乘用車雙電池系統(tǒng)方案淺析

阮先軫

【摘 要】乘用車采用兩塊電池形成雙電池系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。電池的類型有鉛酸蓄電池、鋰離子電池組、超級(jí)電容組等。本文就市場(chǎng)主流的采用雙電池系統(tǒng)的車型進(jìn)行介紹，從其系統(tǒng)方案、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)效果等方面進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】雙電池系統(tǒng)；啟停系統(tǒng)；減速能量回收；鋰離子電池；超級(jí)電容；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

乘用車蓄電池的主要作用是，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，向起動(dòng)電機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及其他電器設(shè)備供電。另外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)或者發(fā)電系統(tǒng)輸出無(wú)法滿足用電器功率時(shí)，蓄電池可以在一定時(shí)間內(nèi)為用電設(shè)備補(bǔ)電。除電氣系統(tǒng)為24V的車輛需采用兩塊12V蓄電池串接外，一般乘用車僅采用一塊12V鉛酸蓄電池。

但隨著汽車電子技術(shù)的更新迭代和廣泛應(yīng)用，電器系統(tǒng)和控制模塊的大量增加，造成整車負(fù)載功率及靜態(tài)電流隨之上升，對(duì)常規(guī)蓄電池提出更高的要求，于是雙電池系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，隨著啟停系統(tǒng)的普及和能量回收系統(tǒng)的推廣，越來(lái)越多的汽車廠商提出的不同的雙電池系統(tǒng)方案，本文就市場(chǎng)主流車型的雙電池系統(tǒng)進(jìn)行介紹，根據(jù)雙電池系統(tǒng)的組成分為鉛酸電池+鉛酸電池、鉛酸電池+鋰電池組、鉛酸電池+超級(jí)電容模組三種類型。針對(duì)不同類型的典型車輛，從其系統(tǒng)組成、電氣架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能等方面進(jìn)行說(shuō)明。

1 方案介紹

1.1 第一類： 鉛酸電池+鉛酸電池

梅賽德斯—奔馳在其S級(jí)、E級(jí)及CLS級(jí)等多個(gè)系列的車型中均采用了雙電池系統(tǒng)，其系統(tǒng)采用一塊大容量的主電池為整車用電設(shè)備提供能量，同時(shí)搭載一塊容量較小的輔助電池為起動(dòng)機(jī)供電，同在主電池電壓過(guò)低時(shí)短時(shí)間內(nèi)為系統(tǒng)供電。梅賽德斯-奔馳的雙電池系統(tǒng)的主要目的是保證發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。

G2：發(fā)電機(jī)；M1：起動(dòng)機(jī)；G1：主電池；G1/7：輔助電池；N10/1：前SAM控制模塊；N10/2：后SAM控制模塊；N82：蓄電池控制模塊；F30：輔助電池繼電器

以其E系列（W211）某款車型為例，如圖1所示，主電池為一塊12V 95Ah 的AGM蓄電池，布置在后備箱。輔助電池類型同樣為AGM，規(guī)格為12V 12Ah，布置在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)氣管下方。兩塊電池通過(guò)蓄電池控制模塊、輔助電池繼電器及保險(xiǎn)絲盒實(shí)現(xiàn)不同功能下的回路切換，同時(shí)通過(guò)蓄電池傳感器、靜態(tài)電流切斷繼電器、高溫繼電器以及各控制模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、負(fù)載管理、暗電流控制及碰撞斷路等電源管理功能，其電氣系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

車輛在正常工作時(shí)，蓄電池控制模塊監(jiān)測(cè)兩塊蓄電池的電壓和通過(guò)共同接地端的總充放電電流，計(jì)算蓄電池電量及工作狀態(tài)并分等級(jí)關(guān)閉整車用電負(fù)載，此時(shí)輔助電池繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到主蓄電池電壓過(guò)低時(shí)（譬如10.5V）且發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，蓄電池控制模塊通過(guò)CAN總線分等級(jí)把用電器切斷，并控制輔助電池繼電器吸合，輔助蓄電池接通為整車用電器提供電源。當(dāng)蓄電池控制模塊監(jiān)測(cè)到輔助電池電壓不足時(shí)，如果主電池系統(tǒng)電壓高于某設(shè)定電壓（如13.5V），輔助電池繼電器將在短時(shí)間內(nèi)吸合，發(fā)電機(jī)通過(guò)輔助電池繼電器為輔助蓄電池充電。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)的普及和推廣，針對(duì)啟停啟動(dòng)時(shí)蓄電池電壓被頻繁拉低造成用電器端電壓不穩(wěn)定，從而影響正常功能的問(wèn)題，部分汽車廠商采用雙電池系統(tǒng)來(lái)改善此問(wèn)題。以雪佛蘭2014款邁銳寶（北美版）為例，與梅賽德斯-奔馳W211相同，兩塊蓄電池類型均為AGM，規(guī)格分別為12V 95Ah、12V 12Ah。所不同的是，邁銳寶大容量主蓄電池布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，小容量輔助蓄電池布置在后備箱，如下圖3所示。

