1、动力电池电芯选型培训Page 1Page 2车辆道路行驶所需的驱动力 整车行驶所需的驱动力整车在道路上的总驱动力由道路阻力和加速阻力两大部分构成F=F摩擦阻力+F坡度阻力+F空气阻力+F加速阻助力F摩擦阻力=f mg cosF坡度阻力=mg sinF空气阻力=0.5 air Cd A V2F加速助力=m (dV/dt)(道路阻力，相应的能量不可回收，以热能形式耗散)(道路阻力，相应的能量不可回收，以热能形式耗散)(道路阻力，相应的能量不可回收，以热能形式耗散)(惯性力，相应的能量可以部分地在减速时回收)A=整车迎风面积；Cd=整车风阻/型阻系数；mg=整车质量；=当量转动惯量系数车速 V最大功
2、率V_Fmax牵引力 FFmaxVmaxF_Vmax最大坡度 Smax最小坡度 SminPage 3Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（1）PHEV整车的动力和经济性能目标参数示例 动力性能（动力性能以满载考虑，属于“循环外”性质）最高车速（稳态动力性，直接驱动档性质，低于在超速档的瞬态最高车速）：0%坡度满载最高车速 180 km/h（非限速道路的最高持续车速能力）坡度能力（稳态动力性）：50km/h 车速坡度 8%，持续30min（市郊道路最大坡度持续时间）80km/h 车速坡度 5%，持续15min（高速公
3、路最大坡度持续时间）静止起步最大坡度 40%（驻坡起步最大坡度能力）加速能力（瞬态动力性，一般不大于50%载荷）：0-50km/h的加速度 0.4g 或时间 3.5 秒（有运动型汽车感觉的低车速段加速能力）80-120km/h的加速度 0.22g 或时间 5 秒（高速公路加速或超车能力）0-100km/h时间 10 秒（低速档综合加速性能）经济性能参数（属于“循环内”性质，载荷由油耗循环规定，一般不大于50%载荷）混动模式循环油耗：5.76 L/100km（循环工况百公里油耗）电驱续航里程：55 km（连续的油耗循环或稳态车速巡航条件下电池包驱动的里程）综合循环油耗：1.8 L/100km（C
4、AF油耗，用户实际感兴趣的是电驱里程+油箱里程）Page 4Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（2）决定整车最高车速和最大坡度的动力系统参数 最高车速和最大坡度都属于稳态驱动性质。在选定变速器后，发动机驱动模式下的最高车速和最大坡度能力都由发动机外特性决定。发动机的最大功率限定了最高车速的目标，发动机的高速最大扭矩限定了最大坡度。电驱模式下的最高车速一般不大于120km/h，因电机的高速扭矩性质差，而且效率低；最大坡度能力需根据电机的性能和布置而定。对PHEV，整车最高车速和最大坡度都不会在电驱模式下获取。PHE
5、V的最大坡度能力和最大加速度一般在具有最大驱动能力的混动模式下获取。Page 5Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（3）决定整车加速能力的动力系统参数 整车的最大驱动功率包含了克服给定车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总功率受动力总成所能提供的最大功率限制。车速越低，可应用于加速的功率储备就越大，整车可获得的加速度就越大。最大加速度是在动力总成最大动力输出条件下，整车从静止起步时获取的，因这时发动机具有最大的扭矩储备。对应的油门踏板位置在100%扭矩位置。由于最高稳态车速在直接驱动档获取，0
6、-50km/h一般在最低档或最低的两个档位获取，0-100km/h一般在前两个或前三个低速档获取。稳态最高车速越高，0-100km/h的档位就越低。档位越高，加速储备越小，加速度随升档即车速提高而下降。由于电机具有良好的低速扭矩性质，对PHEV，电驱模式及并联混动模式具有良好的低速加速能力。1档的驱动力是决定0-50km/h时间的最关键参数。Page 6Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（5）具有运动车型感觉所必须的加速度 目前对加速的要求一般以美国的0-60 mph（=96.54 km/h）评估。这个最终速度的
7、定义是因为美国许多城市和乡村道路的限速是55km/h，及90年代以前美国高速公路车速为55mph，不罚款的最高超速车速为5mph。这个加速性表示了在美国切入道路交通所需的最高车速。中国的城市和乡村道路车速远低于美国，所以使用上0-50km/h加速的意义更大些，它表示了低速起步的动力性。车辆加速时的运动感由低车起步的加速度相对于重力加速度的比值决定。F1赛车的加速度可达4g，超过普通车的急刹车的负加速度。要使所开发的整车在0-50km/h的加速具有运动型汽车的感觉，至少在最低档相应的车速下，加速度应不小于0.4g（=3.92 m/s2）。在0-50km/h的加速度 0.4g的加速目标设定了在该车
