混合电动车混合电动车 MHMHNiNi 电源系统的应用电源系统的应用氢镍（MHNi）电池目前是混合电动车用的主流电池。随着经济与科技的发 展，我国在混合电动车的研制方面取得了较大程度的进展，目前混合电动客 车正逐步走向市场。针对混合电动车用 MHNi 电源，在选择和应用方面，各 家都有一些不同的见解，主要集中在几个问题上，如 SOC 的判断精度、电池 的一致性等。根据我们产品近年来在混合电动车上的实际配套应用，积累了 一些经验，提出了自己的一些看法，与大家共同探讨。1 1 混合电动车用电源的选择混合电动车用电源的选择在此主要讨论的是对混合电动车用电池容量和功率的选择，以 MHNi 电池为 例，但对其他混合电动车用电池也有一定的参考价值。1.1 电池容量的选择不同的整车设计，对电池的需求是不同的。目前混合电动车主要有微混合 （42V 电源系统）、全混合等，全混合又包括串联型、并联型、混联型，以 及外接充电式（PHEV）等。相对而言，并联型对电池容量的要求较低，串联 型和 PHEV 要求的容量较高。无论何种形式的电动车，其对电池容量需求的计 算方法是大致相同的，即根据电池的实际运行工况来计算所需要的电池容量。例如，对于北京工况，其具体制度为：a：160A 放电 30s，休息 100s；b：40A 充电 30s，休息 100s（循环 17 次）； c：50A 充电 30s，190A 放电 40s（循环 4 次）；d：休息 80s；e：50A 充电 30s，休息 103s（循环 6 次）。从上面的工况循环可以看出，连续充电或放电中输出容量最高的是 c 步（达 到 6.77Ah）。在 HEV 中 MHNi 电池的正常应用 SOC 范围为 30%80%（日本丰 田 Prius 车应用为 40%的容量）。假设在 b 步后电池 SOC 达到中间状态 55%SOC，此时电池从 55%SOC 放电到最低点 30%SOC，至少要放出 6.77Ah 的容 量。则所需电池的最低容量为：6.77Ah/（55%一 30%）=27.08Ah 在实际选择过程中，考虑到电池的寿命和应 用可靠性，一般要有一定的冗余，根据美国 FreedomCAR 混合电动车用电池 检测手册，冗余可以定为 30%。则电池的容量应为：27.08Ahxl30%=35.2Ah 即应该选用 35Ah 左右的电池。车上有其他附属电器时（如空调），应当考虑其相应的功耗，再进行计算。1. 2 电池功率的选择混合电动车对电池的功率相对要求较高。对电池来说，提高电池的功率相应 就要提高电池的成本，或重量，或体积。对于整车来说，只要电池的功率能 够满足应用要求即可，不适宜过度追求指标。同样根据上面的北京工况，选 择电池的容量为 35Ah。根据最恶劣的情况计算所需要的电池功率。c 步所要 求功率最高，放电电流为 190A，持续时间 40s。假设在 30%SOC 下需要满足此 要求，电池放电最低电压不低于 0.9V。电池的放电倍率为：190A/35Ah=5.4C假设在此放电倍率、30%SOC 下电池的放电平均电压为 1.15V。则所需要的电 池功率至少为：1.15V190A=218.5W对电池的功率同样需要 30%的冗余。则电池 30%下连续放电 40s 的功率要求应 为：218.5Wxl30%=284W在低温情况下，MHNi 电池的放电功率会受到较大影响，对低温下电池的功 率要求也应相对低一些，主要为启动功率。例如，美国对于功率辅助型混合 电动轿车常温下的峰值功率要求达到 20kW，而30qC 低温下的启动功率要求 为 5kW。其具体检测方法见表 1。