探討混合電動車MH—Ni電源系統(tǒng)的應(yīng)用

　引言

　　氫鎳（MH—Ni）電池目前是混合電動車用的主流電池。隨著經(jīng)濟(jì)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(jìn)展，目前混合電動客車正逐步走向市場。針對混合電動車用MH—Ni電源，在選擇和應(yīng)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(jù)我們產(chǎn)品近年來在混合電動車上的實(shí)際配套應(yīng)用，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，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MH—Ni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(shè)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(lián)型、并聯(lián)型、混聯(lián)型，以及外接充電式（PHEV）等。相對而言，并聯(lián)型對電池容量的要求較低，串聯(lián)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(jù)電池的實(shí)際運(yùn)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(dá)到6.77Ah）。在HEV中MH—Ni電池的正常應(yīng)用SOC范圍為30%~80%（日本豐田Prius車應(yīng)用為40%的容量）。假設(shè)在b步后電池SOC達(dá)到中間狀態(tài)55%SOC，此時電池從55%SOC放電到最低點(diǎn)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(shí)際選擇過程中，考慮到電池的壽命和應(yīng)用可靠性，一般要有一定的冗余，根據(jù)美國Freedom—CAR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(yīng)為：

　　27.08Ahxl30%=35.2Ah即應(yīng)該選用35Ah左右的電池。

　　車上有其他附屬電器時（如空調(diào)），應(yīng)當(dāng)考慮其相應(yīng)的功耗，再進(jìn)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(yīng)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(yīng)用要求即可，不適宜過度追求指標(biāo)。同樣根據(jù)上面的北京工況，選擇電池的容量為35Ah。根據(jù)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(shè)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(shè)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：

　　1.15V×190A=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(yīng)為：

　　218.5Wxl30%=284W

在低溫情況下，MH—Ni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(yīng)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(dá)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(jīng)常提到的問題，但什么叫電池的一致性、其判斷依據(jù)和方法是什么、應(yīng)達(dá)到什么樣的一致程度等，目前無明確的概念。一致性應(yīng)當(dāng)指同一規(guī)格型號的電池組成蓄電池組后，其各種參數(shù)如電壓、內(nèi)阻、SOC、容量以及電池的衰退率、自放電率以及各參數(shù)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(chǎn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)。從實(shí)際操作看，從整個電池系統(tǒng)考慮，某些參數(shù)是不容易進(jìn)行檢測的，如電池的衰退率、各個電池的自放電率、各參數(shù)的變化率、電池的直流內(nèi)阻等，因此這些參數(shù)不易列為考核標(biāo)準(zhǔn)。電池容量、電壓、歐姆內(nèi)阻以及系統(tǒng)的溫度均勻性足比較容易進(jìn)行檢測的，可以作為考核標(biāo)準(zhǔn)。

　　各參數(shù)具體應(yīng)達(dá)到什么樣的程度才算達(dá)到一致性要求，我們認(rèn)為，只要能達(dá)到一致性的目的要求即可，下面對這幾個參數(shù)進(jìn)行具體討論。

　2.1 電池的容量

　　在應(yīng)用過程中，電池容量的一致性是無法進(jìn)行檢測的，主要應(yīng)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(yīng)用。

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，目前大部分廠家都控制在5%，這已經(jīng)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(guān)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0~1.2V，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(dá)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(nèi)。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(nèi)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(jù)開路電壓來判斷，無法制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。從一致性的目的來說，主要是不影響系統(tǒng)的正常應(yīng)用，因此應(yīng)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(shí)際使用的SOC范圍在20%~80%之間，電壓比較平穩(wěn)，主要應(yīng)考察這一區(qū)間各電池電壓的一致性。從實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)考慮，在此段充電或放電時，各電池的電壓差別不應(yīng)超過5mV（無論何SOC）。

2.3 內(nèi)阻的一致性
　　內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻（標(biāo)準(zhǔn)1kHz下的交流內(nèi)阻）和直流內(nèi)阻（大電流短時間充電或放電測得）。應(yīng)用于HEV的MH—Ni電池內(nèi)阻相對較小。例如40Ah電池，其電池內(nèi)阻正常都在1~1.2mQ，但其檢測精確度與測量設(shè)備有較大關(guān)系。某些設(shè)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(nèi)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(nèi)阻的檢測可以分辨出來。因此內(nèi)阻偏差一般控制在±20%的范圍內(nèi)為宜。

　　直流內(nèi)阻更能反映電池應(yīng)用過程中內(nèi)阻的一致性。但在生產(chǎn)、應(yīng)用過程中，是不可能對每只電池進(jìn)行直流內(nèi)阻檢測的，不適宜作為考核的依據(jù)。

　　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?yàn)榇瞬糠蛛娮枭源?，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(nèi)阻本身很小，只有零點(diǎn)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(jù)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MH—Ni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(jié)構(gòu)設(shè)計而言，指電源系統(tǒng)在使用過程中內(nèi)部各電池所處周圍的環(huán)境溫度的差異程度。

　　對MH—Ni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O~30℃，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30—50℃（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(dāng)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(shù)分別從1.59。79_0.40遞減。即以60℃為起點(diǎn)，溫度每上升10℃，合金壽命縮短一半。在混合電動車應(yīng)用過程中，最高溫度一般控制不超過55℃。

　　MH—Ni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(yīng)用溫度，避免出現(xiàn)熱失控等問題；另一方面，按照一卜面生產(chǎn)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(nèi)各電池的環(huán)境溫度差異最高不應(yīng)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(dá)到10℃），本田Insi曲t車則相對較低，不超過3℃。

　　而國內(nèi)，這方面目前做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。許多單位電池和電源管理系統(tǒng)也是分不同單位進(jìn)行研究的，這又帶來另一層面的結(jié)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(chǎn)品中去。更不要說整車單位和電池生產(chǎn)單位了，國內(nèi)大部分是整車單位根據(jù)自己的需要，對電池生產(chǎn)廠商作要求。

　　3.2 系統(tǒng)的可靠性