8、速范围内整车必须的驱动力。低速加速性提出了PHEV在低车速下的最大驱动能力性质，即并联时驱动电机和发动机合力驱动的最大驱动能力。对已选定的发动机，发动机低速扭矩的不足必须由电机补偿。这决定了电机必须具有的低速扭矩。Page 7Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（6）发动机和电机驱动性质的差异 发动机驱动特性：发动机必须在达到一定转速后才能达到最大扭矩，所以必须借助变速器的调节才能提供整车起步及低速加速所要求的驱动性质。但发动机，特别是汽油机，具有良好的高速扭矩性质，即在高功率下仍具有较大的驱动扭矩，而且发动机的外
9、特性属于稳态性质。电机驱动特性：给定电压下，电机的驱动性质受最大许可电流限制。动力电机的外特性通常是瞬态性质，其持续驱动性质扭矩一般仅有在相同转速下50%左右的驱动扭矩。电机许可的最大稳态和瞬态电流决定了电机的低速最大稳态和瞬态扭矩。电机的瞬态性质决定了电机驱动的最大加速能力；稳态性质定义了电机驱动的最大持续驱动能力，其仅有瞬态驱动能力的一半。所以电驱模式的最高车速不应太高。Page 8Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（7）电池包的功率特性和电芯的电流特性 电池包是电机的动力源，电机的驱动特性决定了电池包的使用
10、特性。所以电池包的功率特性由电机的功率特性决定。反之，电池包选择不合理时也会限制电机的工作负荷范围，无法发挥潜力。对锂离子电池包，电压可以在很宽的SOC状态下基本保持不变。所以，给定电压下，电池包的使用功率就决定了电池包的使用电流，在给定电池包结构下，电池包的使用电流决定了电芯的工作条件。电机的瞬态最大功率决定了电池包和电芯的瞬态最大放电电流。电机的稳态最大功率决定了电池包和电芯的稳态最大放电电流。Page 9Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（8）电池包的能量性质和功率性质 电池包的能量性质由电池包电量确定，以
11、kWh度量。电池包的kWh值是电池包的Ah值和电压值的乘积。由于Ah值由并联电芯的数目决定，电压值由串联电芯的数目决定，kWh值取决于电池包中电芯的总数目，因而决定了电池包的大小。电池包的功率性质由电池包的放电能力决定，以kW度量。对相同的功率，脉冲持续时间越长，电池包耗能就越多，反之，耗能就越少。电机和电池包的内部生热都和电流的平方成正比，两者都有最大电流的限制条件。在限流条件下，能量性质和功率性质的差异在于脉冲功率或脉冲电流持续时间的长短。电池包的最大续航能力和电池包的最大功率是两个不同的概念，前者是指电池包的持续功率性质，持续时间由电池包能量决定，因而属于能量性质；而后者是指电池包的最大
12、瞬态放电能力，受最大许可放电电流限制。在电池包设计时，应考虑是电机先达到限流条件而不是电池包先达到限流条件。（为什么要这样考虑？）Page 10Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目标性能参数（9）电池包的kWh值和Ah值的差异 电池包的能量性质由电池包储存电能确定，即电池包的kWh值决定。能量和功率的相关性由脉冲时间决定。对给定的电池能量，放电时间越短，相应的脉冲功率就越大：P=E/t。电池包的Ah值由并联电芯的数目决定。PHEV通常采用1P96S的电池包结构，对1P结构，电芯的Ah值就是电池包的Ah值。Ah值也表示了电池包
13、的电量，但更确切地说它表示了储存的电荷多少。对1P96S的电池包结构，电芯的相对放电率=放电电流 I/电芯的Ah值=（P/V）/Ah=nC/1C。相对放电率nC/1C是选择电芯的关键参数。电机的不同功率下的脉冲电流的时间及持续功率下的持续电流时间都必须和电芯对应的许可相对放电率的时间相匹配，这是选择电芯的条件。电机做驱动马达和发电机工作具有很高的对称性。电芯则不然：电芯越大，放电能力和充电能力的差异就越大。一般以较小的电芯充电能力来匹配电机，以通过电流来对电机和电芯实施控制。Page 11Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3PHEV整车和电池包有关的目
14、标性能参数（10）电芯参数的选择 电芯选择时必须至少核实电芯技术参数的如下所示10个基本指标，特别是2秒，10秒的最大脉冲电流和最大持续电流，及充放电的对称性。对HEV的电芯，要求充放电尽可能对称，这是动力电池的基本要求，也是SOC平衡的需要。对EV的电芯，可以容许充放电具有高度不对称性，只要不限制电机的驱动和刹车能量回收就可以。对PHEV的电芯，既要考虑电驱模式下对电芯的要求也要考虑混动模式下对电芯的要求。这很大程度和选定的动力循环有关。要特别注意，不能根据NEDC这样的经济性循环选择电芯。Page 12Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3选择电芯时
15、应了解的参数 选择电芯时应了解的参数 除了基本参数以外，还应了解电芯内阻及不同充放电率、不同温度下的电压特性及深度放电寿命。Page 13Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3动力循环对PHEV的EV模式和HEV模式影响及电池包电芯的选择（1）电池包电芯应以动力循环驱动确定 中国目前还没有动力循环，唯一的标准循环是NEDC循环，其属于经济性循环，不能以经济性循环选择电池包电芯。以NEDC循环为例，循环要求的整车质量仅为CW+100kg，0%坡度，低速最大加速度为0.1g，高速最大加速度为0.05g。这样的循环不符合整车常规使用所需的驱动条件，对电池包的设