邁銳寶的雙電池系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)雙電池隔離模塊（DBIM）實(shí)兩個(gè)電源回路的切換，并采用蓄電池傳感器（IBS）來(lái)檢測(cè)主電池的參數(shù)如電量、溫度、啟動(dòng)能量等，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖4所示。

M：起動(dòng)機(jī)；MB：主電池；IBS：蓄電池傳感器；DBIM：雙電池隔離模塊；

AB：輔助電池；G：發(fā)電機(jī)；LOAD：用電負(fù)載

該系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，雙電池隔離模塊的S1、S2均導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)為整車用電負(fù)載提供電能的同時(shí)為主電池及輔助電池充電。當(dāng)啟停系統(tǒng)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，雙電池隔離模塊的S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷，主蓄電池為整車用電負(fù)載供電。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，雙電池隔離模塊的S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通，主蓄電池為起動(dòng)機(jī)供電，輔助電池為整車用電負(fù)載短時(shí)間提供電能。在啟動(dòng)過(guò)程中，雖然主蓄電池電壓被起動(dòng)機(jī)拉低，但由于其被雙電池隔離模塊隔離，對(duì)整車用電負(fù)載及輔助電池不會(huì)產(chǎn)生影響。

1.2 第二類：鉛酸電池+鋰離子電池組

鈴木汽車的ENE-CHARGE技術(shù)采用了鋰離子電池組加鉛酸蓄電池的雙電池組合，一方面，可以改善啟停系統(tǒng)再啟動(dòng)時(shí)的電壓下降問(wèn)題，另一方面，得益于鋰電池快速充電特性，可以高效回收車輛在減速時(shí)的動(dòng)能，通過(guò)將存儲(chǔ)的電力供應(yīng)給電氣設(shè)備，減輕發(fā)電造成的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)，抑制燃料消耗，從而提高燃效。該系統(tǒng)應(yīng)用于鈴木汽車旗下的WagonR、Spacia、Hustler、Swift、Solio等諸多車型。

以WagonR為例，系統(tǒng)采用一臺(tái)高效率、高輸出的發(fā)電機(jī)以及一塊啟停鉛酸蓄電池，并在乘員艙地板上布置了一塊集成控制模塊的鋰離子電池組，電池組為日本東芝公司提供的SCiBTM系列，負(fù)極采用鈦酸鋰，總?cè)萘繛?Ah，如下圖5、圖6所示。

WagonR雙電池系統(tǒng)架構(gòu)如下圖7所示。在車輛處于減速工況時(shí)，發(fā)電機(jī)除為整車所有用電負(fù)載供電外，同時(shí)為蓄電池和鋰電池組充電，由于鋰電池具備比蓄電池更優(yōu)的快速充電特性，可以在減速過(guò)程中儲(chǔ)存更多的電能。當(dāng)車輛加速或正常行駛時(shí)，鋰電池組儲(chǔ)存的電能可以為用電負(fù)載供電，通過(guò)協(xié)調(diào)控制，可以盡量減少發(fā)電機(jī)的工作負(fù)荷，從而減少燃油消耗。當(dāng)車輛啟停系統(tǒng)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)處于再啟動(dòng)工況時(shí)，由蓄電池為起動(dòng)機(jī)供電，同時(shí)控制模塊將鋰電池組和部分用電負(fù)載（LOAD2）如影音系統(tǒng)、儀表、發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)等隔離，這部分用電負(fù)載由鋰電池組提供穩(wěn)定電能，從而保證其正常工作。

1.3 第三類： 鉛酸電池+超級(jí)電容模組

超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與蓄電池之間的新型儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)勢(shì)。因此，可以廣泛應(yīng)用于輔助峰值功率、備用電源、存儲(chǔ)再生能量、替代電源等不同的場(chǎng)景。

在乘用車領(lǐng)域，越來(lái)越多的車型也采用超級(jí)電容器作為第二儲(chǔ)能電池，利用其快速充放電特性實(shí)現(xiàn)減速能量回收，從而達(dá)到降低燃油消耗的目的。如大陸電子開(kāi)發(fā)的VSS（Voltage Stabilization System）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Maxwell公司的BOOSTCAP？誖系列超級(jí)電容模組作為輔助電池，其規(guī)格為5V、600F。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于PSA旗下配置E-HDi系統(tǒng)的車型如C4、C5、308等、以及通用汽車的凱迪拉克ATS、CTS、ATS coupes、CT6等車型中。

