1、動(dòng)力電池電芯選型培訓(xùn)Page 1Page 2車輛道路行駛所需的驅(qū)動(dòng)力 整車行駛所需的驅(qū)動(dòng)力整車在道路上的總驅(qū)動(dòng)力由道路阻力和加速阻力兩大部分構(gòu)成F = F摩擦阻力 + F坡度阻力+ F空氣阻力 + F加速阻助力F摩擦阻力 = f mg cosF坡度阻力= mg sinF空氣阻力 = 0.5 air Cd A V2F加速助力 = m (dV/dt)(道路阻力，相應(yīng)的能量不可回收，以熱能形式耗散)(道路阻力，相應(yīng)的能量不可回收，以熱能形式耗散)(道路阻力，相應(yīng)的能量不可回收，以熱能形式耗散)(慣性力，相應(yīng)的能量可以部分地在減速時(shí)回收)A = 整車迎風(fēng)面積；Cd = 整車風(fēng)阻/型阻系數(shù)；mg = 整

2、車質(zhì)量； = 當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)車速 V最大功率V_Fmax牽引力 FFmaxVmaxF_Vmax最大坡度 Smax最小坡度 SminPage 3Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù) （1） PHEV整車的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能目標(biāo)參數(shù)示例 動(dòng)力性能（動(dòng)力性能以滿載考慮，屬于“循環(huán)外”性質(zhì)） 最高車速 （穩(wěn)態(tài)動(dòng)力性，直接驅(qū)動(dòng)檔性質(zhì)，低于在超速檔的瞬態(tài)最高車速）： 0%坡度滿載最高車速 180 km/h （非限速道路的最高持續(xù)車速能力） 坡度能力（穩(wěn)態(tài)動(dòng)力性）： 50km/h 車速坡度 8%，持續(xù)30min （市郊道路最大

3、坡度持續(xù)時(shí)間） 80km/h 車速坡度 5%，持續(xù)15min（高速公路最大坡度持續(xù)時(shí)間） 靜止起步最大坡度 40%（駐坡起步最大坡度能力） 加速能力（瞬態(tài)動(dòng)力性，一般不大于50%載荷）： 0-50km/h的加速度 0.4g 或時(shí)間 3.5 秒（有運(yùn)動(dòng)型汽車感覺的低車速段加速能力） 80-120km/h的加速度 0.22g 或時(shí)間 5 秒（高速公路加速或超車能力） 0-100km/h時(shí)間 10 秒（低速檔綜合加速性能） 經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)（屬于“循環(huán)內(nèi)”性質(zhì)，載荷由油耗循環(huán)規(guī)定，一般不大于50%載荷） 混動(dòng)模式循環(huán)油耗： 5.76 L/100km （循環(huán)工況百公里油耗） 電驅(qū)續(xù)航里程： 55 km （

4、連續(xù)的油耗循環(huán)或穩(wěn)態(tài)車速巡航條件下電池包驅(qū)動(dòng)的里程） 綜合循環(huán)油耗： 1.8 L/100km （CAF油耗，用戶實(shí)際感興趣的是電驅(qū)里程+油箱里程）Page 4Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（2） 決定整車最高車速和最大坡度的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù) 最高車速和最大坡度都屬于穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)性質(zhì)。在選定變速器后，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下的最高車速和最大坡度能力都由發(fā)動(dòng)機(jī)外特性決定。發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率限定了最高車速的目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)的高速最大扭矩限定了最大坡度。 電驅(qū)模式下的最高車速一般不大于120km/h，因電機(jī)的高速扭矩性質(zhì)差，而且效率低

5、；最大坡度能力需根據(jù)電機(jī)的性能和布置而定。 對(duì)PHEV，整車最高車速和最大坡度都不會(huì)在電驅(qū)模式下獲取。PHEV的最大坡度能力和最大加速度一般在具有最大驅(qū)動(dòng)能力的混動(dòng)模式下獲取。Page 5Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（3） 決定整車加速能力的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù) 整車的最大驅(qū)動(dòng)功率包含了克服給定車速下的道路阻力所需功率和加速功率。克服道路阻力和加速的總功率受動(dòng)力總成所能提供的最大功率限制。車速越低，可應(yīng)用于加速的功率儲(chǔ)備就越大，整車可獲得的加速度就越大。 最大加速度是在動(dòng)力總成最大動(dòng)力輸出條件下，整車從靜止起步

