奥迪Q5 Hybrid混合动力系统结构及技术分析

图4：奥迪Q5 Hybrid混合动力系统的冷却工作设计示意

　　新电池组的功率输出峰值达40千瓦，在奥迪Q5 Hybrid整个动力总成的180千瓦功率输出中占有相当大的比例。该电池采用较宽的电池荷电状态SOC（State-of-charge）窗口设计，范围从20%到80%，在30%-70%区间内均可充分发挥电池性能。该电池荷电状态SOC窗口明显宽于其他汽车制造商电池的现有水平。以通用汽车为例，其全混合动力车型配备的电池充分发挥性能的SOC窗口跨度仅有20%。由于奥迪Q5 Hybrid电池组充分发挥性能的SOC窗口跨度超过30%，因此甚至在-30ºC（-22ºF）的低温状态下依然能够起动发动机。

　　相形之下，大众途锐混合动力车型与保时捷卡宴混合动力车型所采用的镍氢电池组共有240个电池单元，额定工作电压288伏特，电池蓄电量为75安培小时，蓄能容量为1.7千瓦时，功率输出峰值为38千瓦。可见奥迪Q5 hybrid的锂离子电池系统重量更轻，电池单元更少。

三、电池冷却功能

　　图3为2012款奥迪Q5 Hybrid混合动力车的冷却系统。上中下分别为电动马达水冷系统、高压电池模块冷却系统和动力电子冷却系统。其电池系统采用气冷模式，需要对冷却气流体积与温度进行控制。电池组可分为两个对称部分，每一侧均设有独立的进气与排气界面（如图4所示）。

　　新电池在设计上尤其注重防止气流通道中紊流（Turbulence）的发生，后者可导致内部压强及冷却效果出现不稳定现象。图4左侧为紊流所导致的非均匀气压差（Inhomogeneous Pressure Deviation）。温度调节精度误差为5开尔文（等于5摄氏度）。

　　奥迪发现在电池组中添加空气调节系统可以明显缩短达到特定冷却目标所耗费的时间。例如，采用主动空气调节系统的电池组可以在16秒之内将温度从50 ºC（122 ºF）降低到40 ºC（104 ºF），而倘若仅仅依靠压缩气流进行冷却，则可能需要6分钟的时间。

　　电池管理系统BMS（Battery Management System）可在主动与被动工作模式之间进行切换。电池组的冷却分三级进行控制。倘若电池组温度上升至34.5 ºC（94.1 ºF）以上，则风扇冷却功能将起动；倘若电池组温度上升至37 ºC（98.6 ºF）以上，则空气调节系统将起动，将冷却气流通过前蒸发器吹送至电池；倘若温度高达42 ºC（107.6 ºF），则后置专用蒸发空冷装置将提供额外的冷却效果。

图5：奥迪Q5 Hybrid混合动力系统电池荷电状态SOC窗口

四、性能监控

　　电池管理系统对一系列重要历史数据进行存储，包括电池单元电阻与容量、电池温度与电流分布，以及参数限制超标等，上述信息都通过柱状图显示以供评估。奥迪公司的测试表明：在最糟糕的场景设定下，电池组的蓄能容量大约削减60%；而到电池组使用寿命末期，电池单元内部电阻升高30%。奥迪期望在电池组投入使用的头十年中性能不会发生衰减影响，并拟根据车辆行驶里程提供至少七年的性能保障。

五、安全防护

　　2012款奥迪Q5 Hybrid混合动力车电池系统采用三级防护措施。在多重防护措施确保下，即便电池单元由内部异物导致短路，电池组也不会发生起火和爆炸。

　　第一级防护：车辆电池管理系统监测电池单元失衡现象，例如电池单元蓄能容量降低、内部电阻上升等，并采用算法修正管理策略，在达到监测电池的同时并不影响监控车辆性能。

　　第二级防护：当电池组发生超越额定工作电压、电流，并/或超过温度界限，或者系统监测到碰撞发生时，车辆控制系统可将电池组与混合动力系统其他组成隔绝开来，同时切断电流。这样根据碰撞烈度情况而言，某些情况下电池功能也将得以保全。

　　第三级防护：系统从机械层面与功能层面设置了应对措施，将单元产生的气体排出电池组的排气口，防止单个电池单元严重衰竭时热能紊乱导致连锁反应。在测试开展过程中，一个电池单元被特意调控进入热能紊乱状态，以观测是否会波及电池组内其他电池单元。而所有的测试结果都表明热能失控事件都控制在最初发生事故的电池单元中。

　　奥迪Q5 Hybrid的电池组测试贯彻了联合国UN 38.3锂电池测试要求标准，并符合美国能源部Sandia国家实验室测试2005-3123号标准。后者被Sandia国家实验室用于支持先进电池联盟USABC（United States Advanced Battery Consortium）FreedomCar测试协议。奥迪同时还为电池组“滥用”测试条款增添了“外来异物颗粒”测试内容，观察电池单元由内部异物引起短路的情况下，防护措施能够起到怎样的效果。测试中，镍金属微粒植入电池单元后诱发故障，电池单元分断器受压后立即起动断开。根据Daniel Andree所言，测试中电池未发生任何起火或爆炸现象。