奧迪Q5 Hybrid混合動力系統(tǒng)結構及技術分析

圖4：奧迪Q5 Hybrid混合動力系統(tǒng)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整個動力總成的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(qū)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制造商電池的現(xiàn)有水平。以通用汽車為例，其全混合動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30%，因此甚至在-30oC（-22oF）的低溫狀態(tài)下依然能夠起動發(fā)動機。

　　相形之下，大眾途銳混合動力車型與保時捷卡宴混合動力車型所采用的鎳氫電池組共有240個電池單元，額定工作電壓288伏特，電池蓄電量為75安培小時，蓄能容量為1.7千瓦時，功率輸出峰值為38千瓦?？梢妸W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款奧迪Q5 Hybrid混合動力車的冷卻系統(tǒng)。上中下分別為電動馬達水冷系統(tǒng)、高壓電池模塊冷卻系統(tǒng)和動力電子冷卻系統(tǒng)。其電池系統(tǒng)采用氣冷模式，需要對冷卻氣流體積與溫度進行控制。電池組可分為兩個對稱部分，每一側均設有獨立的進氣與排氣界面（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(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)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(jié)精度誤差為5開爾文（等于5攝氏度）。

　　奧迪發(fā)現(xiàn)在電池組中添加空氣調節(jié)系統(tǒng)可以明顯縮短達到特定冷卻目標所耗費的時間。例如，采用主動空氣調節(jié)系統(tǒng)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行冷卻，則可能需要6分鐘的時間。

　　電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）可在主動與被動工作模式之間進行切換。電池組的冷卻分三級進行控制。倘若電池組溫度上升至34.5 oC（94.1 oF）以上，則風扇冷卻功能將起動；倘若電池組溫度上升至37 oC（98.6 oF）以上，則空氣調節(jié)系統(tǒng)將起動，將冷卻氣流通過前蒸發(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)對一系列重要歷史數(shù)據(jù)進行存儲，包括電池單元電阻與容量、電池溫度與電流分布，以及參數(shù)限制超標等，上述信息都通過柱狀圖顯示以供評估。奧迪公司的測試表明：在最糟糕的場景設定下，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

　　2012款奧迪Q5 Hybrid混合動力車電池系統(tǒng)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，電池組也不會發(fā)生起火和爆炸。

　　第一級防護：車輛電池管理系統(tǒng)監(jiān)測電池單元失衡現(xiàn)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(jiān)測電池的同時并不影響監(jiān)控車輛性能。

　　第二級防護：當電池組發(fā)生超越額定工作電壓、電流，并/或超過溫度界限，或者系統(tǒng)監(jiān)測到碰撞發(fā)生時，車輛控制系統(tǒng)可將電池組與混合動力系統(tǒng)其他組成隔絕開來，同時切斷電流。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。

　　第三級防護：系統(tǒng)從機械層面與功能層面設置了應對措施，將單元產生的氣體排出電池組的排氣口，防止單個電池單元嚴重衰竭時熱能紊亂導致連鎖反應。在測試開展過程中，一個電池單元被特意調控進入熱能紊亂狀態(tài)，以觀測是否會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國家實驗室測試2005-3123號標準。后者被Sandia國家實驗室用于支持先進電池聯(lián)盟USABC（United States Advanced Battery Consortium）FreedomCar測試協(xié)議。奧迪同時還為電池組“濫用”測試條款增添了“外來異物顆?！睖y試內容，觀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斷開。根據(jù)Daniel Andree所言，測試中電池未發(fā)生任何起火或爆炸現(xiàn)象。