6、時(shí)獲取的，因這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有最大的扭矩儲(chǔ)備。對(duì)應(yīng)的油門踏板位置在100%扭矩位置。 由于最高穩(wěn)態(tài)車速在直接驅(qū)動(dòng)檔獲取，0-50km/h一般在最低檔或最低的兩個(gè)檔位獲取，0-100km/h一般在前兩個(gè)或前三個(gè)低速檔獲取。穩(wěn)態(tài)最高車速越高，0-100km/h的檔位就越低。檔位越高，加速儲(chǔ)備越小，加速度隨升檔即車速提高而下降。由于電機(jī)具有良好的低速扭矩性質(zhì)，對(duì)PHEV，電驅(qū)模式及并聯(lián)混動(dòng)模式具有良好的低速加速能力。1檔的驅(qū)動(dòng)力是決定0-50km/h時(shí)間的最關(guān)鍵參數(shù)。Page 6Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（5）

7、 具有運(yùn)動(dòng)車型感覺所必須的加速度 目前對(duì)加速的要求一般以美國(guó)的0-60 mph （= 96.54 km/h）評(píng)估。這個(gè)最終速度的定義是因?yàn)槊绹?guó)許多城市和鄉(xiāng)村道路的限速是55km/h，及90年代以前美國(guó)高速公路車速為55mph，不罰款的最高超速車速為5mph。這個(gè)加速性表示了在美國(guó)切入道路交通所需的最高車速。中國(guó)的城市和鄉(xiāng)村道路車速遠(yuǎn)低于美國(guó)，所以使用上0-50km/h加速的意義更大些，它表示了低速起步的動(dòng)力性。 車輛加速時(shí)的運(yùn)動(dòng)感由低車起步的加速度相對(duì)于重力加速度的比值決定。F1賽車的加速度可達(dá)4g，超過(guò)普通車的急剎車的負(fù)加速度。要使所開發(fā)的整車在0-50km/h的加速具有運(yùn)動(dòng)型汽車的感覺，至

8、少在最低檔相應(yīng)的車速下，加速度應(yīng)不小于0.4g （= 3.92 m/s2）。 在0-50km/h的加速度 0.4g的加速目標(biāo)設(shè)定了在該車速范圍內(nèi)整車必須的驅(qū)動(dòng)力。低速加速性提出了PHEV在低車速下的最大驅(qū)動(dòng)能力性質(zhì)，即并聯(lián)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)合力驅(qū)動(dòng)的最大驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)已選定的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩的不足必須由電機(jī)補(bǔ)償。這決定了電機(jī)必須具有的低速扭矩。Page 7Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（6） 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的差異 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)特性： 發(fā)動(dòng)機(jī)必須在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后才能達(dá)到最大扭矩，所以必須借助變速器的

9、調(diào)節(jié)才能提供整車起步及低速加速所要求的驅(qū)動(dòng)性質(zhì)。但發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是汽油機(jī)，具有良好的高速扭矩性質(zhì)，即在高功率下仍具有較大的驅(qū)動(dòng)扭矩，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性屬于穩(wěn)態(tài)性質(zhì)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性： 給定電壓下，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性質(zhì)受最大許可電流限制。動(dòng)力電機(jī)的外特性通常是瞬態(tài)性質(zhì)，其持續(xù)驅(qū)動(dòng)性質(zhì)扭矩一般僅有在相同轉(zhuǎn)速下50%左右的驅(qū)動(dòng)扭矩。電機(jī)許可的最大穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流決定了電機(jī)的低速最大穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)扭矩。電機(jī)的瞬態(tài)性質(zhì)決定了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最大加速能力；穩(wěn)態(tài)性質(zhì)定義了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最大持續(xù)驅(qū)動(dòng)能力，其僅有瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)能力的一半。所以電驅(qū)模式的最高車速不應(yīng)太高。Page 8Print Date: 8/3/2016Revise Date

10、: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（7） 電池包的功率特性和電芯的電流特性 電池包是電機(jī)的動(dòng)力源，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性決定了電池包的使用特性。所以電池包的功率特性由電機(jī)的功率特性決定。反之，電池包選擇不合理時(shí)也會(huì)限制電機(jī)的工作負(fù)荷范圍，無(wú)法發(fā)揮潛力。 對(duì)鋰離子電池包，電壓可以在很寬的SOC狀態(tài)下基本保持不變。所以，給定電壓下，電池包的使用功率就決定了電池包的使用電流，在給定電池包結(jié)構(gòu)下，電池包的使用電流決定了電芯的工作條件。 電機(jī)的瞬態(tài)最大功率決定了電池包和電芯的瞬態(tài)最大放電電流。 電機(jī)的穩(wěn)態(tài)最大功率決定了電池包和電芯的穩(wěn)態(tài)最大放電電流。Page 9Print Date: 8