2 2 电池的一致性电池的一致性 电池的一致性是大家都经常提到的问题，但什么叫电池的一致性、其判断依据 和方法是什么、应达到什么样的一致程度等，目前无明确的概念。一致性应当 指同一规格型号的电池组成蓄电池组后，其各种参数如电压、内阻、SOC、容量 以及电池的衰退率、自放电率以及各参数随时问的变化率等之间存在的差别， 以及电池受外界条件影响如温度等而产生性能差别是否一致等。要求电池致性 的目的主要有以下几个：一是保护电池，避免过充、过放；二是提高系统可靠 性及寿命；三是避免电池性能相差过大，影响系统的正常使用。一致性没有具体的考核标准。从实际操作看，从整个电池系统考虑，某些参数 是不容易进行检测的，如电池的衰退率、各个电池的自放电率、各参数的变化 率、电池的直流内阻等，因此这些参数不易列为考核标准。电池容量、电压、欧姆内阻以及系统的温度均匀性足比较容易进行检测的，可以作为考核标准。各参数具体应达到什么样的程度才算达到一致性要求，我们认为，只要能达到 一致性的目的要求即可，下面对这几个参数进行具体讨论。2.1 电池的容量在应用过程中，电池容量的一致性是无法进行检测的，主要应考核初始状态时 （即系统电池组装配前）各电池容量的一致性。在前面 SOC 情况的讨论中，可以知道，SOC 的最大偏差可以允许 13%，这也是电 池容量差别的最大允许要求，即低于此偏差即不影响系统的正常应用。在实际生产中，目前大部分厂家都控制在 5%，这已经能够完全满足电动车的要 求。2.2 电池的电压电池电压的一致性与 SOC 有较大关系。首先要确定电压一致性的判别方法。在 低于 20%SOC 下，电池的电压差别是比较明显的。如 01.2V，均可视为 SOC=O%。20%的 SOC，电压在 1.25V 左右，与 0%SOC 电压差别至少在 50mV 左右 （此时 10 组合电池模块可能达到 500mV 以上）。而在 20%80%SOC，电压差别 很小，电压在 1.25 一 1.35V 范围内。此电压指电池的开路电压，而且一般开路 时间比较长（4h 以上）。随着开路时间的增加，在 20%80%SOC 范围内的电压 差别会更小，如自放电搁置 28d，其电压差别可能仅有 30mV 左右。在 80%SOC 以上，电压也会有比较大的差别。因此，依据开路电压来判断，无法制定统一 的标准。从一致性的目的来说，主要是不影响系统的正常应用，因此应考虑电 池在使用过程中的一致性。从电池的充放电曲线我们可以知道，在低予 20%SOC 和高于 80%SOC 时，电池的 电压发生急剧变化，因此在超出此范围考察一致性也无很大意义。实际使用的 SOC 范围在 20%80%之间，电压比较平稳，主要应考察这一区间各 电池电压的一致性。从实际生产经验考虑，在此段充电或放电时，各电池的电 压差别不应超过 5mV（无论何 SOC）。2.3 内阻的一致性内阻分为欧姆内阻（标准 1kHz 下的交流内阻）和直流内阻（大电流短时间充电 或放电测得）。应用于 HEV 的 MHNi 电池内阻相对较小。例如 40Ah 电池，其 电池内阻正常都在 11.2mQ，但其检测精确度与测量设备有较大关系。某些设 备、仪器只要操作上稍有偏差，带来的测量误差就比较大，正常就有 20%左右 的误差。一般来说，只要电池合格，性能正常，在此偏差范围内电池性能不会 差别较大。但超出此范围，电池性能可能会有差异，如电池制作过程中的虚焊等，虽然对电池容量无较大影响，但会对功率性能有影响，通过欧姆内阻的检 测可以分辨出来。因此内阻偏差一般控制在20%的范围内为宜。直流内阻更能反映电池应用过程中内阻的一致性。但在生产、应用过程中，是 不可能对每只电池进行直流内阻检测的，不适宜作为考核的依据。