混合动力技术提升电动车辆对动力电池的要求

（1）电动车辆驱动力的主要影响因素 电动车辆（这里包括混合动力、纯电动车辆和混合动力有轨电车）由动力电池组输出电能给驱动电机，驱动电机输出功率，这些功率用于克服车辆机械装置的内阻力以及由行驶条件决定的外阻力，实现能量的转换和车辆的驱动。

电动车辆机械传动装置指与驱动电机输出轴有运动学联系的减速齿轮传动箱或变速器、传动轴以及主减速器等机械装置。机械传动链中的功率损失主要有：齿轮啮合处的摩擦损失、轴承中的摩擦损失、旋转零件与密封装置之间的摩擦损失以及搅动润滑油的损失等。

电动车辆行驶方程式为

式中F_t——驱动力，N；

F_f——滚动阻力，N；

F_w——空气阻力，N；

F_i——坡度阻力，N；

F_j——加速阻力，N。

可见，车辆的驱动力应与其行驶阻力平衡。

电动车辆的滚动阻力为

式中m——车辆质量，kg；

f——滚动阻力系数。

电动车辆的空气阻力为

式中C_D——空气阻力系数；

A——迎风面积，m²；

u_a——电动车辆的行驶速度，m/s。

电动车辆的坡度阻力为

式中，α为坡角。

电动车辆的加速阻力为

式中δ——电动车辆的旋转质量换算系数；

m——电动车辆的质量，kg；

——行驶加速度，m/s²。

（2）电动车辆对动力电池的能量和功率需求 驱动车辆所需要的功率为

动力电池组所需提供功率为

式中ε_M——电动车辆传动系统机械效率；

ε_E——电动车辆电气部件效率。

纯电动车辆行驶完全依赖动力电池组的能量，动力电池组能量越大，可以实现的续驶里程越长，但动力电池组的体积、质量也越大。纯电动道路车辆要根据设计目标、道路情况和运行工况的不同来选配动力电池。具体要求归纳如下：

1）动力电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过1C，典型峰值放电一般不超过3C；如果电动车辆上安装了回馈制动，动力电池组必须能够接受高达5C以上的脉冲电流充电。(www.xing528.com)

2）动力电池要能够实现深度放电（如80%DOD）而不影响其使用寿命，在必要时能实现满负荷功率和全放电。

3）需要安装电池管理系统和热管理系统，显示动力电池组的剩余容量和实现温度控制。

4）由于动力电池组的体积、质量大，电池箱的设计、动力电池的空间布置和安装问题都需要根据整车的空间、前后轴荷的配比进行具体的设计。

（3）车辆对动力电池的能量和功率需求 与纯电动车辆相比，混合动力车辆对动力电池的能量要求有所降低，但要能够根据整车要求实时提供更大的瞬时功率，即要实现“小电池提供大电流”。由于混合动力车辆构型的不同，串联式和并联式混合动力车辆对电池的要求又有差别。

1）串联式混合动力车辆完全由电动机驱动，内燃机—发电机与电池组一起提供电动机需要的电能，电池SOC处于较高的水平，对电池的要求与纯电动车辆相似，但容量要求小，功率特性要求根据整车需求与电池容量确定。总体而言，动力电池容量越小，对其大倍率放电的要求越高。

2）并联式混合动力车辆的内燃机和电动机均可直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶需求可以通过不同的动力组合来满足。动力电池的容量可以更小，但是电池组瞬时提供的功率要满足车辆加速或爬坡的要求，电池的最大放电电流有时可能高达20C以上。

在不同构型的混合动力车辆上，由于工作环境、车辆构型、工作模式的复杂性，对混合动力车辆用动力电池提出统一的要求是比较困难的，但一些典型、共性的要求可以归纳如下：

1）动力电池的峰值功率要大，可短时、大功率充放电。

2）循环寿命要长，至少要满足5年以上的电池使用寿命，最佳设计是与车辆整车同寿命。

3）电池的SOC应尽可能保持在50%～85%的范围内工作。

4）需要配备电池管理系统，包括热管理系统。

可外接充电式混合动力车辆（PHEV）在应用上期望纯电动车辆工作模式的续驶里程达到40km以上，并且兼具混合动力驱动的功能，因此对动力电池的要求要兼顾纯电动和混合动力两种模式。同时，由于在应用模式上是在纯电动模式行驶到电量不足时，起动混合动力驱动工况，因此需要动力电池组在低SOC时也能提供很高的功率。

