浅谈高容量PHEV动力电池开发和应用

刘建国,邓朝阳,伍雪彪,罗佳涛,邱冠宇

摘 要：动力电池是插电式混合动力汽车的核心，本文通过分析BEV动力电池的性能和结构，开发了一款高性能高容量的PHEV动力电池。该PHEV动力电池有着良好的续航容量、快速充放电能力以及优秀的热管理性能。为解决当前插电式混动汽车动力电池容量不足的情况，提供了依据。

关键词：新能源汽车；动力电池；电量容量；热管理性能；

0 前 言

伴随着中国“碳中和”和“碳达峰”这两个政策的实施，汽车领域的重心开始逐步从传统燃车领域转移至新能源汽车领域，插电式混合动力汽车是新能源汽车一种独特的车型[1]，插电式混动汽车不仅具有节能环保的优点，而且没有电动汽车的里程焦虑，是当前新能源汽车的重要发展领域，是未来汽车变化的趋势。但是，就目前来说，制约插电式混动汽车最大的难点在于汽车的能量储存设备——动力电池[2]，动力电池容量的大小决定着插电式混动汽车的纯电续航，可以说动力电池是插电式混动汽车最核心的部件之一。因此，设计和开发一款高容量的PHEV动力电池的需求迫在眉睫。

本文以某款PHEV车型的动力电池为研究对象，对动力电池的开发和应用具有较大的参考价值及推广价值。

1.1 高容量PHEV电芯性能研究

本文通过分析某款纯电动车的139 Ah电芯，吸收其优点，并结合自身技术特点开发某款PHEV的动力电池。

PHEV容量约为BEV容量的50%，所以 PHEV 和BEV的电芯厚度比约为1：2（详见通过图表1.1）。正极采用了多重元素掺杂（Zr、Ti等）的方法，在稳定晶体结构的同时，使晶粒发育更完整，功率性能更好，长期的循环结构稳定性和强度更高；使得正极的性能也有了较大的改善提高，后续经过DOE评估后，可以了解到，PHEV的电芯电阻更小，能量损耗更低，循环性能更优秀，并且在电芯的涂布量更少的情况下，负极DCR性能改善了2.5%，达到了节约成本，并且提升性能的目的。

表1.1 BEV电芯和PHEV电芯方案分析

序号	工艺参数	BEV 139Ah （参考方案）	PHEV 72Ah （实际方案）	方案分析	数据来源
1	尺寸大小（T*W*H）	44.5*220.7*102.3	22.6*220*104.5	厚度比为2:1
2	正极	BEV 正极	PHEV 正极（掺杂，氧化物包覆）	改进后正极DCR由0.681 mΩ，降低为0.650 mΩ，改善4.5 %，常温循环改善25%，其中低SOC(5%)时DCR改善更明显，达33.6%	DOE评估
3	负极	天然石墨	快充人造石墨	负极DCR由0.572 mΩ，降低为0.560 mΩ，改善4.5 %，常温循环改善25%，	DOE评估
4	涂布重量	正常涂布	低涂布设计	涂布质量约降低12%，负极DCR改善2.5%，常温循环改善28%，功率也得到进一步优化

1.2高容量PHEV电芯性能测试

对于电芯测试的结果，消费者重点关注的有：电芯容量大小、电芯的SOC-OCV 曲线、电芯的充放电性能、电芯的倍率性能。结果如图1.1所示。

图1.1 高性能PHEV电芯主要测试项目曲线：

（a）电芯容量曲线，（b）倍率性能曲线，（c，d）50 %充放电曲线

图1.1 a为电芯容量图，一般PHEV的电芯容量约为45-55 Ah[5]，而该款PHEV的电芯容量达到了72 Ah，容量大小对于动力电池的最大工作电流和电池的续航时间都有着较大的影响。图1.1 b为电芯的倍率性能测试图，测试结果表明，在3C的电流密度下，该电芯的倍率性能仍然达到了98.25 %，一般来说，高倍率放出的容量较少；高倍率放出的容量越大，电池性能越好。图1.1 c和d为电芯的DCR测试图，通过对电芯进行DCR测试，可以用来评估电池的内阻一致性以及评估电芯的放电功率和能量的能力。如图所示，放电电阻为0.825 mΩ，证明电芯有着较好的电性能。

2.1 模组性能性能研究

模组可以使电芯的利用更加高效，是提升动力电池整体能量密度的重要方式。就目前来说，方形电芯的模组成组效率约为89%，系统成组效率约为70%[6]，所以总的来说，方壳模组是应用比较广，成本较低且可以有效的提升动力电池性能的一种方式。

该款PHEV模组的热管理性能良好，整个热失控实验过程参照GB 38031-2020的测试方法以及企标的要求，测试结果为模组内的两个电芯单体发生了热失控，但未扩散至其他的电芯，且整个电池包24 h内无明火，远超国标的水平（5分钟无明火），处于行业领先的水平，证明了该模组有着较好的安全性能。

3.1 电池包结构和性能研究

PHEV电池包处于整车底盘的中部，电池包的结构大致可以分成五个部分[7]，分别是电池单元、电池管理系统（BMS）、热管理系统、电气系统（高、低压连接器、线束等）以及结构件（上盖、下箱体、支架等）。电池包经过低温加热、高速爬坡、纯电续航、高温快充，耐久驱动和WLTC工况这6项测试后，结果都符合国家标准（GB/T 31467.3），在高温快充的过程中，最高温度仅为41.35℃，证明电池包的热管理能力优良，为PHEV混动汽车的安全行驶以及提升燃油使用率都给予充分的保障。

4 结 论

本文通过分析BEV动力电池，开发了一款高容量的PHEV动力电池，该PHEV动力电池在一定程度上实现了①动力电池的容量大，有着良好的续航里程，容量达到了72 Ah；②电池的倍率性能好，可以进行快速的充放电，在3C的电流密度下，倍率性能可达98.25%；③性能稳定，循环使用寿命长，容量保持率可以达到80 %以上；④经济环保，成本较低，并且易于回收。⑤安全性能好，有着完善的热管理系统，以及良好的冷却性能。对于日后PHEV动力电池的开发应用，有着一定程度的参考价值。

参 考 文 献

[1] 汪月英,谢海明.国内外动力电池产业发展现状与趋势.内燃机与配件，2018( 2 ): 205-206.

[2] 王建建,刘效磊.新能源专用车市场发展现状与趋势判断.专用汽车，2016 (3 ) 53-56.

[3] 郭强,郑燕萍,孙伟明.新能源汽车动力电池关键技术的研究现状田.山东工业技术，2018(4):46-47.

[4] 体丽珠,蔡文博,候丽春.宽温动力电池的发展现状与趋势及相关政策.制造技术与机床，2018 (2 ):21-24.

[5] 谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].广州:中山大学出版社,2016

[6] 王浩.整车匹配检具的设计开发[J].装备制造技术，2019(3):99-99

[7] 侯军，杨智，代丕云.CUBING开发与应用[J].科技创新导报，2014(31):69 - 69.