解析48V鋰離子電池系統(tǒng)的關鍵技術及應用現(xiàn)狀

近日，日立公司針對中混動力汽車開發(fā)出了適合小排量車型的高動力輸出的48V鋰離子電池組，由于其系統(tǒng)兼?zhèn)淞己玫慕档陀秃男Ч洼^高的性價比，有望在中國和歐洲普及。目前市場上的48V系統(tǒng)主要用于微混和弱混合動力汽車，此次日立開發(fā)的鋰離子電池組進一步開拓了48V系統(tǒng)在混動汽車領域的應用。
　　48V系統(tǒng)的概念
　　為了更有效的節(jié)能減排，提高燃油經(jīng)濟性，人們在發(fā)動機本身改造與換一套全新的動力系統(tǒng)之間，找到了一個新的系統(tǒng)，就是混合動力系統(tǒng)?，F(xiàn)在普遍應用的是油電混合系統(tǒng)，即在汽柴發(fā)動機的車上，再加上一個電動機，兩個發(fā)動機一起工作。最初的微混系統(tǒng)是在傳統(tǒng)內燃機上的啟動電機（一般為12V）上加裝了皮帶驅動啟動電機（BSG），該電機為發(fā)電啟動（Stop-Start）一體式電動機，用來控制發(fā)動機的啟動和停止，從而取消了發(fā)動機的怠速，降低了油耗和排放，也就是所說的12V微混系統(tǒng)，具有自動啟停的功能。
　　48V系統(tǒng)是對12V微混自動啟停系統(tǒng)的改進，該系統(tǒng)電壓為48V，用能量小于一度電的功率型鋰離子電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸電池，用BSG電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的啟動電機和發(fā)電機，相當于一個增強版的自動啟停系統(tǒng)，除了自動啟停的功能之外，還能夠在必要的時候，提供輔助動力。
　　48V系統(tǒng)的來源
　　48V系統(tǒng)的概念最早來源于2011年德國的幾個整車廠商包括奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾聯(lián)手推出的并制定了LV148標準。2013年6月，歐盟批準了2020年二氧化碳排放標準，該標準要求到2020年新車平均二氧化碳排放水平控制在95克/公里；歐洲汽車制造廠商如果將來不能滿足有關CO2排放量限制的要求，將面臨每車每超每克最高95歐元的罰款。這種強制性的標準促使整車廠和零部件供應商從不同技術路線降低車輛的油耗，48V系統(tǒng)因其增加有限成本能顯著節(jié)能減排的優(yōu)勢，成為業(yè)界內人士關注的焦點。
　　48V系統(tǒng)的優(yōu)勢及關鍵技術
　　英飛凌公司認為48V系統(tǒng)的發(fā)展是基于以下幾點：
　　12V啟停雖然低成本，但是CO2減排有限；
　　高壓混合動力減排多，但是系統(tǒng)成本增加較多；
　　48V以接近12V啟停系統(tǒng)的成本；
　　提供接近高壓混合動力技術的性能；
　　CO2 減排最多可達15%甚至更多；
　　系統(tǒng)成本目標是小于1000歐元；
　　可提供除動力系統(tǒng)以外的負載以更高級更節(jié)能的設計。
　　相對于12V微混系統(tǒng)的優(yōu)勢，德爾福派克亞太區(qū)新能源產品經(jīng)理洪英林給我們舉了一個例子：“比如說空調，傳統(tǒng)汽車在等紅燈的時候，發(fā)動機處于怠速，皮帶驅動的空調壓縮機可以繼續(xù)工作，空調照樣制冷。但是對于有啟停功能的車來說，等紅燈時需要轉換到電動空調，不然乘客就要忍受等紅燈或堵車的時候沒有空調的環(huán)境。一個電動空調壓縮機的功率最低要2.5kw，如果用12V供電，電網(wǎng)就難以承受，用48V就沒有問題了。此外48V一側還可以給主動懸架，電動轉向，電動暖風等供電。”
　　目前日本市場上的主流是配置100V以上高電壓型電池的強混動力汽車，采用的是100V以上的鋰離子充電電池模組，雖然能使混合動力汽車（HEV）大幅提高燃油效率，但專用元件和耐壓元件成本高。使用48V系統(tǒng)也會增加成本，但是相對于純電動汽車或強混汽車的成本來說，48V系統(tǒng)可節(jié)省成本40%~60%，而且48V鋰離子充電電池模組還能提高10～15%的燃油效率。
　　48V系統(tǒng)規(guī)格的關鍵之一在于鋰離子電池技術，鋰離子電池技術可提供較鉛酸化學電池更高（3倍）的能量密度，尺寸、重量等方面降低。48V鋰離子電池的充電性能更佳，能夠更有效率地存儲汽車制動回收能量，為汽車中所需越來越多的電子負載（如前排座椅加熱、可加熱式擋風玻璃、后避震器）提供更多功率。
　　48V鋰離子電池系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀
　　48V系統(tǒng)的關鍵之一是鋰離子電池技術，鋰離子電池相比于鉛酸電池和鎳氫電池具有較高的能量密度和較好的充放電性能。鋰離子電池單體電壓高達3.7V，為了達到電動汽車使用的電壓要求，就需要將單體電池進行串并聯(lián)組成電池組，以滿足電動汽車使用時需要的高能量高功率條件。一般情況下，汽車電源系統(tǒng)會將電池組看作單個電池，在汽車行駛啟停的過程中，整個電池組進行著頻繁的充電和放電過程。電池組是由單體組成的，在出廠前并不能保證電池單體絕對的一致性，如果電池組中的一個電池經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)不能周期性地與其它電池平衡，最終會進入深度放電狀態(tài)，從而導致?lián)p壞，并最終形成電池組故障，因此我們就需要電池檢測系統(tǒng)（BMS： Battery Management System）來監(jiān)視測量電池組和單個電池的整體情況，包括電壓、電流、荷電狀態(tài)等，以及時更換單體電池以延長電池組的續(xù)航能力和使用壽命。
　　此次日立新開發(fā)的48V鋰離子電池組是將BMS基板、電池單體、繼電器、保險絲組裝載于同一箱體內，可組裝性強、可靠性高，這種電池組能夠在車輛加速、減速，以及制動時能量再生供應等各種情況下，支持混合動力車型發(fā)動機和電機的高效運轉。
　　目前市場上的48V鋰離子電池組一般由12~13個單體電池組成，多用于小型純電動車領域如電動自行車、電動摩托車、電動三輪車等，還有電動工具等方面；主要的車用鋰離子動力電池生產廠商有中航鋰電，中信國安盟固利和萬向集團等。
　　在混動汽車領域，48V鋰離子電池組系統(tǒng)主要應用在微混或弱混動力系統(tǒng)，處于研發(fā)和限量生產水平。在開發(fā)更加節(jié)能的汽車產品的要求下，車企巨頭正在紛紛開發(fā)采用48V自動啟停系統(tǒng)的汽車產品。全球領先行業(yè)研究機構IHS發(fā)布報告稱，到2025年，48V輕度混動車將占到全部混動車的一半以上，95%的輕度混動車將采用48V方案。
　　此次日立開發(fā)的48V鋰離子電池組可以應用到中度混合電動車上，具有更高的輸入功率和輸出功率，而且電池單體在耐低溫方面性能卓越，輸出密度是以往日立電池單體的1.5倍，兼?zhèn)淞己玫慕档陀秃男Ч洼^高的性價比，為中混汽車在中國和歐洲的普及起到了推動作用。