混合電動車MHNi電源系統(tǒng)的應用.doc

混合電動車MHNi電源系統(tǒng)的應用氫鎳（MHNi）電池目前是混合電動車用的主流電池。隨著經濟與科技的發(fā)展，我國在混合電動車的研制方面取得了較大程度的進展，目前混合電動客車正逐步走向市場。針對混合電動車用MHNi電源，在選擇和應用方面，各家都有一些不同的見解，主要集中在幾個問題上，如SOC的判斷精度、電池的一致性等。根據我們產品近年來在混合電動車上的實際配套應用，積累了一些經驗，提出了自己的一些看法，與大家共同探討。1 混合電動車用電源的選擇在此主要討論的是對混合電動車用電池容量和功率的選擇，以MHNi電池為例，但對其他混合電動車用電池也有一定的參考價值。1.1 電池容量的選擇不同的整車設計，對電池的需求是不同的。目前混合電動車主要有微混合（42V電源系統(tǒng)）、全混合等，全混合又包括串聯型、并聯型、混聯型，以及外接充電式（PHEV）等。相對而言，并聯型對電池容量的要求較低，串聯型和PHEV要求的容量較高。無論何種形式的電動車，其對電池容量需求的計算方法是大致相同的，即根據電池的實際運行工況來計算所需要的電池容量。例如，對于北京工況，其具體制度為：a：160A放電30s，休息100s；b：40A充電30s，休息100s（循環(huán)17次）；c：50A充電30s，190A放電40s（循環(huán)4次）；d：休息80s；e：50A充電30s，休息103s（循環(huán)6次）。從上面的工況循環(huán)可以看出，連續(xù)充電或放電中輸出容量最高的是c步（達到6.77Ah）。在HEV中MHNi電池的正常應用SOC范圍為30%80%（日本豐田Prius車應用為40%的容量）。假設在b步后電池SOC達到中間狀態(tài)55%SOC，此時電池從55%SOC放電到最低點30%SOC，至少要放出6.77Ah的容量。則所需電池的最低容量為：6.77Ah/（55%一30%）=27.08Ah在實際選擇過程中，考慮到電池的壽命和應用可靠性，一般要有一定的冗余，根據美國FreedomCAR混合電動車用電池檢測手冊，冗余可以定為30%。則電池的容量應為：27.08Ahxl30%=35.2Ah即應該選用35Ah左右的電池。車上有其他附屬電器時（如空調），應當考慮其相應的功耗，再進行計算。1. 2 電池功率的選擇混合電動車對電池的功率相對要求較高。對電池來說，提高電池的功率相應就要提高電池的成本，或重量，或體積。對于整車來說，只要電池的功率能夠滿足應用要求即可，不適宜過度追求指標。同樣根據上面的北京工況，選擇電池的容量為35Ah。根據最惡劣的情況計算所需要的電池功率。c步所要求功率最高，放電電流為190A，持續(xù)時間40s。假設在30%SOC下需要滿足此要求，電池放電最低電壓不低于0.9V。電池的放電倍率為：190A/35Ah=5.4C假設在此放電倍率、30%SOC下電池的放電平均電壓為1.15V。則所需要的電池功率至少為：1.15V190A=218.5W對電池的功率同樣需要30%的冗余。則電池30%下連續(xù)放電40s的功率要求應為：218.5Wxl30%=284W在低溫情況下，MHNi電池的放電功率會受到較大影響，對低溫下電池的功率要求也應相對低一些，主要為啟動功率。例如，美國對于功率輔助型混合電動轎車常溫下的峰值功率要求達到20kW，而30qC低溫下的啟動功率要求為5kW。其具體檢測方法見表1。2 電池的一致性 電池的一致性是大家都經常提到的問題，但什么叫電池的一致性、其判斷依據和方法是什么、應達到什么樣的一致程度等，目前無明確的概念。一致性應當指同一規(guī)格型號的電池組成蓄電池組后，其各種參數如電壓、內阻、SOC、容量以及電池的衰退率、自放電率以及各參數隨時問的變化率等之間存在的差別，以及電池受外界條件影響如溫度等而產生性能差別是否一致等。要求電池致性的目的主要有以下幾個：一是保護電池，避免過充、過放；二是提高系統(tǒng)可靠性及壽命；三是避免電池性能相差過大，影響系統(tǒng)的正常使用。一致性沒有具體的考核標準。從實際操作看，從整個電池系統(tǒng)考慮，某些參數是不容易進行檢測的，如電池的衰退率、各個電池的自放電率、各參數的變化率、電池的直流內阻等，因此這些參數不易列為考核標準。電池容量、電壓、歐姆內阻以及系統(tǒng)的溫度均勻性足比較容易進行檢測的，可以作為考核標準。各參數具體應達到什么樣的程度才算達到一致性要求，我們認為，只要能達到一致性的目的要求即可，下面對這幾個參數進行具體討論。2.1 電池的容量在應用過程中，電池容量的一致性是無法進行檢測的，主要應考核初始狀態(tài)時（即系統(tǒng)電池組裝配前）各電池容量的一致性。在前面SOC情況的討論中，可以知道，SOC的最大偏差可以允許13%，這也是電池容量差別的最大允許要求，即低于此偏差即不影響系統(tǒng)的正常應用。在實際生產中，目前大部分廠家都控制在5%，這已經能夠完全滿足電動車的要求。2.2 電池的電壓電池電壓的一致性與SOC有較大關系。首先要確定電壓一致性的判別方法。在低于20%SOC下，電池的電壓差別是比較明顯的。