電動汽車低壓鋰離子蓄電池技術(shù)研究及定制化設(shè)計

龔春忠，孫玉玲，何 浩，張 永，苑術(shù)平

（1.浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310000；3.浙江阿爾法汽車技術(shù)有限公司，浙江 嘉興 314000）

近年來，在國家引導和市場推動下，新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期，“造車新勢力”爭相崛起，傳統(tǒng)車企快速布局，我國電動汽車銷售量和保有量不斷增加［1］。電動汽車的補貼政策中，對動力電池能量密度、整車續(xù)駛里程、能量消耗率做了相關(guān)限定［2］，2020年補貼退坡切換為雙積分政策［3］，依然是對電動汽車的這3個技術(shù)參數(shù)作為主要的積分計算依據(jù)?？梢?，提高車輛儲能密度，提高車輛輕量化系數(shù)，提升車輛續(xù)駛里程非常重要。

本文研究將低壓備用電源鉛酸電池替代為鋰電池儲能電源的技術(shù)可行性，對該技術(shù)方案進行分析和設(shè)計。從輕量化、單位里程配電成本等多維度分析替代方案的優(yōu)缺點，挖掘該技術(shù)的實際應(yīng)用價值。

1 汽車低壓蓄電池技術(shù)發(fā)展

20世紀70年代左右，車用電氣系統(tǒng)進行了一次大規(guī)模升級，形成了目前較為普遍的12V系統(tǒng)［4］。

20世紀90年代，美國曾試圖主導新一次電氣系統(tǒng)升級，推動42V系統(tǒng)應(yīng)用［5，6］。受限于當時的技術(shù)水平，這次升級以失敗告終。近年來，由于各種大功率電子器件不斷集成，節(jié)能減排技術(shù)不斷更新，出現(xiàn)了48V弱混合動力性汽車［7］，混動架構(gòu)如圖1所示。

圖1 48V汽車弱混動力系統(tǒng)

目前，主流的純電動汽車低壓系統(tǒng)依然沿用12V鉛酸電池的方案。電動汽車的大功率用電器可從動力電池中取電，而低壓用電系統(tǒng)通常使用動力電池經(jīng)過DCDC轉(zhuǎn)換后間接驅(qū)動動力電池中的能量。該架構(gòu)如圖2所示。

圖2 純電動汽車高低壓系統(tǒng)架構(gòu)1

2 基于大數(shù)據(jù)采集的低壓鋰離子蓄電池容量定制化設(shè)計

當?shù)蛪弘姵氐纳矸輳膫溆秒娫辞袚Q為儲能電源時，其容量設(shè)計與能源管理工作較為重要。

2.1 容量設(shè)計

純電動汽車主要的低壓用電器有儀表、水泵、車燈、控制與網(wǎng)關(guān)等，以某款純電動汽車為例，各低壓用電器功耗設(shè)計值如表1所示。其中制動系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)損耗較大，且不確定性較強，與環(huán)境、工況等相關(guān)。用NEDC工況平均損耗計算，低壓用電器的平均損耗功率為221.18W。各低壓用電器損耗占比如圖3所示。

圖3 各低壓用電器損耗占比

表1 各低壓用電器功耗

NEDC的平均車速為33km/h，則車輛每行駛100km，低壓用電系統(tǒng)損耗：

式中：PL——低壓用電系統(tǒng)平均耗電功率，W；v——車輛平均行駛車速，km/h；EL——低壓用電系統(tǒng)損耗，Wh。

計算得，百公里配電量為0.67kWh，若該車設(shè)計續(xù)航為500km，則小電池配電量應(yīng)為3.35kWh。

隨著電動汽車智能化發(fā)展，低壓用電器將越來越多，中控大屏、收音機、手機充電器、智能機器人、各類雷達及線控系統(tǒng)等，均消耗低壓能量。且音量設(shè)置大小、導航開啟頻率等均與駕駛員的習慣緊密相關(guān)。因此需要從真實的駕駛路況大數(shù)據(jù)中獲取低壓用電器功耗數(shù)據(jù)，如圖4所示，同步采集的工況數(shù)據(jù)如圖5所示，峰值功率為748W，平均功率為240.34W。

圖4 某用戶實際道路的低壓用電器功率

同步采集該用戶的駕駛工況，如圖5所示。平均速度：28.8km/h；行駛距離：346km；怠速占比：26.0%。根據(jù)式（1）計算該用戶適宜的百公里低壓蓄電池配電量為0.833kWh。若該車動力電池輸出端能耗為14kWh/100km，DCDC效率為85%，則配置低壓電池后，動力電池輸出端能耗變?yōu)?4-0.833/0.85=13kWh/100km，續(xù)航增加7.7%，續(xù)航增加至373km，小電池配電容量為：3.73×0.833=3.11kWh。

圖5 某用戶實際道路的工況

2.2 能源管理策略

從圖4可知，在車輛行駛的過程中，低壓蓄電池處于放電狀態(tài)，且功率相對于動力電池而言更穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)600W左右的負載。如果電池儲能3.11kWh，則峰值功率也不超過0.25C。因此可以選擇梯次利用電池或者其他高密度低成本鋰電池。在車輛給動力電池充電的同時，通過DCDC為該小電池補電。因此，該方案不能直接降低整車電網(wǎng)端能量消耗率。