具体涉及到整个电源系统，另一个考虑的问题是电池之间的连接电阻，这一部 分一定要控制一致性。因为此部分电阻稍大，在使用过程中就会发热，从而带 来一系列的问题。但此部分内阻本身很小，只有零点几个毫欧，不容易直接检 测，可以在充放电过程中检测其上的电压降来控制，其一致性可以根据电池的 连接方法、工艺等加以控制。2.4 温度的均匀性温度是对 MHNi 电池性能影响最大的因素之一。温度不均匀不仅影响到电池使 用过程中容量的一致性和对 SOC 的判别，更重要的是由于温度不均匀，会使温 度高的部分电池衰减速度加快，从而影响整个系统的使用寿命。温度的一致性 主要是针对考察系统冷却结构设计而言，指电源系统在使用过程中内部各电池 所处周围的环境温度的差异程度。对 MHNi 电池在不同温度下的放电功率、容量以及充电效率等研究表明，在 O30，温度每变化 5，电池功率变化 4%5%（随温度升高而升高），在 O 以下和 30以上，温度每变化 5，功率变化在 2%3%；在 0以上，环境温度 对放电容量的影响不大，但低于此温度，每差 10，放电容量相差 30%50%； 对于充电效率，在 3050（一般电动车使用最高温度限制在 50），温度每 升高 5，充电效率（库仑效率）会下降 5%左右。随着温度的升高，合金腐蚀速度加快。松下公司的研究表明，当环境温度分别 从 60一 70寸 80上升时，贮氢合金的寿命系数分别从 1.59。79_0.40 递 减。即以 60为起点，温度每上升 10，合金寿命缩短一半。在混合电动车应 用过程中，最高温度一般控制不超过 55。MHNi 电池使用过程巾的问题主要是高温问题，一方面要控制最高应用温度， 避免出现热失控等问题；另一方面，按照一卜面生产控制电池容量差别不超过 5%及上述分析，使用过程中电池包内各电池的环境温度差异最高不应超过 5。 日本丰田 Prius 车的电池包温度差异控制在不超过 5（在较低环境温度下可 以达到 10），本田 Insi 曲 t 车则相对较低，不超过 3。3 3 当前车用电源系统研究过程中存在的其他问题当前车用电源系统研究过程中存在的其他问题3.1 研究的分散性目前，各零部件与整车是分不同的单位进行研究，二者的结合存在较大的问题。 应当以整车产品为龙头，能够将各零部件的设计和整车设计综合考虑，从保证应用和保护电池出发，进行综合设计，更能提高整车系统的可靠性和使用寿命。 在这一方面，日本丰田和松下的结合就比较好，其 Prius 车中电源系统的设计 就和整车的设计结合比较紧密，充分考虑了车的空间和整体性，如电源系统的 结构、管理系统的电磁兼容等问题；随着研究的深入，其电源系统从第一代的 288V 降低到现在的 202V，而这需要对电机、整车系统等一系列进行改变，双方 没有达到完全渗入，是做不到这一点的。而国内，这方面目前做的远远不够。许多单位电池和电源管理系统也是分不同 单位进行研究的，这又带来另一层面的结合问题，管理系统与电池研究是两个 完全不同的行业，双方很难互相渗透到对方的产品中去。更不要说整车单位和 电池生产单位了，国内大部分是整车单位根据自己的需要，对电池生产厂商作 要求。3.2 系统的可靠性走向市场，可靠性是最重要的指标。目前，我们大部分电源系统经受整车的考 验时间还比较短。基本上是从“十五”开始，当中系统、整车等经过不断的改 型，真正在整车上连续行驶的时间可能最长的也不超过 3 年，其中还在不断对 存在的问题进行处理。4 4 结语结语实际上目前我国的整车系统可能还没有连续无故障行驶超过 2 年以上的。加强 车用电源系统及整车的可靠性研究是目前面临的关键问题。