乘用車雙電池系統方案淺析

阮先軫

【摘 要】乘用車采用兩塊電池形成雙電池系統，以實現不同的系統功能。電池的類型有鉛酸蓄電池、鋰離子電池組、超級電容組等。本文就市場主流的采用雙電池系統的車型進行介紹，從其系統方案、系統組成、系統架構、系統效果等方面進行分析。

【關鍵詞】雙電池系統；啟停系統；減速能量回收；鋰離子電池；超級電容；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，在發動機起動時，向起動電機、點火系統以及其他電器設備供電。另外，當發動機沒有運轉或者發電系統輸出無法滿足用電器功率時，蓄電池可以在一定時間內為用電設備補電。除電氣系統為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的更新迭代和廣泛應用，電器系統和控制模塊的大量增加，造成整車負載功率及靜態電流隨之上升，對常規蓄電池提出更高的要求，于是雙電池系統應運而生。同時，隨著啟停系統的普及和能量回收系統的推廣，越來越多的汽車廠商提出的不同的雙電池系統方案，本文就市場主流車型的雙電池系統進行介紹，根據雙電池系統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+超級電容模組三種類型。針對不同類型的典型車輛，從其系統組成、電氣架構，實現功能等方面進行說明。

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、E級及CLS級等多個系列的車型中均采用了雙電池系統，其系統采用一塊大容量的主電池為整車用電設備提供能量，同時搭載一塊容量較小的輔助電池為起動機供電，同在主電池電壓過低時短時間內為系統供電。梅賽德斯-奔馳的雙電池系統的主要目的是保證發動機的起動。

G2：發電機；M1：起動機；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，規格為12V 12Ah，布置在發動機機艙空調系統進氣管下方。兩塊電池通過蓄電池控制模塊、輔助電池繼電器及保險絲盒實現不同功能下的回路切換，同時通過蓄電池傳感器、靜態電流切斷繼電器、高溫繼電器以及各控制模塊實現蓄電池狀態監測、負載管理、暗電流控制及碰撞斷路等電源管理功能，其電氣系統架構如圖2所示。

車輛在正常工作時，蓄電池控制模塊監測兩塊蓄電池的電壓和通過共同接地端的總充放電電流，計算蓄電池電量及工作狀態并分等級關閉整車用電負載，此時輔助電池繼電器處于斷開狀態。當檢測到主蓄電池電壓過低時（譬如10.5V）且發動機處于運行狀態時，蓄電池控制模塊通過CAN總線分等級把用電器切斷，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。當蓄電池控制模塊監測到輔助電池電壓不足時，如果主電池系統電壓高于某設定電壓（如13.5V），輔助電池繼電器將在短時間內吸合，發電機通過輔助電池繼電器為輔助蓄電池充電。

隨著發動機啟停系統的普及和推廣，針對啟停啟動時蓄電池電壓被頻繁拉低造成用電器端電壓不穩定，從而影響正常功能的問題，部分汽車廠商采用雙電池系統來改善此問題。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動機艙，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通過一個雙電池隔離模塊（DBIM）實兩個電源回路的切換，并采用蓄電池傳感器（IBS）來檢測主電池的參數如電量、溫度、啟動能量等，系統架構如下圖4所示。

M：起動機；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：發電機；LOAD：用電負載

該系統的工作原理是，當發動機處于運行狀態時，雙電池隔離模塊的S1、S2均導通，發電機為整車用電負載提供電能的同時為主電池及輔助電池充電。當啟停系統工作，發動機處于停機狀態時，雙電池隔離模塊的S1導通、S2關斷，主蓄電池為整車用電負載供電。當發動機啟動時，雙電池隔離模塊的S1關斷、S2導通，主蓄電池為起動機供電，輔助電池為整車用電負載短時間提供電能。在啟動過程中，雖然主蓄電池電壓被起動機拉低，但由于其被雙電池隔離模塊隔離，對整車用電負載及輔助電池不會產生影響。

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，可以改善啟停系統再啟動時的電壓下降問題，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的動能，通過將存儲的電力供應給電氣設備，減輕發電造成的發動機負擔，抑制燃料消耗，從而提高燃效。該系統應用于鈴木汽車旗下的WagonR、Spacia、Hustler、Swift、Solio等諸多車型。

以WagonR為例，系統采用一臺高效率、高輸出的發電機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，負極采用鈦酸鋰，總容量為3Ah，如下圖5、圖6所示。

WagonR雙電池系統架構如下圖7所示。在車輛處于減速工況時，發電機除為整車所有用電負載供電外，同時為蓄電池和鋰電池組充電，由于鋰電池具備比蓄電池更優的快速充電特性，可以在減速過程中儲存更多的電能。當車輛加速或正常行駛時，鋰電池組儲存的電能可以為用電負載供電，通過協調控制，可以盡量減少發電機的工作負荷，從而減少燃油消耗。當車輛啟停系統工作，發動機處于再啟動工況時，由蓄電池為起動機供電，同時控制模塊將鋰電池組和部分用電負載（LOAD2）如影音系統、儀表、發動機電氣系統等隔離，這部分用電負載由鋰電池組提供穩定電能，從而保證其正常工作。

