解析48V锂离子电池系统的关键技术及应用现状

近日，日立公司针对中混动力汽车开发出了适合小排量车型的高动力输出的48V锂离子电池组，由于其系统兼备良好的降低油耗效果和较高的性价比，有望在中国和欧洲普及。目前市场上的48V系统主要用于微混和弱混合动力汽车，此次日立开发的锂离子电池组进一步开拓了48V系统在混动汽车领域的应用。
　　48V系统的概念
　　为了更有效的节能减排，提高燃油经济性，人们在发动机本身改造与换一套全新的动力系统之间，找到了一个新的系统，就是混合动力系统。现在普遍应用的是油电混合系统，即在汽柴发动机的车上，再加上一个电动机，两个发动机一起工作。最初的微混系统是在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（BSG），该电机为发电启动（Stop-Start）一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放，也就是所说的12V微混系统，具有自动启停的功能。
　　48V系统是对12V微混自动启停系统的改进，该系统电压为48V，用能量小于一度电的功率型锂离子电池代替传统的铅酸电池，用BSG电机代替传统的启动电机和发电机，相当于一个增强版的自动启停系统，除了自动启停的功能之外，还能够在必要的时候，提供辅助动力。
　　48V系统的来源
　　48V系统的概念最早来源于2011年德国的几个整车厂商包括奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众联手推出的并制定了LV148标准。2013年6月，欧盟批准了2020年二氧化碳排放标准，该标准要求到2020年新车平均二氧化碳排放水平控制在95克/公里；欧洲汽车制造厂商如果将来不能满足有关CO2排放量限制的要求，将面临每车每超每克最高95欧元的罚款。这种强制性的标准促使整车厂和零部件供应商从不同技术路线降低车辆的油耗，48V系统因其增加有限成本能显著节能减排的优势，成为业界内人士关注的焦点。
　　48V系统的优势及关键技术
　　英飞凌公司认为48V系统的发展是基于以下几点：
　　12V启停虽然低成本，但是CO2减排有限；
　　高压混合动力减排多，但是系统成本增加较多；
　　48V以接近12V启停系统的成本；
　　提供接近高压混合动力技术的性能；
　　CO2 减排最多可达15%甚至更多；
　　系统成本目标是小于1000欧元；
　　可提供除动力系统以外的负载以更高级更节能的设计。
　　相对于12V微混系统的优势，德尔福派克亚太区新能源产品经理洪英林给我们举了一个例子：“比如说空调，传统汽车在等红灯的时候，发动机处于怠速，皮带驱动的空调压缩机可以继续工作，空调照样制冷。但是对于有启停功能的车来说，等红灯时需要转换到电动空调，不然乘客就要忍受等红灯或堵车的时候没有空调的环境。一个电动空调压缩机的功率最低要2.5kw，如果用12V供电，电网就难以承受，用48V就没有问题了。此外48V一侧还可以给主动悬架，电动转向，电动暖风等供电。”
　　目前日本市场上的主流是配置100V以上高电压型电池的强混动力汽车，采用的是100V以上的锂离子充电电池模组，虽然能使混合动力汽车（HEV）大幅提高燃油效率，但专用元件和耐压元件成本高。使用48V系统也会增加成本，但是相对于纯电动汽车或强混汽车的成本来说，48V系统可节省成本40%~60%，而且48V锂离子充电电池模组还能提高10～15%的燃油效率。
　　48V系统规格的关键之一在于锂离子电池技术，锂离子电池技术可提供较铅酸化学电池更高（3倍）的能量密度，尺寸、重量等方面降低。48V锂离子电池的充电性能更佳，能够更有效率地存储汽车制动回收能量，为汽车中所需越来越多的电子负载（如前排座椅加热、可加热式挡风玻璃、后避震器）提供更多功率。
　　48V锂离子电池系统的应用现状
　　48V系统的关键之一是锂离子电池技术，锂离子电池相比于铅酸电池和镍氢电池具有较高的能量密度和较好的充放电性能。锂离子电池单体电压高达3.7V，为了达到电动汽车使用的电压要求，就需要将单体电池进行串并联组成电池组，以满足电动汽车使用时需要的高能量高功率条件。一般情况下，汽车电源系统会将电池组看作单个电池，在汽车行驶启停的过程中，整个电池组进行着频繁的充电和放电过程。电池组是由单体组成的，在出厂前并不能保证电池单体绝对的一致性，如果电池组中的一个电池经过多个充电/放电周期后，其充电状态不能周期性地与其它电池平衡，最终会进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组故障，因此我们就需要电池检测系统（BMS： Battery Management System）来监视测量电池组和单个电池的整体情况，包括电压、电流、荷电状态等，以及时更换单体电池以延长电池组的续航能力和使用寿命。
　　此次日立新开发的48V锂离子电池组是将BMS基板、电池单体、继电器、保险丝组装载于同一箱体内，可组装性强、可靠性高，这种电池组能够在车辆加速、减速，以及制动时能量再生供应等各种情况下，支持混合动力车型发动机和电机的高效运转。
　　目前市场上的48V锂离子电池组一般由12~13个单体电池组成，多用于小型纯电动车领域如电动自行车、电动摩托车、电动三轮车等，还有电动工具等方面；主要的车用锂离子动力电池生产厂商有中航锂电，中信国安盟固利和万向集团等。
　　在混动汽车领域，48V锂离子电池组系统主要应用在微混或弱混动力系统，处于研发和限量生产水平。在开发更加节能的汽车产品的要求下，车企巨头正在纷纷开发采用48V自动启停系统的汽车产品。全球领先行业研究机构IHS发布报告称，到2025年，48V轻度混动车将占到全部混动车的一半以上，95%的轻度混动车将采用48V方案。
　　此次日立开发的48V锂离子电池组可以应用到中度混合电动车上，具有更高的输入功率和输出功率，而且电池单体在耐低温方面性能卓越，输出密度是以往日立电池单体的1.5倍，兼备良好的降低油耗效果和较高的性价比，为中混汽车在中国和欧洲的普及起到了推动作用。