，２ＯｌＯ（４）：１７－１９． ［５］ 王福军．计算流体动力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２００４． 使其满足整车热性能的要求。 （３）本文稳态研究从全局考虑整车热性能， 发现存在的热风险并提出改进方案，而瞬态研究 ６＂－６＂－６＂－６＂ 七 七七七七 －６＂七－６＂－６＂－６＂ ［６］ 任国华．汽车和地面背景红外热象模拟［Ｊ］．红外，２００４ （９）：６－７． －－６＇－６＂－４－＂ －６＂－６＂－６＂－６＂七－６＂－６＂女 女女 －６＂ （上接第５页） （一般定义为一３０℃），在电池可用的最低ＳＯＣ状 态下可以顺利启动车辆，且需要保证启动瞬间具 有足够高的电压，在该电压下可以使电机顺利达 到一定扭矩和转速，进而带动发动机进入工作模 式。该要求的确定主要是由整车低温性能目标所 决定，如果电池低温性能影响电池可用工作区问， 也会直接影响最初电池系统的选择。 电池系统成本偏高，对于电池系统成本需要结合 整车开发目标进行分析，在这不做详细讨论。但 是对于一个全新的电池系统的选型评估，除了这 些还需要考虑电池在整车中的布置，热管理、电池 系统在整车中的安装位置等因素。总之通过以上 分析电池系统的选型过程中各种因素相互制约， 只有在这些因素中找到平衡点才可以得到最佳的 电池系统方案。 ６ 结语 参考文献 对于电池系统的方案选型，此文重点从电池 系统的性能方面进行研究。而电池系统寿命是直 接影响整车使用寿命的一个重要指标，电池系统 的寿命由电池系统的容量衰减和功率衰减所决 ［１］刘晓康，汪斌，于向东等．并联式混合动力汽车蓄电池 参数优选［Ｊ］．汽车工程，２００７，２９（７）：５７０－５７３． ［２］马兹林，冒晓建．混合动力城市客车用电池参数的匹配与 优化［Ｊ］．电池，２０１２，４２（２）． ［３］车杜兰，周荣，乔维高．电动汽车用锂离子蓄电池包及蓄 电池选型［Ｊ］．新能源汽车，２００９，３７（３）：２８—３０． 定，关于这些在文中已重点介绍，关于寿命终止条 件以及寿命测试的方法需要整车厂和电池系统供 应商协商确定。还有一个因素是成本，它同样是 电池系统开发过程中的一个重要考虑因素，目前 ［４］张志杰，李茂德．锂离子动力电池温升特性的研究［Ｊ］． 汽车工程，２０１０（４）． ・１４・ 上海汽车２０１３．０５
