奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力系統結構及技術(shù)分析

圖4：奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力系統的冷卻工作設計示意

　　新電池組的功率輸出峰值達40千瓦，在奧迪Q5 Hybrid整個(gè)動(dòng)力總成的180千瓦功率輸出中占有相當大的比例。該電池采用較寬的電池荷電狀態(tài)SOC（State-of-charge）窗口設計，范圍從20%到80%，在30%-70%區間內均可充分發(fā)揮電池性能。該電池荷電狀態(tài)SOC窗口明顯寬于其他汽車(chē)制造商電池的現有水平。以通用汽車(chē)為例，其全混合動(dòng)力車(chē)型配備的電池充分發(fā)揮性能的SOC窗口跨度僅有20%。由于奧迪Q5 Hybrid電池組充分發(fā)揮性能的SOC窗口跨度超過(guò)30%，因此甚至在-30oC（-22oF）的低溫狀態(tài)下依然能夠起動(dòng)發(fā)動(dòng)機。

　　相形之下，大眾途銳混合動(dòng)力車(chē)型與保時(shí)捷卡宴混合動(dòng)力車(chē)型所采用的鎳氫電池組共有240個(gè)電池單元，額定工作電壓288伏特，電池蓄電量為75安培小時(shí)，蓄能容量為1.7千瓦時(shí)，功率輸出峰值為38千瓦?？梢?jiàn)奧迪Q5 hybrid的鋰離子電池系統重量更輕，電池單元更少。

三、電池冷卻功能

　　圖3為2012款奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力車(chē)的冷卻系統。上中下分別為電動(dòng)馬達水冷系統、高壓電池模塊冷卻系統和動(dòng)力電子冷卻系統。其電池系統采用氣冷模式，需要對冷卻氣流體積與溫度進(jìn)行控制。電池組可分為兩個(gè)對稱(chēng)部分，每一側均設有獨立的進(jìn)氣與排氣界面（如圖4所示）。

　　新電池在設計上尤其注重防止氣流通道中紊流（Turbulence）的發(fā)生，后者可導致內部壓強及冷卻效果出現不穩定現象。圖4左側為紊流所導致的非均勻氣壓差（Inhomogeneous Pressure Deviation）。溫度調節精度誤差為5開(kāi)爾文（等于5攝氏度）。

　　奧迪發(fā)現在電池組中添加空氣調節系統可以明顯縮短達到特定冷卻目標所耗費的時(shí)間。例如，采用主動(dòng)空氣調節系統的電池組可以在16秒之內將溫度從50 oC（122 oF）降低到40 oC（104 oF），而倘若僅僅依靠壓縮氣流進(jìn)行冷卻，則可能需要6分鐘的時(shí)間。

　　電池管理系統BMS（Battery Management System）可在主動(dòng)與被動(dòng)工作模式之間進(jìn)行切換。電池組的冷卻分三級進(jìn)行控制。倘若電池組溫度上升至34.5 oC（94.1 oF）以上，則風(fēng)扇冷卻功能將起動(dòng)；倘若電池組溫度上升至37 oC（98.6 oF）以上，則空氣調節系統將起動(dòng)，將冷卻氣流通過(guò)前蒸發(fā)器吹送至電池；倘若溫度高達42 oC（107.6 oF），則后置專(zhuān)用蒸發(fā)空冷裝置將提供額外的冷卻效果。

圖5：奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力系統電池荷電狀態(tài)SOC窗口

四、性能監控

　　電池管理系統對一系列重要歷史數據進(jìn)行存儲，包括電池單元電阻與容量、電池溫度與電流分布，以及參數限制超標等，上述信息都通過(guò)柱狀圖顯示以供評估。奧迪公司的測試表明：在最糟糕的場(chǎng)景設定下，電池組的蓄能容量大約削減60%；而到電池組使用壽命末期，電池單元內部電阻升高30%。奧迪期望在電池組投入使用的頭十年中性能不會(huì )發(fā)生衰減影響，并擬根據車(chē)輛行駛里程提供至少七年的性能保障。

五、安全防護

　　2012款奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力車(chē)電池系統采用三級防護措施。在多重防護措施確保下，即便電池單元由內部異物導致短路，電池組也不會(huì )發(fā)生起火和爆炸。

　　第一級防護：車(chē)輛電池管理系統監測電池單元失衡現象，例如電池單元蓄能容量降低、內部電阻上升等，并采用算法修正管理策略，在達到監測電池的同時(shí)并不影響監控車(chē)輛性能。

　　第二級防護：當電池組發(fā)生超越額定工作電壓、電流，并/或超過(guò)溫度界限，或者系統監測到碰撞發(fā)生時(shí)，車(chē)輛控制系統可將電池組與混合動(dòng)力系統其他組成隔絕開(kāi)來(lái)，同時(shí)切斷電流。這樣根據碰撞烈度情況而言，某些情況下電池功能也將得以保全。

　　第三級防護：系統從機械層面與功能層面設置了應對措施，將單元產(chǎn)生的氣體排出電池組的排氣口，防止單個(gè)電池單元嚴重衰竭時(shí)熱能紊亂導致連鎖反應。在測試開(kāi)展過(guò)程中，一個(gè)電池單元被特意調控進(jìn)入熱能紊亂狀態(tài)，以觀(guān)測是否會(huì )波及電池組內其他電池單元。而所有的測試結果都表明熱能失控事件都控制在最初發(fā)生事故的電池單元中。

　　奧迪Q5 Hybrid的電池組測試貫徹了聯(lián)合國UN 38.3鋰電池測試要求標準，并符合美國能源部Sandia國家實(shí)驗室測試2005-3123號標準。后者被Sandia國家實(shí)驗室用于支持先進(jìn)電池聯(lián)盟USABC（United States Advanced Battery Consortium）FreedomCar測試協(xié)議。奧迪同時(shí)還為電池組“濫用”測試條款增添了“外來(lái)異物顆?！睖y試內容，觀(guān)察電池單元由內部異物引起短路的情況下，防護措施能夠起到怎樣的效果。測試中，鎳金屬微粒植入電池單元后誘發(fā)故障，電池單元分斷器受壓后立即起動(dòng)斷開(kāi)。根據Daniel Andree所言，測試中電池未發(fā)生任何起火或爆炸現象。