奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析

圖4：奧迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻工作設(shè)計(jì)示意

　　新電池組的功率輸出峰值達(dá)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(dāng)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(shè)計(jì)，范圍從20%到80%，在30%-70%區(qū)間內(nèi)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制造商電池的現(xiàn)有水平。以通用汽車為例，其全混合動(dòng)力車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(jī)。

　　相形之下，大眾途銳混合動(dòng)力車型與保時(shí)捷卡宴混合動(dòng)力車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(tǒng)重量更輕，電池單元更少。

三、電池冷卻功能

　　圖3為2012款?yuàn)W迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力車的冷卻系統(tǒng)。上中下分別為電動(dòng)馬達(dá)水冷系統(tǒng)、高壓電池模塊冷卻系統(tǒng)和動(dòng)力電子冷卻系統(tǒng)。其電池系統(tǒng)采用氣冷模式，需要對(duì)冷卻氣流體積與溫度進(jìn)行控制。電池組可分為兩個(gè)對(duì)稱部分，每一側(cè)均設(shè)有獨(dú)立的進(jìn)氣與排氣界面（如圖4所示）。

　　新電池在設(shè)計(jì)上尤其注重防止氣流通道中紊流（Turbulence）的發(fā)生，后者可導(dǎo)致內(nèi)部壓強(qiáng)及冷卻效果出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。圖4左側(cè)為紊流所導(dǎo)致的非均勻氣壓差（Inhomogeneous Pressure Deviation）。溫度調(diào)節(jié)精度誤差為5開(kāi)爾文（等于5攝氏度）。

　　奧迪發(fā)現(xiàn)在電池組中添加空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以明顯縮短達(dá)到特定冷卻目標(biāo)所耗費(fèi)的時(shí)間。例如，采用主動(dòng)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電池組可以在16秒之內(nèi)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(tǒng)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(jí)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(diào)節(jié)系統(tǒng)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(dá)42 oC（107.6 oF），則后置專用蒸發(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(tǒng)電池荷電狀態(tài)SOC窗口

四、性能監(jiān)控

　　電池管理系統(tǒng)對(duì)一系列重要?dú)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，包括電池單元電阻與容量、電池溫度與電流分布，以及參數(shù)限制超標(biāo)等，上述信息都通過(guò)柱狀圖顯示以供評(píng)估。奧迪公司的測(cè)試表明：在最糟糕的場(chǎng)景設(shè)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(nèi)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(jù)車輛行駛里程提供至少七年的性能保障。

五、安全防護(hù)

　　2012款?yuàn)W迪Q5 Hybrid混合動(dòng)力車電池系統(tǒng)采用三級(jí)防護(hù)措施。在多重防護(hù)措施確保下，即便電池單元由內(nèi)部異物導(dǎo)致短路，電池組也不會(huì)發(fā)生起火和爆炸。

　　第一級(jí)防護(hù)：車輛電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池單元失衡現(xiàn)象，例如電池單元蓄能容量降低、內(nèi)部電阻上升等，并采用算法修正管理策略，在達(dá)到監(jiān)測(cè)電池的同時(shí)并不影響監(jiān)控車輛性能。

　　第二級(jí)防護(hù)：當(dāng)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(tǒng)監(jiān)測(cè)到碰撞發(fā)生時(shí)，車輛控制系統(tǒng)可將電池組與混合動(dòng)力系統(tǒng)其他組成隔絕開(kāi)來(lái)，同時(shí)切斷電流。這樣根據(jù)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(jí)防護(hù)：系統(tǒng)從機(jī)械層面與功能層面設(shè)置了應(yīng)對(duì)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(yán)重衰竭時(shí)熱能紊亂導(dǎo)致連鎖反應(yīng)。在測(cè)試開(kāi)展過(guò)程中，一個(gè)電池單元被特意調(diào)控進(jìn)入熱能紊亂狀態(tài)，以觀測(cè)是否會(huì)波及電池組內(nèi)其他電池單元。而所有的測(cè)試結(jié)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(cè)試貫徹了聯(lián)合國(guó)UN 38.3鋰電池測(cè)試要求標(biāo)準(zhǔn)，并符合美國(guó)能源部Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試2005-3123號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。后者被Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用于支持先進(jìn)電池聯(lián)盟USABC（United States Advanced Battery Consortium）FreedomCar測(cè)試協(xié)議。奧迪同時(shí)還為電池組“濫用”測(cè)試條款增添了“外來(lái)異物顆?！睖y(cè)試內(nèi)容，觀察電池單元由內(nèi)部異物引起短路的情況下，防護(hù)措施能夠起到怎樣的效果。測(cè)試中，鎳金屬微粒植入電池單元后誘發(fā)故障，電池單元分?jǐn)嗥魇軌汉罅⒓雌饎?dòng)斷開(kāi)。根據(jù)Daniel Andree所言，測(cè)試中電池未發(fā)生任何起火或爆炸現(xiàn)象。