乘用车双电池系统方案浅析

阮先轸

【摘 要】乘用车采用两块电池形成双电池系统，以实现不同的系统功能。电池的类型有铅酸蓄电池、锂离子电池组、超级电容组等。本文就市场主流的采用双电池系统的车型进行介绍，从其系统方案、系统组成、系统架构、系统效果等方面进行分析。

【关键词】双电池系统；启停系统；减速能量回收；锂离子电池；超级电容；EDLC

Research on Dual-battery System of Passenger Car

RUAN Xian-zhen

（Automobile Engineering Institute，Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd，Guangzhou Guangdong 510640，China）

【Abstract】Passenger CarsDual-battery System use two batteries to achieve different funciton.The type of auxiliary battey may be lead acid battery， Lithium-ion battery，super capacitor such as EDLC...etc.This paper introduce some typical passenger Cars Dual-battery System in aspects of characteristic，content，methods，and effectiveness.

【Key words】Dual-battery system；Start-stop system；Braking energy recovery system；Super capactior；Lithium-ion battery；Edlc

0 引言

乘用车蓄电池的主要作用是，在发动机起动时，向起动电机、点火系统以及其他电器设备供电。另外，当发动机没有运转或者发电系统输出无法满足用电器功率时，蓄电池可以在一定时间内为用电设备补电。除电气系统为24V的车辆需采用两块12V蓄电池串接外，一般乘用车仅采用一块12V铅酸蓄电池。

但随着汽车电子技术的更新迭代和广泛应用，电器系统和控制模块的大量增加，造成整车负载功率及静态电流随之上升，对常规蓄电池提出更高的要求，于是双电池系统应运而生。同时，随着启停系统的普及和能量回收系统的推广，越来越多的汽车厂商提出的不同的双电池系统方案，本文就市场主流车型的双电池系统进行介绍，根据双电池系统的组成分为铅酸电池+铅酸电池、铅酸电池+锂电池组、铅酸电池+超级电容模组三种类型。针对不同类型的典型车辆，从其系统组成、电气架构，实现功能等方面进行说明。

1 方案介绍

1.1 第一类： 铅酸电池+铅酸电池

梅赛德斯—奔驰在其S级、E级及CLS级等多个系列的车型中均采用了双电池系统，其系统采用一块大容量的主电池为整车用电设备提供能量，同时搭载一块容量较小的辅助电池为起动机供电，同在主电池电压过低时短时间内为系统供电。梅赛德斯-奔驰的双电池系统的主要目的是保证发动机的起动。

G2：发电机；M1：起动机；G1：主电池；G1/7：辅助电池；N10/1：前SAM控制模块；N10/2：后SAM控制模块；N82：蓄电池控制模块；F30：辅助电池继电器

以其E系列（W211）某款车型为例，如图1所示，主电池为一块12V 95Ah 的AGM蓄电池，布置在后备箱。辅助电池类型同样为AGM，规格为12V 12Ah，布置在发动机机舱空调系统进气管下方。两块电池通过蓄电池控制模块、辅助電池继电器及保险丝盒实现不同功能下的回路切换，同时通过蓄电池传感器、静态电流切断继电器、高温继电器以及各控制模块实现蓄电池状态监测、负载管理、暗电流控制及碰撞断路等电源管理功能，其电气系统架构如图2所示。

车辆在正常工作时，蓄电池控制模块监测两块蓄电池的电压和通过共同接地端的总充放电电流，计算蓄电池电量及工作状态并分等级关闭整车用电负载，此时辅助电池继电器处于断开状态。当检测到主蓄电池电压过低时（譬如10.5V）且发动机处于运行状态时，蓄电池控制模块通过CAN总线分等级把用电器切断，并控制辅助电池继电器吸合，辅助蓄电池接通为整车用电器提供电源。当蓄电池控制模块监测到辅助电池电压不足时，如果主电池系统电压高于某设定电压（如13.5V），辅助电池继电器将在短时间内吸合，发电机通过辅助电池继电器为辅助蓄电池充电。