如01.2V，均可視為SOC=O%。20%的SOC，電壓在1.25V左右，與0%SOC電壓差別至少在50mV左右（此時10組合電池模塊可能達到500mV以上）。而在20%80%SOC，電壓差別很小，電壓在1.25一1.35V范圍內。此電壓指電池的開路電壓，而且一般開路時間比較長（4h以上）。隨著開路時間的增加，在20%80%SOC范圍內的電壓差別會更小，如自放電擱置28d，其電壓差別可能僅有30mV左右。在80%SOC以上，電壓也會有比較大的差別。因此，依據開路電壓來判斷，無法制定統(tǒng)一的標準。從一致性的目的來說，主要是不影響系統(tǒng)的正常應用，因此應考慮電池在使用過程中的一致性。從電池的充放電曲線我們可以知道，在低予20%SOC和高于80%SOC時，電池的電壓發(fā)生急劇變化，因此在超出此范圍考察一致性也無很大意義。實際使用的SOC范圍在20%80%之間，電壓比較平穩(wěn)，主要應考察這一區(qū)間各電池電壓的一致性。從實際生產經驗考慮，在此段充電或放電時，各電池的電壓差別不應超過5mV（無論何SOC）。2.3 內阻的一致性內阻分為歐姆內阻（標準1kHz下的交流內阻）和直流內阻（大電流短時間充電或放電測得）。應用于HEV的MHNi電池內阻相對較小。例如40Ah電池，其電池內阻正常都在11.2mQ，但其檢測精確度與測量設備有較大關系。某些設備、儀器只要操作上稍有偏差，帶來的測量誤差就比較大，正常就有20%左右的誤差。一般來說，只要電池合格，性能正常，在此偏差范圍內電池性能不會差別較大。但超出此范圍，電池性能可能會有差異，如電池制作過程中的虛焊等，雖然對電池容量無較大影響，但會對功率性能有影響，通過歐姆內阻的檢測可以分辨出來。因此內阻偏差一般控制在20%的范圍內為宜。直流內阻更能反映電池應用過程中內阻的一致性。但在生產、應用過程中，是不可能對每只電池進行直流內阻檢測的，不適宜作為考核的依據。具體涉及到整個電源系統(tǒng)，另一個考慮的問題是電池之間的連接電阻，這一部分一定要控制一致性。因為此部分電阻稍大，在使用過程中就會發(fā)熱，從而帶來一系列的問題。但此部分內阻本身很小，只有零點幾個毫歐，不容易直接檢測，可以在充放電過程中檢測其上的電壓降來控制，其一致性可以根據電池的連接方法、工藝等加以控制。2.4 溫度的均勻性溫度是對MHNi電池性能影響最大的因素之一。溫度不均勻不僅影響到電池使用過程中容量的一致性和對SOC的判別，更重要的是由于溫度不均勻，會使溫度高的部分電池衰減速度加快，從而影響整個系統(tǒng)的使用壽命。溫度的一致性主要是針對考察系統(tǒng)冷卻結構設計而言，指電源系統(tǒng)在使用過程中內部各電池所處周圍的環(huán)境溫度的差異程度。對MHNi電池在不同溫度下的放電功率、容量以及充電效率等研究表明，在O30，溫度每變化5，電池功率變化4%5%（隨溫度升高而升高），在O以下和30以上，溫度每變化5，功率變化在2%3%；在0以上，環(huán)境溫度對放電容量的影響不大，但低于此溫度，每差10，放電容量相差30%50%；對于充電效率，在3050（一般電動車使用最高溫度限制在50），溫度每升高5，充電效率（庫侖效率）會下降5%左右。隨著溫度的升高，合金腐蝕速度加快。松下公司的研究表明，當環(huán)境溫度分別從60一70寸80上升時，貯氫合金的壽命系數分別從1.59。79_0.40遞減。即以60為起點，溫度每上升10，合金壽命縮短一半。在混合電動車應用過程中，最高溫度一般控制不超過55。MHNi電池使用過程巾的問題主要是高溫問題，一方面要控制最高應用溫度，避免出現熱失控等問題；另一方面，按照一卜面生產控制電池容量差別不超過5%及上述分析，使用過程中電池包內各電池的環(huán)境溫度差異最高不應超過5。日本豐田Prius車的電池包溫度差異控制在不超過5（在較低環(huán)境溫度下可以達到10），本田Insi曲t車則相對較低，不超過3。3 當前車用電源系統(tǒng)研究過程中存在的其他問題3.1 研究的分散性目前，各零部件與整車是分不同的單位進行研究，二者的結合存在較大的問題。應當以整車產品為龍頭，能夠將各零部件的設計和整車設計綜合考慮，從保證應用和保護電池出發(fā)，進行綜合設計，更能提高整車系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。在這一方面，日本豐田和松下的結合就比較好，其Prius車中電源系統(tǒng)的設計就和整車的設計結合比較緊密，充分考慮了車的空間和整體性，如電源系統(tǒng)的結構、管理系統(tǒng)的電磁兼容等問題；隨著研究的深入，其電源系統(tǒng)從第一代的288V降低到現在的202V，而這需要對電機、整車系統(tǒng)等一系列進行改變，雙方沒有達到完全滲入，是做不到這一點的。而國內，這方面目前做的遠遠不夠。許多單位電池和電源管理系統(tǒng)也是分不同單位進行研究的，這又帶來另一層面的結合問題，管理系統(tǒng)與電池研究是兩個完全不同的行業(yè)，雙方很難互相滲透到對方的產品中去。更不要說整車單位和電池生產單位了，國內