電動汽車低壓鋰離子蓄電池技術研究及定制化設計

龔春忠，孫玉玲，何 浩，張 永，苑術平

（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，新能源電動汽車產業進入快速發展期，“造車新勢力”爭相崛起，傳統車企快速布局，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、整車續駛里程、能量消耗率做了相關限定［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個技術參數作為主要的積分計算依據?？梢姡岣哕囕v儲能密度，提高車輛輕量化系數，提升車輛續駛里程非常重要。

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可行性，對該技術方案進行分析和設計。從輕量化、單位里程配電成本等多維度分析替代方案的優缺點，挖掘該技術的實際應用價值。

1 汽車低壓蓄電池技術發展

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

20世紀90年代，美國曾試圖主導新一次電氣系統升級，推動42V系統應用［5，6］。受限于當時的技術水平，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，節能減排技術不斷更新，出現了48V弱混合動力性汽車［7］，混動架構如圖1所示。

圖1 48V汽車弱混動力系統

目前，主流的純電動汽車低壓系統依然沿用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，而低壓用電系統通常使用動力電池經過DCDC轉換后間接驅動動力電池中的能量。該架構如圖2所示。

圖2 純電動汽車高低壓系統架構1

2 基于大數據采集的低壓鋰離子蓄電池容量定制化設計

當低壓電池的身份從備用電源切換為儲能電源時，其容量設計與能源管理工作較為重要。

2.1 容量設計

純電動汽車主要的低壓用電器有儀表、水泵、車燈、控制與網關等，以某款純電動汽車為例，各低壓用電器功耗設計值如表1所示。其中制動系統與冷卻系統損耗較大，且不確定性較強，與環境、工況等相關。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，低壓用電系統損耗：

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

計算得，百公里配電量為0.67kWh，若該車設計續航為500km，則小電池配電量應為3.35kWh。

隨著電動汽車智能化發展，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等，均消耗低壓能量。且音量設置大小、導航開啟頻率等均與駕駛員的習慣緊密相關。因此需要從真實的駕駛路況大數據中獲取低壓用電器功耗數據，如圖4所示，同步采集的工況數據如圖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為14-0.833/0.85=13kWh/100km，續航增加7.7%，續航增加至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，且功率相對于動力電池而言更穩定，偶爾出現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端能量消耗率。

鋰電池的單體特性區間通常是3.0~4.2V，4個電芯串聯可到達12~16.8V。因低壓系統正常工作電壓一般都設計在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缺點分析

對于傳統燃油車而言，低壓電池起到低壓系統備用電源的作用。車輛在發動以后，通常由發動機反拖發電機以提供低壓電源。對于純電動汽車而言，車輛啟動后，通常由動力電源經過DCDC轉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的身份，則可產生明顯的經濟效益。

低壓鋰離子蓄電池替代鉛酸電池的優缺點是相對性的，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缺點。

3.1 使用鋰離子電池替代鉛酸電池的優點

1）優點1：提高車輛續駛里程。對于NEDC工況，可提升4~6%的續駛里程，對于實際駕駛工況，可提升7.7%左右，如2.1節示例。低壓蓄電池的電量配置大了會浪費，配置小了會不夠經濟節能。因此低壓蓄電池容量需要經過定制化設計。

2）優點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。依據該方案，汽車行業自身可以消化掉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，經濟效益明顯。

4）優點4：降低車輛行駛過程DCDC的損耗，提升儲電效率。如示例分析，當前技術條件下，由于低壓負載通常在較小的區間，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，且車輛運行狀態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。

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

3）缺點3：需要根據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，不利于節約出行成本。配置多了則會造成浪費，增加整車質量。且不同駕駛人員的低壓用電水平穩定性有待進一步通過大數據分析確認。

圖7 純電動汽車高低壓系統架構2

4 結論

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計及優缺點分析。理論上可行，且成本上有優勢，具有較大的經濟效益潛力。下一步工作將繼續優化能源管理策略以及低壓電池硬件設計，并將該方案在實車上驗證。