随着发动机启停系统的普及和推广，针对启停启动时蓄电池电压被频繁拉低造成用电器端电压不稳定，从而影响正常功能的问题，部分汽车厂商采用双电池系统来改善此问题。以雪佛兰2014款迈锐宝（北美版）为例，与梅赛德斯-奔驰W211相同，两块蓄电池类型均为AGM，规格分别为12V 95Ah、12V 12Ah。所不同的是，迈锐宝大容量主蓄电池布置在发动机舱，小容量辅助蓄电池布置在后备箱，如下图3所示。

迈锐宝的双电池系统通过一个双电池隔离模块（DBIM）实两个电源回路的切换，并采用蓄电池传感器（IBS）来检测主电池的参数如电量、温度、启动能量等，系统架构如下图4所示。

M：起动机；MB：主电池；IBS：蓄电池传感器；DBIM：双电池隔离模块；

AB：辅助电池；G：发电机；LOAD：用电负载

该系统的工作原理是，当发动机处于运行状态时，双电池隔离模块的S1、S2均导通，发电机为整车用电负载提供电能的同时为主电池及辅助电池充电。当启停系统工作，发动机处于停机状态时，双电池隔离模块的S1导通、S2关断，主蓄电池为整车用电负载供电。当发动机启动时，双电池隔离模块的S1关断、S2导通，主蓄电池为起动机供电，辅助电池为整车用电负载短时间提供电能。在启动过程中，虽然主蓄电池电压被起动机拉低，但由于其被双电池隔离模块隔离，对整车用电负载及辅助电池不会产生影响。

1.2 第二类：铅酸电池+锂离子电池组

铃木汽车的ENE-CHARGE技术采用了锂离子电池组加铅酸蓄电池的双电池组合，一方面，可以改善启停系统再启动时的电压下降问题，另一方面，得益于锂电池快速充电特性，可以高效回收车辆在减速时的动能，通过将存储的电力供应给电气设备，减轻发电造成的发动机负担，抑制燃料消耗，从而提高燃效。该系统应用于铃木汽车旗下的WagonR、Spacia、Hustler、Swift、Solio等诸多车型。

以WagonR为例，系统采用一台高效率、高输出的发电机以及一块启停铅酸蓄电池，并在乘员舱地板上布置了一块集成控制模块的锂离子电池组，电池组为日本东芝公司提供的SCiBTM系列，负极采用钛酸锂，总容量为3Ah，如下图5、图6所示。

WagonR双电池系统架构如下图7所示。在车辆处于减速工况时，发电机除为整车所有用电负载供电外，同时为蓄电池和锂电池组充电，由于锂电池具备比蓄电池更优的快速充电特性，可以在减速过程中储存更多的电能。当车辆加速或正常行驶时，锂电池组储存的电能可以为用电负载供电，通过协调控制，可以尽量减少发电机的工作负荷，从而减少燃油消耗。当车辆启停系统工作，发动机处于再启动工况时，由蓄电池为起动机供电，同时控制模块将锂电池组和部分用电负载（LOAD2）如影音系统、仪表、发动机电气系统等隔离，这部分用电负载由锂电池组提供稳定电能，从而保证其正常工作。

1.3 第三类： 铅酸电池+超级电容模组

超级电容器是一种介于传统电容器与蓄电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优势。因此，可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的场景。

在乘用车领域，越来越多的车型也采用超级电容器作为第二储能电池，利用其快速充放电特性实现减速能量回收，从而达到降低燃油消耗的目的。如大陆电子开发的VSS（Voltage Stabilization System）系统，该系统采用Maxwell公司的BOOSTCAP？誖系列超级电容模组作为辅助电池，其规格为5V、600F。该系统广泛应用于PSA旗下配置E-HDi系统的车型如C4、C5、308等、以及通用汽车的凯迪拉克ATS、CTS、ATS coupes、CT6等车型中。