16、计也无挑战。这也是为什么中国开发电车时没有遇到通用开发Volt所遇到的挑战。对乘用车的PHEV，EV模式和HEV模式都必须通过经济性循环：EV模式用于确定电驱里程；HEV模式用于评估油耗。和NEDC一样，FTP也是经济性循环，但在EPA油耗中，FTP仅代表城市工况油耗（55%），它和高速公路工况即HWFET循环油耗（45%）共同构成EPA油耗。美国环保署规定，PHEV的EV模式和HEV模式都必须通过作为动力循环的US06循环。由于整车驱动的总功率对EV模式和HEV模式是一样的，电驱模式下电池包的输出功率大于混动模式下电池包的电芯具有更大的挑战。所以电池包电芯应根据电池包驱动功率或使用电流最大的
17、模式来选择。Page 14Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3动力循环对PHEV的EV模式和HEV模式影响及电池包电芯的选择（2）配有26kWh电池包的PHEV轻卡在US06循环下EV和HEV模式的电池包电流变化 下例是某款配有26kWh电池包的PHEV轻卡在US06循环下电池包电流的变化。该电池包具有1P96S的布置结构，电芯电量为75Ah。由于整车驱动的总功率是一样的，在电驱模式下电池包的输出功率大于混动模式下电池包的驱动功率，导致在电驱模式下电池包电流大于混动模式下电池包的电流。因而电池包电芯参数必须根据在电驱模式下电池包的使用电流确定。Page
18、 15Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3动力循环对PHEV的EV模式和HEV模式影响及电池包电芯的选择（3）国6对电池包设计的理念的改变：标准循环由NEDC切换为WLTC 中国进入国6后标准循环由NEDC切换为WLTC。WLTC是一个经济和动力综合的循环，原来对NEDC属于循环外的工况对WLTC则属于循环内，同时低速加速性和高速加速性都大幅度提高。如果适用于NEDC的法规全部移到WLTC上，那么PHEV的电驱模式也必须满足WLTC循环或至少车速小于100km/h的部分，那么很可能电芯将根据WLTC的电驱模式确定。国6引入的RDE循环对WLTC是循环外
19、工况，其不适用于电驱模式，因它仅用于排放测定，而电驱模式没有排放。国6对电池包设计的挑战远大于国5，对电芯的考虑重点很可能是电驱模式而不是混动的助力模式。Page 16Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3某HEV混动公交车的混动系统能量分析法举例（3）整车需满足的循环 混动系统的能量分析在规定的循环条件下进行。循环特征如下图所示。Page 17Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3某HEV混动公交车的混动系统能量分析法举例（4）整车在循环条件下的道路负荷分析 采用能量分析法分析时，需分离可回收能量和不可回收能量。
20、根据在道路阻力特性的说明，除惯性外，稳态驱动的能量均不可回收，即克服摩阻、风阻、和坡阻的能量均不可回收。车速越低，加速越大，加速功率在总驱动功率占的比例就越大，可回收的能量比例就越大。同理，车重越大，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混动公交车的混动系统能量分析法举例（5）整车在循环条件下的所需总驱动功率的分解 根据克服道路阻力所需总驱动功率，发动机油耗MAP和可回收能量，设定驱动电机介入工作的条件。驱动电机的工作条件受电机和电池包的限流条件，发动机的油耗特性，及电池包SOC的平衡条件综
21、合确定。Page 19Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3某HEV混动公交车的混动系统能量分析法举例（8）混合动力总成的扭矩特性 混合动力总成的驱动扭矩为发动机扭矩和驱动电机扭矩的耦合。在SOC和限流条件许可时，加速所需的扭矩应尽可能由电机提供，特别是在低车速时的中及强加速工况，因在这些工况下，发动机工况很差。在能量分析法中，由于车速和道路阻力已知，以功率分析更容易和电池包的输出电流联在一起，而扭矩则作为导出值。Page 20Print Date:8/3/2016Revise Date:2016-8-3某HEV混动公交车的混动系统能量分析法举例（10）混动系统能量分析法的局限性 上述介绍的能量分析法是根据特定循环得出的，循环不同结论也就不同。同时它对循环外工况未必是合理的。对PHEV的电池包，电芯的选择必须综合电驱模式和HEV模式的性能：对EV模式，要使续航里程尽可能长；对HEV模式，要使油耗尽可能低。要满足不同要求，最好的办法就是把不同模式限制在不同的驱动条件下，如本田Accord-PHEV采用的策略。这样就可以分区来限定电机的持续工作特性和瞬态工作特性，有利于电芯的选择和电池包的管理。原则是，循环内应注重经济性，循环外需同兼顾动力性和经济性，而在75%以上的负荷区应主要考虑动力性。经济性应是持续驱动性质，而动力性应是瞬态性质。