鋰電池的單體特性區(qū)間通常是3.0~4.2V，4個電芯串聯(lián)可到達12~16.8V。因低壓系統(tǒng)正常工作電壓一般都設(shè)計在9~16V，且梯次利用電池剩余電量及壽命、安全等問題，單體電壓使用范圍為3~4V。若因堵車或其他駕駛員習慣，導致低壓小電池SOC先到0%，此時可切換為DCDC輸出12V的模式，后續(xù)低壓用電器耗能由動力電池包補充。

綜上，低壓蓄電池能源管理流程如圖6所示。

圖6 低壓蓄電池能源管理流程

3 使用鋰離子電池替代鉛酸電池優(yōu)缺點分析

對于傳統(tǒng)燃油車而言，低壓電池起到低壓系統(tǒng)備用電源的作用。車輛在發(fā)動以后，通常由發(fā)動機反拖發(fā)電機以提供低壓電源。對于純電動汽車而言，車輛啟動后，通常由動力電源經(jīng)過DCDC轉(zhuǎn)換為低壓用電器供電。所以，對于純電動汽車而言，如果低壓電池僅僅是備用電源的作用，是不需要這么大的容量的。但因動力電池價格昂貴，能否將低壓電池備用電源的身份切換成低壓蓄電池儲電系統(tǒng)的身份，則可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

低壓鋰離子蓄電池替代鉛酸電池的優(yōu)缺點是相對性的，下面將從使用壽命、能量密度、配電成本等維度分析鋰離子電池替代鉛酸電池的優(yōu)缺點。

3.1 使用鋰離子電池替代鉛酸電池的優(yōu)點

1）優(yōu)點1：提高車輛續(xù)駛里程。對于NEDC工況，可提升4~6%的續(xù)駛里程，對于實際駕駛工況，可提升7.7%左右，如2.1節(jié)示例。低壓蓄電池的電量配置大了會浪費，配置小了會不夠經(jīng)濟節(jié)能。因此低壓蓄電池容量需要經(jīng)過定制化設(shè)計。

2）優(yōu)點2：提高整車儲能密度。鋰離子動力電池的密度可達260Wh/kg，梯次利用的電池能量密度也高達200Wh/kg，而鉛酸電池能量密度僅為45Wh/kg。配3.11kWh需要69kg鉛酸電池，僅需要15.5kg鋰電池。等效提高電池包能量密度，示例中動力電池包儲電為50kWh，小電池配電3.11kWh方案的車輛，在行駛過程中DCDC不工作，所以等效于給動力電池包多配了3.66kWh，等效于提升電池能量密度7.23%。

3）優(yōu)點3：降低每公里配電成本。相對于動力電池而言，梯次利用鋰電池價格便宜50%以上。該部分電池可選擇從車輛動力電池退役梯次利用的電池，降低出行成本。依據(jù)該方案，汽車行業(yè)自身可以消化掉5%~10%的退役動力電池。當前，動力電池的價格約為800~1000元/kWh，梯次利用電池的價格約為200~400元/kWh。若動力電池增加3.66kWh，則動力電池成本需增加約3294元，若采用低壓鋰離子蓄電池配電3.11kWh方案，僅需要成本增加約933元，相當于每車降本2361元，經(jīng)濟效益明顯。

4）優(yōu)點4：降低車輛行駛過程DCDC的損耗，提升儲電效率。如示例分析，當前技術(shù)條件下，由于低壓負載通常在較小的區(qū)間，平均僅為240W，因此DCDC效率不高，通常在85%左右。選用低壓鋰電池儲電方案后，可以在充電階段令DCDC處在高效工作區(qū)，且車輛運行狀態(tài)下若低壓用電器配置合理，則行駛過程DCDC無需工作，從而提升儲電效率。

3.2 使用鋰離子電池替代鉛酸電池的缺點

1）缺點1：鋰離子電池低溫特性不如鉛酸電池。若遇到寒冷的天氣，鋰電池備用電源可能完全放不出電來。因此，對于極端天氣的情況，低壓鋰離子電池需要集成到動力電池中，如圖7所示。同時配置輔助加熱系統(tǒng)。

2）缺點2：需要增加電池管理系統(tǒng)。低壓電源從備用電源的身份切換為儲能電源身份，電池需要經(jīng)常處于充放電工作狀態(tài)。

3）缺點3：需要根據(jù)具體的使用習慣配置電量。電量配少了，會導致有較長時間車輛DCDC處于工作狀態(tài)，不利于節(jié)約出行成本。配置多了則會造成浪費，增加整車質(zhì)量。且不同駕駛?cè)藛T的低壓用電水平穩(wěn)定性有待進一步通過大數(shù)據(jù)分析確認。

圖7 純電動汽車高低壓系統(tǒng)架構(gòu)2

4 結(jié)論

本文對低壓鋰離子蓄電池替代鉛酸電池的方案進行詳細設(shè)計及優(yōu)缺點分析。理論上可行，且成本上有優(yōu)勢，具有較大的經(jīng)濟效益潛力。下一步工作將繼續(xù)優(yōu)化能源管理策略以及低壓電池硬件設(shè)計，并將該方案在實車上驗證。