在VSS系统中，超级电容在车辆减速时回收并储存能量，在车辆冷机启动及启停启动时，超级电容通过功率控制模块输出并辅助铅酸电池为起动机供电，同时为用电负载如音响、车灯以及雨刷等提供稳定电压，不影响其正常功能。VSS系统通过减速能量回收可以进一步降低车辆的燃油消耗，同事可有效改善启停系统中蓄电池频繁深放电造成的寿命下降问题，提高系统的稳定性。

本田汽车的双电源系统架构如图10所示，系统采用了日本Nippon Chemi-Con公司DLCAPTM系列的双电层电容器（EDLC）模组，其规格为15.5V 225F，如图11所示。同样的，利用EDLC模组大电流充放电的特性进行车辆减速时的能量回收，与大陆电子的VSS系统所不同的是，车辆启停启动主要由EDLC模组提供电能，蓄电池为整车用电负载供电且与启动回路隔离，此时整车电气系统电压不受启动过程的影响。EDLC的循环寿命可达十万次以上，这是常规的EFB、AGM等类型启停蓄电池所无法比拟的，且EDLC可以在-40℃～70℃的环境温度中正常使用，具有良好的环境适应性。该系统在本田汽车Fit、Vezel、Shuttle、Grace等均有搭载。

为了进一步提升能量回收的效率，需要大功率发电机及大容量超级电容模组。马自达的I-ELOOP双电池系统由25V 150A的发电机、25V 120F的EDLC模组、25V向12V单向转换的DCDC模块以及一块12V的铅酸电池构成。系统采用发电机和电容模组直连，用电负载及蓄电池由DCDC降压供电的方式，架构如下图13所示。该系统先后在马自达的Atenza、CX-5、Axela、Demio、CX-3、Roadster等车型量产应用。

由于发电机功率及EDLC模组容量的提升，可以更大程度的回收储存车辆在减速时的能量，当车辆加速时或怠速停机时，EDLC模组可以辅助为整车用电负载提供能量。此举可以尽量减少减少发动机燃油发电的时间，用回收能量来满足车辆电流消耗，通过这种方式可以提升启停系统的停机时间，强化启停系统的效果，同时可以降低12V铅酸蓄电池的放电强度，延长其使用寿命。研究表明该系统在加减速频繁的40A左右的电流消耗时可达到10%的节油效果。

2 辅助电池性能对比

铅酸蓄电池、鋰离子电池、超级电容三种电池性能对比如表1所示。

在常规乘用车领域，铅酸蓄电池因其技术成熟、安全可靠、稳定性高、成本低等优势，仍占据主导地位，但也存在循环寿命短、环境污染等弊端。采用铅酸蓄电池的双电池系统，基本上是利用小容量的辅助电池进行电源备份或某些特殊工况进行辅助供电。

锂离子电池相同容量的锂离子电池比铅酸蓄电池具有体积小、重量轻、寿命长的优点，对环境污染相对较小，但其成本较高、低温性能差，且存在一定的安全隐患。采用锂离子电池双电池系统中，锂离子电池不仅可以辅助供电，还可以回收一部分车辆减速时的能量，一定程度上节省燃油消耗。

超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、绿色环保，但能量密度较低。在性能上，超级电容可以和铅酸蓄电池行成互补。采用超级电容的双电池系统主要是利用其快速充放电的特性实现减速能量回收功能，以及大电流启动的工况。从市场表现来看，采用超级电容的双电池系统在节油效果和系统稳定性上有显著优势，为越来越多的汽车厂商所接受。

表1 铅酸电池、锂离子电池、超级电容性能对比

3 结语

本文就市场主流的乘用车双电源系统进行简要介绍，就系统方案和电池类型就行说明。双电源系统主要功能为辅助供电和减速能量回收。从趋势上来看，超级电容因其充放电时间短、循环寿命长等优点，得到越来越广泛的应用。

【参考文献】

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[责任编辑：田吉捷]