插电增程式混合动力客车用动力电池性能分析

孔维峰， 刘继红， 邵 强， 刘宝来， 黄圣涛, 孙 鹏

(1.北京公共交通控股(集团)有限公司， 北京 100161； 2.北京理工大学， 北京 100081；3.北京福田欧辉新能源汽车有限公司， 北京 102206)

插电增程式混合动力客车(以下简称插增混客车)是在纯电动客车的基础上增加一套发动机和发电机系统作为增程器，当动力电池电量不足而又无法及时外接充电时，增程器能继续为车辆行驶提供电源。插增混客车的发动机与驱动车轮之间没有机械连接，仅用于驱动发电机发电，以补充动力电池电量的不足。因此，合理匹配插增混客车的动力电池系统非常重要。本文针对北京城区运行工况，在增程器等配置相同的情况下，从匹配的不同体系动力电池的运行温度、充放电性能、循环稳定性、放电时长占比及充放电SOC范围5个维度进行数据分析，为插增混客车动力电池的选型提供参考。

1 影响动力电池选型的主要因素

1) 运行温度。动力电池的电化学性能受温度影响很大。在高温环境下长期运行，会导致电池内部产气严重，影响动力电池的循环寿命；在低温环境下长期运行，电解液的粘度降低，会导致导电性下降。北京地区的环境温度变化很大，夏季的最高气温可以达到35 ℃左右，冬季的最低气温可以达到-17 ℃左右，这就要求动力电池工作的温度范围越宽越好，理论上要求在-20～55 ℃的环境温度下，动力电池具备正常的充放电能力。

2) 充放电性能。北京城区的人流量大，早晚高峰期间车辆拥堵情况较多，车辆需频繁启停。由于整车的制动能量回收过程即是动力电池的充电过程，车辆的加速过程即是动力电池的放电过程，因此在频繁启停工况下，整车的需求电流变化频繁，动力电池的脉冲充放电切换频繁。另外，早晚高峰时，整车的载客量较大，其需求的充放电电流较大，即在动力电池容量相近的情况下，对其充放电倍率要求更高。在北京城区非早晚高峰时，动力电池一般需具备2 C左右的充放电能力；在早晚高峰时，动力电池一般需具备3 C左右的充放电能力。

3) 循环稳定性。动力电池在整车质保(10年)范围内都要满足其2 C或3 C的充放电性能要求。动力电池在不断的充放电循环过程中，其容量会发生衰减。动力电池的循环次数代表电池的容量衰减至某一值前，可以循环充放电的次数。因此，动力电池的容量衰减越快，其循环次数越低，即循环稳定性越差。从动力电池全生命周期循环稳定性匹配上考虑，要求动力电池的实际日平均循环数在质保期10年内都要小于所设计的日循环数(动力电池设计日循环数=动力电池全生命周期循环次数/(365天×10年))。

4) 放电时长占比。对于插增混客车，在保证动力电池循环寿命的前提下，减少发动机的工作时长，提高动力电池放电时长占比(一般应>50%，在满足整车需求电流的情况下，可通过增加动力电池的容量、减小动力电池的放电倍率等措施来提高放电时长占比)，进而达到更好的节能减排效果。

5) 充放电SOC范围。对于插增混客车，控制策略一般将动力电池的充放电SOC范围控制在40%～80%之间，使动力电池长期处于浅充浅放的状态，有利于保障动力电池的安全性能。

2 市区运营工况下动力电池系统数据分析

在北京城区运营路线相同的车型上分别搭载锰酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂动力电池，并对其运行数据进行分析。运行时间为1.5年，三种电池的容量分别为96 Ah、70 Ah、157 Ah。钛酸锂电池的倍率性能优异，其大倍率充放电时，电池的温升较低，从满足使用要求、降低成本角度出发，钛酸锂电池采用风冷措施，而其他两种动力电池采用液冷措施。

2.1 电池运行温度分析

表1为三种动力电池的运行温度分布情况。表中对温度区间进行了划分，分为高温区(50 ℃, 65 ℃]、可接受温度区(35 ℃, 50 ℃]、最佳温度区(5 ℃, 35 ℃]、低温区(-30 ℃, 5 ℃]。