1.3 第三類： 鉛酸電池+超級電容模組

超級電容器是一種介于傳統電容器與蓄電池之間的新型儲能器件，具有功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優勢。因此，可以廣泛應用于輔助峰值功率、備用電源、存儲再生能量、替代電源等不同的場景。

在乘用車領域，越來越多的車型也采用超級電容器作為第二儲能電池，利用其快速充放電特性實現減速能量回收，從而達到降低燃油消耗的目的。如大陸電子開發的VSS（Voltage Stabilization System）系統，該系統采用Maxwell公司的BOOSTCAP？誖系列超級電容模組作為輔助電池，其規格為5V、600F。該系統廣泛應用于PSA旗下配置E-HDi系統的車型如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系統中，超級電容在車輛減速時回收并儲存能量，在車輛冷機啟動及啟停啟動時，超級電容通過功率控制模塊輸出并輔助鉛酸電池為起動機供電，同時為用電負載如音響、車燈以及雨刷等提供穩定電壓，不影響其正常功能。VSS系統通過減速能量回收可以進一步降低車輛的燃油消耗，同事可有效改善啟停系統中蓄電池頻繁深放電造成的壽命下降問題，提高系統的穩定性。

本田汽車的雙電源系統架構如圖10所示，系統采用了日本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行車輛減速時的能量回收，與大陸電子的VSS系統所不同的是，車輛啟停啟動主要由EDLC模組提供電能，蓄電池為整車用電負載供電且與啟動回路隔離，此時整車電氣系統電壓不受啟動過程的影響。EDLC的循環壽命可達十萬次以上，這是常規的EFB、AGM等類型啟停蓄電池所無法比擬的，且EDLC可以在-40℃～70℃的環境溫度中正常使用，具有良好的環境適應性。該系統在本田汽車Fit、Vezel、Shuttle、Grace等均有搭載。

為了進一步提升能量回收的效率，需要大功率發電機及大容量超級電容模組。馬自達的I-ELOOP雙電池系統由25V 150A的發電機、25V 120F的EDLC模組、25V向12V單向轉換的DCDC模塊以及一塊12V的鉛酸電池構成。系統采用發電機和電容模組直連，用電負載及蓄電池由DCDC降壓供電的方式，架構如下圖13所示。該系統先后在馬自達的Atenza、CX-5、Axela、Demio、CX-3、Roadster等車型量產應用。

由于發電機功率及EDLC模組容量的提升，可以更大程度的回收儲存車輛在減速時的能量，當車輛加速時或怠速停機時，EDLC模組可以輔助為整車用電負載提供能量。此舉可以盡量減少減少發動機燃油發電的時間，用回收能量來滿足車輛電流消耗，通過這種方式可以提升啟停系統的停機時間，強化啟停系統的效果，同時可以降低12V鉛酸蓄電池的放電強度，延長其使用壽命。研究表明該系統在加減速頻繁的40A左右的電流消耗時可達到10%的節油效果。

2 輔助電池性能對比

鉛酸蓄電池、鋰離子電池、超級電容三種電池性能對比如表1所示。

在常規乘用車領域，鉛酸蓄電池因其技術成熟、安全可靠、穩定性高、成本低等優勢，仍占據主導地位，但也存在循環壽命短、環境污染等弊端。采用鉛酸蓄電池的雙電池系統，基本上是利用小容量的輔助電池進行電源備份或某些特殊工況進行輔助供電。

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、壽命長的優點，對環境污染相對較小，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的能量，一定程度上節省燃油消耗。

超級電容器的突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬、免維護、綠色環保，但能量密度較低。在性能上，超級電容可以和鉛酸蓄電池行成互補。采用超級電容的雙電池系統主要是利用其快速充放電的特性實現減速能量回收功能，以及大電流啟動的工況。從市場表現來看，采用超級電容的雙電池系統在節油效果和系統穩定性上有顯著優勢，為越來越多的汽車廠商所接受。

表1 鉛酸電池、鋰離子電池、超級電容性能對比

3 結語

本文就市場主流的乘用車雙電源系統進行簡要介紹，就系統方案和電池類型就行說明。雙電源系統主要功能為輔助供電和減速能量回收。從趨勢上來看，超級電容因其充放電時間短、循環壽命長等優點，得到越來越廣泛的應用。

【參考文獻】

[1]YU Lili，ZHU Junjie，ZHAO Jingtai.The present situation and development trend of supercapacitors[J].Chinese Journal of Nature，2015，37（3）.

[2]王超，蘇偉，鐘國彬，魏增福，徐凱琪.超級電容器及其在新能源領域的應用[J].廣東電力，2015，28（12）.

[3]Kazuya Kotani，Akitomo Kume，Hiroyuki Mizuochi，Seiyo Hirano.Application of i-ELOOP for WLTC[J].マツダ技報，2013，31.

[4]MasayoshiTakahashi，Tatsurou Takahashi，Yoshimasa Kitaki，Takeharu Yamashita，Hiroyuki Kitagawa，Seiyo Hirano.Development of the“i-ELOOP”[J].マツダ技報，2012，30.

[5]魏春源，等，譯.汽車電氣與電子[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[責任編輯：田吉捷]