解析48V鋰離子電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

近日，日立公司針對(duì)中混動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)發(fā)出了適合小排量車(chē)型的高動(dòng)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?xún)r(jià)比，有望在中國(guó)和歐洲普及。目前市場(chǎng)上的48V系統(tǒng)主要用于微混和弱混合動(dòng)力汽車(chē)，此次日立開(kāi)發(fā)的鋰離子電池組進(jìn)一步開(kāi)拓了48V系統(tǒng)在混動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)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(jì)性，人們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)本身改造與換一套全新的動(dòng)力系統(tǒng)之間，找到了一個(gè)新的系統(tǒng)，就是混合動(dòng)力系統(tǒng)。現(xiàn)在普遍應(yīng)用的是油電混合系統(tǒng)，即在汽柴發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)上，再加上一個(gè)電動(dòng)機(jī)，兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作。最初的微混系統(tǒng)是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的啟動(dòng)電機(jī)（一般為12V）上加裝了皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)（BSG），該電機(jī)為發(fā)電啟動(dòng)（Stop-Start）一體式電動(dòng)機(jī)，用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，從而取消了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，降低了油耗和排放，也就是所說(shuō)的12V微混系統(tǒng)，具有自動(dòng)啟停的功能。
　　48V系統(tǒng)是對(duì)12V微混自動(dòng)啟停系統(tǒng)的改進(jìn)，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(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的啟動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)，相當(dāng)于一個(gè)增強(qiáng)版的自動(dòng)啟停系統(tǒng)，除了自動(dòng)啟停的功能之外，還能夠在必要的時(shí)候，提供輔助動(dòng)力。
　　48V系統(tǒng)的來(lái)源
　　48V系統(tǒng)的概念最早來(lái)源于2011年德國(guó)的幾個(gè)整車(chē)廠(chǎng)商包括奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾聯(lián)手推出的并制定了LV148標(biāo)準(zhǔn)。2013年6月，歐盟批準(zhǔn)了2020年二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求到2020年新車(chē)平均二氧化碳排放水平控制在95克/公里；歐洲汽車(chē)制造廠(chǎng)商如果將來(lái)不能滿(mǎn)足有關(guān)CO2排放量限制的要求，將面臨每車(chē)每超每克最高95歐元的罰款。這種強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)促使整車(chē)廠(chǎng)和零部件供應(yīng)商從不同技術(shù)路線(xiàn)降低車(chē)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(shì)，成為業(yè)界內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　48V系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)
　　英飛凌公司認(rèn)為48V系統(tǒng)的發(fā)展是基于以下幾點(diǎn)：
　　12V啟停雖然低成本，但是CO2減排有限；
　　高壓混合動(dòng)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(dòng)力技術(shù)的性能；
　　CO2 減排最多可達(dá)15%甚至更多；
　　系統(tǒng)成本目標(biāo)是小于1000歐元；
　　可提供除動(dòng)力系統(tǒng)以外的負(fù)載以更高級(jí)更節(jié)能的設(shè)計(jì)。
　　相對(duì)于12V微混系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，德?tīng)柛Ｅ煽藖喬珔^(qū)新能源產(chǎn)品經(jīng)理洪英林給我們舉了一個(gè)例子：“比如說(shuō)空調(diào)，傳統(tǒng)汽車(chē)在等紅燈的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速，皮帶驅(qū)動(dòng)的空調(diào)壓縮機(jī)可以繼續(xù)工作，空調(diào)照樣制冷。但是對(duì)于有啟停功能的車(chē)來(lái)說(shuō)，等紅燈時(shí)需要轉(zhuǎn)換到電動(dòng)空調(diào)，不然乘客就要忍受等紅燈或堵車(chē)的時(shí)候沒(méi)有空調(diào)的環(huán)境。一個(gè)電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)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(méi)有問(wèn)題了。此外48V一側(cè)還可以給主動(dòng)懸架，電動(dòng)轉(zhuǎn)向，電動(dòng)暖風(fēng)等供電?！?br />　　目前日本市場(chǎng)上的主流是配置100V以上高電壓型電池的強(qiáng)混動(dòng)力汽車(chē)，采用的是100V以上的鋰離子充電電池模組，雖然能使混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）大幅提高燃油效率，但專(zhuān)用元件和耐壓元件成本高。使用48V系統(tǒng)也會(huì)增加成本，但是相對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)或強(qiáng)混汽車(chē)的成本來(lái)說(shuō)，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(guān)鍵之一在于鋰離子電池技術(shù)，鋰離子電池技術(shù)可提供較鉛酸化學(xué)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(chǔ)汽車(chē)制動(dòng)回收能量，為汽車(chē)中所需越來(lái)越多的電子負(fù)載（如前排座椅加熱、可加熱式擋風(fēng)玻璃、后避震器）提供更多功率。
　　48V鋰離子電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　48V系統(tǒng)的關(guān)鍵之一是鋰離子電池技術(shù)，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(dá)3.7V，為了達(dá)到電動(dòng)汽車(chē)使用的電壓要求，就需要將單體電池進(jìn)行串并聯(lián)組成電池組，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)使用時(shí)需要的高能量高功率條件。一般情況下，汽車(chē)電源系統(tǒng)會(huì)將電池組看作單個(gè)電池，在汽車(chē)行駛啟停的過(guò)程中，整個(gè)電池組進(jìn)行著頻繁的充電和放電過(guò)程。電池組是由單體組成的，在出廠(chǎng)前并不能保證電池單體絕對(duì)的一致性，如果電池組中的一個(gè)電池經(jīng)過(guò)多個(gè)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(huì)進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)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(cè)系統(tǒng)（BMS： Battery Management System）來(lái)監(jiān)視測(cè)量電池組和單個(gè)電池的整體情況，包括電壓、電流、荷電狀態(tài)等，以及時(shí)更換單體電池以延長(zhǎng)電池組的續(xù)航能力和使用壽命。
　　此次日立新開(kāi)發(fā)的48V鋰離子電池組是將BMS基板、電池單體、繼電器、保險(xiǎn)絲組裝載于同一箱體內(nèi)，可組裝性強(qiáng)、可靠性高，這種電池組能夠在車(chē)輛加速、減速，以及制動(dòng)時(shí)能量再生供應(yīng)等各種情況下，支持混合動(dòng)力車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　目前市場(chǎng)上的48V鋰離子電池組一般由12~13個(gè)單體電池組成，多用于小型純電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)三輪車(chē)等，還有電動(dòng)工具等方面；主要的車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)廠(chǎng)商有中航鋰電，中信國(guó)安盟固利和萬(wàn)向集團(tuán)等。
　　在混動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，48V鋰離子電池組系統(tǒng)主要應(yīng)用在微混或弱混動(dòng)力系統(tǒng)，處于研發(fā)和限量生產(chǎn)水平。在開(kāi)發(fā)更加節(jié)能的汽車(chē)產(chǎn)品的要求下，車(chē)企巨頭正在紛紛開(kāi)發(fā)采用48V自動(dòng)啟停系統(tǒng)的汽車(chē)產(chǎn)品。全球領(lǐng)先行業(yè)研究機(jī)構(gòu)IHS發(fā)布報(bào)告稱(chēng)，到2025年，48V輕度混動(dòng)車(chē)將占到全部混動(dòng)車(chē)的一半以上，95%的輕度混動(dòng)車(chē)將采用48V方案。
　　此次日立開(kāi)發(fā)的48V鋰離子電池組可以應(yīng)用到中度混合電動(dòng)車(chē)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?xún)r(jià)比，為中混汽車(chē)在中國(guó)和歐洲的普及起到了推動(dòng)作用。