11、/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（8） 電池包的能量性質(zhì)和功率性質(zhì) 電池包的能量性質(zhì)由電池包電量確定，以kWh度量。電池包的kWh值是電池包的Ah值和電壓值的乘積。由于Ah值由并聯(lián)電芯的數(shù)目決定，電壓值由串聯(lián)電芯的數(shù)目決定，kWh值取決于電池包中電芯的總數(shù)目，因而決定了電池包的大小。電池包的功率性質(zhì)由電池包的放電能力決定，以kW度量。對(duì)相同的功率，脈沖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，電池包耗能就越多，反之，耗能就越少。 電機(jī)和電池包的內(nèi)部生熱都和電流的平方成正比，兩者都有最大電流的限制條件。在限流條件下，能量性質(zhì)和功率性質(zhì)的差異在于脈沖功率或脈沖電流

12、持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。電池包的最大續(xù)航能力和電池包的最大功率是兩個(gè)不同的概念，前者是指電池包的持續(xù)功率性質(zhì)，持續(xù)時(shí)間由電池包能量決定，因而屬于能量性質(zhì)；而后者是指電池包的最大瞬態(tài)放電能力，受最大許可放電電流限制。 在電池包設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮是電機(jī)先達(dá)到限流條件而不是電池包先達(dá)到限流條件。（為什么要這樣考慮？）Page 10Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（9） 電池包的kWh值和Ah值的差異 電池包的能量性質(zhì)由電池包儲(chǔ)存電能確定，即電池包的kWh值決定。能量和功率的相關(guān)性由脈沖時(shí)間決定。對(duì)給定的電池能量，放電時(shí)間越短

13、，相應(yīng)的脈沖功率就越大：P = E/t。 電池包的Ah值由并聯(lián)電芯的數(shù)目決定。PHEV通常采用1P96S的電池包結(jié)構(gòu)，對(duì)1P結(jié)構(gòu)，電芯的Ah值就是電池包的Ah值。Ah值也表示了電池包的電量，但更確切地說(shuō)它表示了儲(chǔ)存的電荷多少。 對(duì)1P96S的電池包結(jié)構(gòu)，電芯的相對(duì)放電率 = 放電電流 I / 電芯的Ah值 = （P/V）/Ah = nC/1C。相對(duì)放電率nC/1C是選擇電芯的關(guān)鍵參數(shù)。電機(jī)的不同功率下的脈沖電流的時(shí)間及持續(xù)功率下的持續(xù)電流時(shí)間都必須和電芯對(duì)應(yīng)的許可相對(duì)放電率的時(shí)間相匹配，這是選擇電芯的條件。 電機(jī)做驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)工作具有很高的對(duì)稱性。電芯則不然：電芯越大，放電能力和充電能力的

14、差異就越大。一般以較小的電芯充電能力來(lái)匹配電機(jī)，以通過(guò)電流來(lái)對(duì)電機(jī)和電芯實(shí)施控制。Page 11Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3PHEV整車和電池包有關(guān)的目標(biāo)性能參數(shù)（10） 電芯參數(shù)的選擇 電芯選擇時(shí)必須至少核實(shí)電芯技術(shù)參數(shù)的如下所示10個(gè)基本指標(biāo)，特別是2秒，10秒的最大脈沖電流和最大持續(xù)電流，及充放電的對(duì)稱性。 對(duì)HEV的電芯，要求充放電盡可能對(duì)稱，這是動(dòng)力電池的基本要求，也是SOC平衡的需要。 對(duì)EV的電芯，可以容許充放電具有高度不對(duì)稱性，只要不限制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和剎車能量回收就可以。 對(duì)PHEV的電芯，既要考慮電驅(qū)模式下對(duì)電芯的要求也要考

15、慮混動(dòng)模式下對(duì)電芯的要求。這很大程度和選定的動(dòng)力循環(huán)有關(guān)。要特別注意，不能根據(jù)NEDC這樣的經(jīng)濟(jì)性循環(huán)選擇電芯。Page 12Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3選擇電芯時(shí)應(yīng)了解的參數(shù) 選擇電芯時(shí)應(yīng)了解的參數(shù) 除了基本參數(shù)以外，還應(yīng)了解電芯內(nèi)阻及不同充放電率、不同溫度下的電壓特性及深度放電壽命。Page 13Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3動(dòng)力循環(huán)對(duì)PHEV的EV模式和HEV模式影響及電池包電芯的選擇（1） 電池包電芯應(yīng)以動(dòng)力循環(huán)驅(qū)動(dòng)確定 中國(guó)目前還沒有動(dòng)力循環(huán)，唯一的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)是NEDC循環(huán)，其屬于