在VSS系統(tǒng)中，超級(jí)電容在車輛減速時(shí)回收并儲(chǔ)存能量，在車輛冷機(jī)啟動(dòng)及啟停啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容通過(guò)功率控制模塊輸出并輔助鉛酸電池為起動(dòng)機(jī)供電，同時(shí)為用電負(fù)載如音響、車燈以及雨刷等提供穩(wěn)定電壓，不影響其正常功能。VSS系統(tǒng)通過(guò)減速能量回收可以進(jìn)一步降低車輛的燃油消耗，同事可有效改善啟停系統(tǒng)中蓄電池頻繁深放電造成的壽命下降問(wèn)題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本田汽車的雙電源系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示，系統(tǒng)采用了日本Nippon Chemi-Con公司DLCAPTM系列的雙電層電容器（EDLC）模組，其規(guī)格為15.5V 225F，如圖11所示。同樣的，利用EDLC模組大電流充放電的特性進(jìn)行車輛減速時(shí)的能量回收，與大陸電子的VSS系統(tǒng)所不同的是，車輛啟停啟動(dòng)主要由EDLC模組提供電能，蓄電池為整車用電負(fù)載供電且與啟動(dòng)回路隔離，此時(shí)整車電氣系統(tǒng)電壓不受啟動(dòng)過(guò)程的影響。EDLC的循環(huán)壽命可達(dá)十萬(wàn)次以上，這是常規(guī)的EFB、AGM等類型啟停蓄電池所無(wú)法比擬的，且EDLC可以在-40℃～70℃的環(huán)境溫度中正常使用，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。該系統(tǒng)在本田汽車Fit、Vezel、Shuttle、Grace等均有搭載。

為了進(jìn)一步提升能量回收的效率，需要大功率發(fā)電機(jī)及大容量超級(jí)電容模組。馬自達(dá)的I-ELOOP雙電池系統(tǒng)由25V 150A的發(fā)電機(jī)、25V 120F的EDLC模組、25V向12V單向轉(zhuǎn)換的DCDC模塊以及一塊12V的鉛酸電池構(gòu)成。系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)和電容模組直連，用電負(fù)載及蓄電池由DCDC降壓供電的方式，架構(gòu)如下圖13所示。該系統(tǒng)先后在馬自達(dá)的Atenza、CX-5、Axela、Demio、CX-3、Roadster等車型量產(chǎn)應(yīng)用。

由于發(fā)電機(jī)功率及EDLC模組容量的提升，可以更大程度的回收儲(chǔ)存車輛在減速時(shí)的能量，當(dāng)車輛加速時(shí)或怠速停機(jī)時(shí)，EDLC模組可以輔助為整車用電負(fù)載提供能量。此舉可以盡量減少減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油發(fā)電的時(shí)間，用回收能量來(lái)滿足車輛電流消耗，通過(guò)這種方式可以提升啟停系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間，強(qiáng)化啟停系統(tǒng)的效果，同時(shí)可以降低12V鉛酸蓄電池的放電強(qiáng)度，延長(zhǎng)其使用壽命。研究表明該系統(tǒng)在加減速頻繁的40A左右的電流消耗時(shí)可達(dá)到10%的節(jié)油效果。

2 輔助電池性能對(duì)比

鉛酸蓄電池、鋰離子電池、超級(jí)電容三種電池性能對(duì)比如表1所示。

在常規(guī)乘用車領(lǐng)域，鉛酸蓄電池因其技術(shù)成熟、安全可靠、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)勢(shì)，仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但也存在循環(huán)壽命短、環(huán)境污染等弊端。采用鉛酸蓄電池的雙電池系統(tǒng)，基本上是利用小容量的輔助電池進(jìn)行電源備份或某些特殊工況進(jìn)行輔助供電。

鋰離子電池相同容量的鋰離子電池比鉛酸蓄電池具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)環(huán)境污染相對(duì)較小，但其成本較高、低溫性能差，且存在一定的安全隱患。采用鋰離子電池雙電池系統(tǒng)中，鋰離子電池不僅可以輔助供電，還可以回收一部分車輛減速時(shí)的能量，一定程度上節(jié)省燃油消耗。

超級(jí)電容器的突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、免維護(hù)、綠色環(huán)保，但能量密度較低。在性能上，超級(jí)電容可以和鉛酸蓄電池行成互補(bǔ)。采用超級(jí)電容的雙電池系統(tǒng)主要是利用其快速充放電的特性實(shí)現(xiàn)減速能量回收功能，以及大電流啟動(dòng)的工況。從市場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)看，采用超級(jí)電容的雙電池系統(tǒng)在節(jié)油效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性上有顯著優(yōu)勢(shì)，為越來(lái)越多的汽車廠商所接受。

表1 鉛酸電池、鋰離子電池、超級(jí)電容性能對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文就市場(chǎng)主流的乘用車雙電源系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，就系統(tǒng)方案和電池類型就行說(shuō)明。雙電源系統(tǒng)主要功能為輔助供電和減速能量回收。從趨勢(shì)上來(lái)看，超級(jí)電容因其充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]