现有的燃料电池车辆由于燃料电池功率密度较低，一般采用与动力电池共同驱动的方式对外输出电能。在燃料电池与动力电池连接方式上也有并联和串联两种形式，在该类车型上对动力电池性能要求与混合动力电动车辆相似。

（4）新能源车辆用动力电池的评价参数 新能源车辆对动力电池组的要求主要有如下几点：

1）比能量高。高能量对于电动车辆而言，意味着更长的纯电动续驶里程。作为交通工具，延长续驶里程可有效提升车辆应用的方便性和适用范围。为了提高车辆的续驶里程，要求车辆上的动力电池组储存尽可能多的能量，但车辆又不能太重，而且安装电池组的空间也有限，这就要求电池组具有高的比能量。

2）比功率大。为了使车辆在加速能力、爬坡能力和负载行驶能力等方面可与燃油车辆竞争，就要求电池组具有高的比功率。长期大电流、高功率放电对于电池组的使用寿命和充放电效率会产生负面影响，甚至影响电池组使用的安全性，因此在功率方面还需要一定的功率储备，避免让动力电池组在全功率工况下工作。

3）充放电效率高，循环寿命长。电池组中能量的循环必须经过充电——放电——充电的快速充放电循环过程，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。要求充电技术成熟，充电时间短，且电池组的循环寿命不低于1000次。

4）使用成本低。除了降低电池组的初始购买成本外，还要提高电池组的使用寿命以延长其更换周期。

5）安全性好。电池组应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。

6）工作温度适应性强。电动车辆应用一般不应受地域的限制，能在不同的空间和时间应用，需要电动车辆适应不同的温度。仅以北京地区的车辆应用为例，北京夏季地表温度可达50℃以上，冬季可低至-15℃以下，在该温度变化范围内，动力电池应可以正常工作。这就需要动力电池具有良好的温度适应性。在进行动力电池系统设计时，一般都需要设计相应的冷却系统或加热系统来保证动力电池的最佳工作温度，以解决电池的温度适应性问题。

7）可回收性好。按照动力电池使用寿命的标准定义，电池在其容量衰减到额定容量的80%时，确定为动力电池寿命终结。随着电动车辆的大量应用，必然出现大量废旧动力电池的回收问题。这就要求电池正负极及电解液等材料无毒，对环境无污染，电池内部各种材料可回收再利用。对于动力电池的再利用，还存在梯次利用问题，即按照动力电池寿命标准达到额定容量80%以下淘汰的电池组转移到对电池容量和功率要求相对较低的领域继续应用。

目前，虽然有些电池组的性能参数已经超过了开发目标，但距离大规模推广应用还有差距，还有很多问题需要解决。新能源车辆动力电池普遍存在安全性得不到保障、电池容量满足不了续驶里程的需要、电池循环寿命短、电池质量和尺寸较大、电池价格昂贵等问题，这些问题都有待进一步解决。

动力电池最重要的特点就是高功率和高能量。高功率意味着更大的充放电强度，高能量表示更高的质量比能量和体积比能量。这两个指标的要求其实是矛盾的，为了提高功率，就要提高充放电电流，电池结构要求设计为增大等效的反应面积和减少接触阻抗，要求增大体积和质量，从而降低了比能量。动力电池系统设计需要按照最优化的整车设计应用指标设计电池系统。

2010年，工业和信息化部颁发了先进动力电池系统的规格和等级：

①工作温度为-20～55℃；

②储存和运输温度为-40～80℃；

③比能量≥90W·h/kg（以电池组总体计）；

④最大放电倍率≥5C；

⑤最大充电倍率≥3C；

⑥循环寿命≥2000次（单体），1200次（系统）。

美国能源部（DOE）/新生代车辆联合体（PNGV）对混合动力车用电池的性能要求见表4-4。

表4-4 美国能源部（DOE）/新生代车辆联合体（PNGV）对混合动力车用电池的性能要求