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(xué)工程師學(xué)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(lái)，在國(guó)家引導(dǎo)和市場(chǎng)推動(dòng)下，新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，“造車新勢(shì)力”爭(zhēng)相崛起，傳統(tǒng)車企快速布局，我國(guó)電動(dòng)汽車銷售量和保有量不斷增加［1］。電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼政策中，對(duì)動(dòng)力電池能量密度、整車?yán)m(xù)駛里程、能量消耗率做了相關(guān)限定［2］，2020年補(bǔ)貼退坡切換為雙積分政策［3］，依然是對(duì)電動(dòng)汽車的這3個(gè)技術(shù)參數(shù)作為主要的積分計(jì)算依據(jù)?？梢?jiàn)，提高車輛儲(chǔ)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(chǔ)能電源的技術(shù)可行性，對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。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(diǎn)，挖掘該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 汽車低壓蓄電池技術(shù)發(fā)展

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

20世紀(jì)90年代，美國(guó)曾試圖主導(dǎo)新一次電氣系統(tǒng)升級(jí)，推動(dòng)42V系統(tǒng)應(yīng)用［5，6］。受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這次升級(jí)以失敗告終。近年來(lái)，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(dòng)力性汽車［7］，混動(dòng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 48V汽車弱混動(dòng)力系統(tǒng)

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

圖2 純電動(dòng)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(jì)

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

2.1 容量設(shè)計(jì)

純電動(dòng)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(dòng)汽車為例，各低壓用電器功耗設(shè)計(jì)值如表1所示。其中制動(dòng)系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)損耗較大，且不確定性較強(qiáng)，與環(huán)境、工況等相關(guān)。用NEDC工況平均損耗計(jì)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(jì)算得，百公里配電量為0.67kWh，若該車設(shè)計(jì)續(xù)航為500km，則小電池配電量應(yīng)為3.35kWh。

隨著電動(dòng)汽車智能化發(fā)展，低壓用電器將越來(lái)越多，中控大屏、收音機(jī)、手機(jī)充電器、智能機(jī)器人、各類雷達(dá)及線控系統(tǒng)等，均消耗低壓能量。且音量設(shè)置大小、導(dǎo)航開(kāi)啟頻率等均與駕駛員的習(xí)慣緊密相關(guān)。因此需要從真實(shí)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(shí)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(guò)程中，低壓蓄電池處于放電狀態(tài)，且功率相對(duì)于動(dòng)力電池而言更穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)600W左右的負(fù)載。如果電池儲(chǔ)能3.11kWh，則峰值功率也不超過(guò)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(dòng)力電池充電的同時(shí)，通過(guò)DCDC為該小電池補(bǔ)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(gè)電芯串聯(lián)可到達(dá)12~16.8V。因低壓系統(tǒng)正常工作電壓一般都設(shè)計(jì)在9~16V，且梯次利用電池剩余電量及壽命、安全等問(wèn)題，單體電壓使用范圍為3~4V。若因堵車或其他駕駛員習(xí)慣，導(dǎo)致低壓小電池SOC先到0%，此時(shí)可切換為DCDC輸出12V的模式，后續(xù)低壓用電器耗能由動(dòng)力電池包補(bǔ)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(diǎn)分析

對(duì)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(dòng)以后，通常由發(fā)動(dòng)機(jī)反拖發(fā)電機(jī)以提供低壓電源。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，車輛啟動(dòng)后，通常由動(dòng)力電源經(jīng)過(guò)DCDC轉(zhuǎn)換為低壓用電器供電。所以，對(duì)于純電動(dòng)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(dòng)力電池價(jià)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(chǔ)電系統(tǒng)的身份，則可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

低壓鋰離子蓄電池替代鉛酸電池的優(yōu)缺點(diǎn)是相對(duì)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(diǎn)。

3.1 使用鋰離子電池替代鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)1：提高車輛續(xù)駛里程。對(duì)于NEDC工況，可提升4~6%的續(xù)駛里程，對(duì)于實(shí)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(huì)浪費(fèi)，配置小了會(huì)不夠經(jīng)濟(jì)節(jié)能。因此低壓蓄電池容量需要經(jīng)過(guò)定制化設(shè)計(jì)。

2）優(yōu)點(diǎn)2：提高整車儲(chǔ)能密度。鋰離子動(dòng)力電池的密度可達(dá)260Wh/kg，梯次利用的電池能量密度也高達(dá)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(dòng)力電池包儲(chǔ)電為50kWh，小電池配電3.11kWh方案的車輛，在行駛過(guò)程中DCDC不工作，所以等效于給動(dòng)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(diǎn)3：降低每公里配電成本。相對(duì)于動(dòng)力電池而言，梯次利用鋰電池價(jià)格便宜50%以上。該部分電池可選擇從車輛動(dòng)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(dòng)力電池。當(dāng)前，動(dòng)力電池的價(jià)格約為800~1000元/kWh，梯次利用電池的價(jià)格約為200~400元/kWh。若動(dòng)力電池增加3.66kWh，則動(dòng)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(dāng)于每車降本2361元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4）優(yōu)點(diǎn)4：降低車輛行駛過(guò)程DCDC的損耗，提升儲(chǔ)電效率。如示例分析，當(dāng)前技術(shù)條件下，由于低壓負(fù)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(chǔ)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(yùn)行狀態(tài)下若低壓用電器配置合理，則行駛過(guò)程DCDC無(wú)需工作，從而提升儲(chǔ)電效率。

3.2 使用鋰離子電池替代鉛酸電池的缺點(diǎn)

1）缺點(diǎn)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(lái)。因此，對(duì)于極端天氣的情況，低壓鋰離子電池需要集成到動(dòng)力電池中，如圖7所示。同時(shí)配置輔助加熱系統(tǒng)。

2）缺點(diǎn)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(chǔ)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(diǎn)3：需要根據(jù)具體的使用習(xí)慣配置電量。電量配少了，會(huì)導(dǎo)致有較長(zhǎng)時(shí)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(huì)造成浪費(fèi)，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(jìn)一步通過(guò)大數(shù)據(jù)分析確認(rèn)。

圖7 純電動(dòng)汽車高低壓系統(tǒng)架構(gòu)2

4 結(jié)論

本文對(duì)低壓鋰離子蓄電池替代鉛酸電池的方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及優(yōu)缺點(diǎn)分析。理論上可行，且成本上有優(yōu)勢(shì)，具有較大的經(jīng)濟(jì)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(jì)，并將該方案在實(shí)車上驗(yàn)證。