表1 动力电池系统的温度分布

从表1中可以看出，在全温度范围内(环境温度-17～35 ℃)，采用液冷的锰酸锂和磷酸铁锂电池均无高温和低温现象产生，采用风冷的钛酸锂电池运行温度在高温区的占比为3.38%。理论上在-20～55 ℃环境温度内，锰酸锂和磷酸铁锂电池的脉冲充放电能力可以达到3 C，钛酸锂电池的脉冲充放电能力可以达到5 C。三种动力电池均可以满足北京城区全温度范围内的使用要求，其中锰酸锂和磷酸铁锂电池的温度分布最佳，钛酸锂电池由于充放电倍率较大并且采用风冷装置进行冷却，导致高温区、可接受温度区占比较高。

2.2 电池充放电电流分析

表2中的数据是整车运营过程中三种电池的实际充放电电流分布情况。表中：充放电电流处于200 A及以上区域的主要是早晚高峰时段，锰酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂电池的充放电倍率分别可以达到4.17 C、5.71 C、2.55 C，前两者具备3 C以上的充放电能力，而磷酸铁锂电池的充放电能力低于3 C；非早晚高峰下，充放电电流一般处于200 A以下区域，锰酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂电池对应的充放电倍率最高可以分别达到2.08 C、2.86 C、1.27 C，前两者具备2 C以上的充放电能力，磷酸铁锂电池的充放电能力低于2 C。相对而言，匹配钛酸锂电池的车辆在城区早晚高峰的运营特性更为明显：其充放电电流在大于200 A的电流范围内分布更多，分别占比8.95%、13.47%，而锰酸锂电池分别占比3.01%、3.64%，磷酸铁锂电池分别占比8.49%、8.09%。三种动力电池均满足整车的电流需求，但是在相同的电流需求下，钛酸锂电池的倍率性能更加优异，能更好地满足城区工况下整车频繁启停的需求。

表2 动力电池的充放电电流及倍率分布

2.3 电池循环稳定性分析

在动力电池全生命周期内，供应商提供的锰酸锂、磷酸铁锂和钛酸锂电池的循环次数分别为9 964次、9 125次、20 002次(SOC变化范围40%～80%)，则其设计日循环数分别为9 964/3 650=2.73次、9 125/3 650=2.5次、20 002/3 650=5.48次。车辆经过1.5年的实际运行，根据实时监测的数据，锰酸锂、磷酸铁锂和钛酸锂电池的实际平均日循环数分别为1.85次、2.26次、2.62次(SOC实际变化范围40%～80%)，都小于各自的设计日循环数。由于车辆在质保期内(10年)的运营线路和运营场景可以认为基本不变，因此动力电池的实际日循环次数也可认为基本不变，所以可以认为三种电池都能满足整车质保范围内的运营要求。

从上述数据可以看出，磷酸铁锂电池的设计日平均循环次数最小，是因为其电子电导率和扩散系数相对最小，严重影响其循环性能。钛酸锂电池的设计日平均循环次数最大，其原因是：一方面钛酸锂电池是尖晶石型三维框架结构，嵌锂前后两种晶格参数非常接近，锂离子脱嵌过程尖晶石结构的结构变化率<0.3%，结构变化率几乎为零，被称为“零应变”材料；另一方面钛酸锂电池的嵌锂电位为1.55 V，相比其电解液中锂离子的还原电位高很多，且高于电解液分解电压，不会产生SEI膜，不进行副反应，因此其循环稳定性优异。

2.4 电池放电时长占比分析

根据车辆运行的实时状态，锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂三种电池的放电时长占比分别为54.23%、73.99%和64.79%，其中磷酸铁锂电池的放电时长占比最高，主要原因是：在整车需求电流相同的情况下，由于磷酸铁锂电池的容量最高，且其提供的倍率最低，从而对应的放电时间最长，因而其节能减排效果最显著。

2.5 电池充放电SOC分析

三种动力电池的充放电SOC分布见表3，绝大多数在40%～80%之间，与充放电SOC的设计范围基本保持一致。三种动力电池都能长期处于浅充浅放的状态。此外，由于城区车辆平均车速较低，启停频繁，为了能持续为整车输出功率，部分动力电池出现了SOC低于设计要求的情况。

表3 不同动力电池的SOC范围占比 %

3 结束语

动力电池是评价电动客车性能的最重要的部件。对于插增混客车，应综合考虑电池运行温度、充放电性能、循环稳定性、放电时长占比、充放电SOC范围等因素，并结合产品的使用场景，进行动力电池选型，以达到最佳的匹配效果。