16、經(jīng)濟(jì)性循環(huán)，不能以經(jīng)濟(jì)性循環(huán)選擇電池包電芯。以NEDC循環(huán)為例，循環(huán)要求的整車質(zhì)量?jī)H為CW + 100kg，0%坡度，低速最大加速度為0.1g，高速最大加速度為0.05g。這樣的循環(huán)不符合整車常規(guī)使用所需的驅(qū)動(dòng)條件，對(duì)電池包的設(shè)計(jì)也無(wú)挑戰(zhàn)。這也是為什么中國(guó)開發(fā)電車時(shí)沒有遇到通用開發(fā)Volt所遇到的挑戰(zhàn)。 對(duì)乘用車的PHEV，EV模式和HEV模式都必須通過(guò)經(jīng)濟(jì)性循環(huán)：EV模式用于確定電驅(qū)里程；HEV模式用于評(píng)估油耗。和NEDC一樣，F(xiàn)TP也是經(jīng)濟(jì)性循環(huán)，但在EPA油耗中，F(xiàn)TP僅代表城市工況油耗（55%），它和高速公路工況即HWFET循環(huán)油耗（45%）共同構(gòu)成EPA油耗。 美國(guó)環(huán)保署規(guī)定，PHE

17、V的EV模式和HEV模式都必須通過(guò)作為動(dòng)力循環(huán)的US06循環(huán)。由于整車驅(qū)動(dòng)的總功率對(duì)EV模式和HEV模式是一樣的，電驅(qū)模式下電池包的輸出功率大于混動(dòng)模式下電池包的電芯具有更大的挑戰(zhàn)。所以電池包電芯應(yīng)根據(jù)電池包驅(qū)動(dòng)功率或使用電流最大的模式來(lái)選擇。Page 14Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3動(dòng)力循環(huán)對(duì)PHEV的EV模式和HEV模式影響及電池包電芯的選擇（2） 配有26kWh電池包的PHEV輕卡在US06循環(huán)下EV和HEV模式的電池包電流變化 下例是某款配有26kWh電池包的PHEV輕卡在US06循環(huán)下電池包電流的變化。該電池包具有1P96S的布置

18、結(jié)構(gòu)，電芯電量為75Ah。 由于整車驅(qū)動(dòng)的總功率是一樣的，在電驅(qū)模式下電池包的輸出功率大于混動(dòng)模式下電池包的驅(qū)動(dòng)功率，導(dǎo)致在電驅(qū)模式下電池包電流大于混動(dòng)模式下電池包的電流。因而電池包電芯參數(shù)必須根據(jù)在電驅(qū)模式下電池包的使用電流確定。Page 15Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3動(dòng)力循環(huán)對(duì)PHEV的EV模式和HEV模式影響及電池包電芯的選擇（3） 國(guó)6對(duì)電池包設(shè)計(jì)的理念的改變：標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)由NEDC切換為WLTC 中國(guó)進(jìn)入國(guó)6后標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)由NEDC切換為WLTC。WLTC是一個(gè)經(jīng)濟(jì)和動(dòng)力綜合的循環(huán)，原來(lái)對(duì)NEDC屬于循環(huán)外的工況對(duì)WLTC則屬于循環(huán)內(nèi)，

19、同時(shí)低速加速性和高速加速性都大幅度提高。 如果適用于NEDC的法規(guī)全部移到WLTC上，那么PHEV的電驅(qū)模式也必須滿足WLTC循環(huán)或至少車速小于100km/h的部分，那么很可能電芯將根據(jù)WLTC的電驅(qū)模式確定。國(guó)6引入的RDE循環(huán)對(duì)WLTC是循環(huán)外工況，其不適用于電驅(qū)模式，因它僅用于排放測(cè)定，而電驅(qū)模式?jīng)]有排放。國(guó)6對(duì)電池包設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)大于國(guó)5，對(duì)電芯的考慮重點(diǎn)很可能是電驅(qū)模式而不是混動(dòng)的助力模式。Page 16Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3某HEV混動(dòng)公交車的混動(dòng)系統(tǒng)能量分析法舉例（3） 整車需滿足的循環(huán) 混動(dòng)系統(tǒng)的能量分析在規(guī)定的循環(huán)條件

20、下進(jìn)行。循環(huán)特征如下圖所示。Page 17Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3某HEV混動(dòng)公交車的混動(dòng)系統(tǒng)能量分析法舉例（4） 整車在循環(huán)條件下的道路負(fù)荷分析 采用能量分析法分析時(shí)，需分離可回收能量和不可回收能量。根據(jù)在道路阻力特性的說(shuō)明，除慣性外，穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)的能量均不可回收，即克服摩阻、風(fēng)阻、和坡阻的能量均不可回收。 車速越低，加速越大，加速功率在總驅(qū)動(dòng)功率占的比例就越大，可回收的能量比例就越大。同理，車重越大，加速所需的功率就越大，可回收的能量就越大。Page 18Print Date: 8/3/2016Revise Date: 2016-8-3某HEV混動(dòng)公交車的混動(dòng)系統(tǒng)能量分析法舉例（5） 整車在循環(huán)條件下的所需總驅(qū)動(dòng)功率的分解 根據(jù)克服道路阻力所需總驅(qū)動(dòng)功率，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗M