俞曉峰，萬亞坤，宋帥，劉慧潔，楊淑娟

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071000）

0 引言

在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，由于純電動汽車技術(shù)還不是特別成熟，混合動力汽車是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑?；旌蟿恿夹g(shù)是在傳統(tǒng)燃油車上增加一套電池輔助系統(tǒng)，可以兼容內(nèi)燃機(jī)和電動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到低排放和低油耗的目的[1]。48V輕混動力汽車具有對現(xiàn)有燃油車改動小，成本增加幅度小，技術(shù)層面易于實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到強(qiáng)混汽車70%的效果的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段燃油車進(jìn)行節(jié)油的優(yōu)選方案。

混合鋰離子電池作為混動汽車車載電源，具有很大的性能優(yōu)勢與環(huán)保優(yōu)勢。其質(zhì)量對于節(jié)能汽車的整體車況、運(yùn)行情況等有著不可忽視的影響。為了保證車輛安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對節(jié)能汽車提出的配置要求更高，也就需要配置具有高比能量、高比功率，且可以短時間內(nèi)完成充放電過程的電池，同時要確保使用的安全性和穩(wěn)定性[2]。

本文中，筆者針對汽車用48V輕混電池系統(tǒng)進(jìn)行電性能研究，對標(biāo)準(zhǔn)WLTC工況下的功率、電流要求進(jìn)行了分析，并針對不同電池類型及材料體系的48V輕混電池進(jìn)行了對比測試，探討了其結(jié)構(gòu)、電性能等差異，最后對電池的循環(huán)壽命進(jìn)行測試。

1 概述

混合動力汽車是處于傳統(tǒng)純?nèi)加蛙嚭图冸妱悠囍g的過渡車型，擁有燃油發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩套動力系統(tǒng)，兼顧燃油系統(tǒng)和電動驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)，對于汽車節(jié)能減排有較為顯著的效果。48V輕混電池系統(tǒng)自2011年戴姆勒、寶馬、奧迪等5家德國汽車廠聯(lián)合推出以來得到了較大的反響。48V電池系統(tǒng)作為一種弱混系統(tǒng)，被習(xí)慣稱為輕混，而豐田的THS、本田的iMMD等混合動力技術(shù)稱被為強(qiáng)混[2]。48V輕混系統(tǒng)與高壓混動系統(tǒng)相比，可以實(shí)現(xiàn)高壓強(qiáng)混系統(tǒng)大部分的節(jié)能效果，且成本低廉。48V輕混電池系統(tǒng)最大好處在于對發(fā)動機(jī)啟停、起步、剎車等工況下的優(yōu)化，能直接省下不少油耗，同時對整車不會增加類似高壓混合動力汽車（HEV）的高額成本，讓終端客戶比較容易接受。因此，油電混合動力技術(shù)，尤其是48V輕混電池系統(tǒng)在純電動和燃料電池技術(shù)沒有大規(guī)模普及之前，是較為優(yōu)秀的汽車節(jié)能技術(shù)，又是能夠兼顧安全與性能的良好選擇。

根據(jù)48V電機(jī)的位置，可以將48V輕混系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為P0、P1、P2、P3和P4五種[3]，如圖1所示。目前應(yīng)用較廣的是P0和P2結(jié)構(gòu)，其中P0結(jié)構(gòu)的48VBSG電池系統(tǒng)由于成本低，研發(fā)難度小，能夠快速切入并搶占市場而廣受主機(jī)廠的重視[4]。本文中筆者重點(diǎn)研究用于P0結(jié)構(gòu)的48V電池。

2 性能分析及測試

2.1 工況分析

48V輕混電池系統(tǒng)作為電源系統(tǒng)，在輕混汽車?yán)锬軌蛲瓿善鸩郊铀僦Α⒌∷倨鹜！⒅苿幽芰炕厥?，甚至純電續(xù)航等功能，以實(shí)現(xiàn)節(jié)油減排的目的。由圖2可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)WLTC工況（全球輕型汽車測試循環(huán)）下，48V電池的最大充放電功率在11kW左右。一般，48VBSG電機(jī)的峰值功率在10kW左右[5]。這就保證了混動系統(tǒng)在使用過程中能夠順利地進(jìn)行機(jī)械能—電能之間的轉(zhuǎn)換[4-6]。在WLTC工況運(yùn)行過程中，最大電流在200～300A之間，且持續(xù)充電或放電時間基本在秒級或更短[7]。對于10Ah以下的P048V電池，要求在30C倍率進(jìn)行瞬間充放電。這對于常規(guī)鋰離子電池具有較大的挑戰(zhàn)，所以需要從電芯及材料層面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

由于市面上第1代的P048V電池基本都不帶主動冷卻功能，在持續(xù)或脈沖大電流工作下電池溫升較大。一旦超過電池最高工作溫度，就會觸發(fā)降功率等溫度保護(hù)策略，使汽車降低甚至失去混動系統(tǒng)帶來的動力和能量回收功能[8]。目前市場化的48V電池采用的電芯基本為軟包和鋁殼兩種，其中鋁殼類電池典型代表為博世，軟包類電池典型代表為萬向123。采用這兩種電芯的電池各有優(yōu)缺點(diǎn)：（1）鋁殼電芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，在PACK設(shè)計上較為有利。外殼一般采用塑料材質(zhì)即可滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，有利于外殼的輕量化。但是，由于鋁殼電芯厚度較大，在大電流充放電過程中溫升往往會比較明顯，且塑料外殼的設(shè)計也不利于散熱。（2）軟包電芯一般厚度較小，鋁制外殼的設(shè)計也易于散熱。由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小，一般采用金屬外殼設(shè)計，所以重量反而比較大。由表1可知，電池A和B采用的電芯能量密度差異很小，且軟包電芯占優(yōu)勢，但是在PACK層面，由于電池B的外殼采用鋁材質(zhì)，重量反而更大，約達(dá)8kg。

表1 兩種 48V電池模組的信息

目前，P0結(jié)構(gòu)中48V電池基本不帶主動冷卻功能。在跑車測試中發(fā)現(xiàn)，由于工作電流較大，電池溫升明顯。在實(shí)際駕駛過程中容易出現(xiàn)觸發(fā)溫度保護(hù)而令電池不能正常充放電的情況，使消費(fèi)者的駕駛感受降低。為了研究不同電池的溫升情況，對兩種電池進(jìn)行實(shí)際WLTC工況測試。圖3為兩種電池在起始溫度為40℃下進(jìn)行WLTC工況的電池溫升情況。由圖3可以看出，在運(yùn)行2個WLTC工況后，電池A在3200s時出現(xiàn)溫度過高保護(hù)，由初始的40℃上升至65℃，而電池B的溫度在62℃左右。在運(yùn)行WLTC工況時電池B的溫度上升幅度明顯較小，有利于在相同的溫度限制下進(jìn)行更多工況，行駛更多的里程，對于節(jié)能減排更有利。

如上所述，48V電池雖然電壓較低，屬于低壓系統(tǒng)，且P0電池容量基本在10Ah以下，普遍較小，但是在實(shí)際WLTC工況中，電池的電流要高達(dá)近300A。對于電芯來講，倍率需要達(dá)到30C以上。這對于電芯的可靠性和溫升控制都存在較大的挑戰(zhàn)。從兩種不同電芯方案的48V系統(tǒng)對比測試來看，方形電池在整體PACK方案上可以將外殼等結(jié)構(gòu)更好地做到輕量化，但是由于電芯設(shè)計及模組外殼設(shè)計的原因，電池溫升較薄型軟包電池更高。在性能上兩種類型的電池各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

2.2 功率性能分析

由汽車運(yùn)行工況分析可知，在WLTC工況中要求電池具有高達(dá)11kW的瞬間充放電功率以提升節(jié)能減排的要求。在電池材料體系方面，目前市面上48V電芯主要采用磷酸鐵鋰和三元聚合物兩種。磷酸鐵鋰材料擁有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在鋰離子動力電池中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)配比的三元材料（如NCM111、NCM523等）具有較為平衡的綜合性能，擁有較好的電性能和安全特性。這兩種正極材料體系都在48V電池中得到了實(shí)際應(yīng)用，并具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。例如：磷酸鐵鋰電池具有更優(yōu)的安全性和高溫穩(wěn)定性，而三元電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏?。本文對這兩種體系電池在48V電池中的性能及應(yīng)用進(jìn)行分析。

如圖4和圖5所示，磷酸鐵鋰體系電池一般采用14串結(jié)構(gòu)，中值電壓為46.2V，充放電截止電壓35～51.1V，而三元體系電池可采用12串或13串。磷酸鐵鋰電池的充放電電壓平臺較平，而三元材料體系電池在可用SOC內(nèi)電壓平臺跨度較大。與充放電電壓平臺類似，兩種體系電池在不同SOC范圍內(nèi)的功率、內(nèi)阻也表現(xiàn)不同的特點(diǎn)。如圖6和圖7所示，隨著SOC的變化，三元電池的充放電功率比磷酸鐵鋰電池的變化幅度大。雖然三元電池在高SOC下的功率比磷酸鐵鋰電池的高，但是在低SOC下功率下降明顯。在30%～80%SOC工作區(qū)間，兩種體系電池的10s充放電功率基本在11kW左右，能夠保證動力輔助、剎車能量回收及起停等功能的實(shí)現(xiàn)。對這兩種電芯進(jìn)行EIS測試結(jié)果見圖8和圖9，可以看出，磷酸鐵鋰電池在20%～80%SOC下，Rct內(nèi)阻變化較小，而三元體系電池隨著SOC的下降，內(nèi)阻變大，與HPPC功率測試結(jié)果的變化趨勢一致。

如上所述，兩種材料體系的電池基本都能滿足48V電池的要求，各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如：磷酸鐵鋰電池由于電壓低，串聯(lián)數(shù)量較多，但功率比較平穩(wěn)，且原材料價格比較低廉；而三元材料能量密度會更高，電壓較高，串聯(lián)數(shù)量較少，但安全稍差，且原材料價格高。

2.3 循環(huán)壽命分析

為了研究48V電池的循環(huán)性能，進(jìn)行電流為3C的持續(xù)100%DOD充放電循環(huán)。由圖10可以看出，在電池以3C持續(xù)充放電3000周后，容量保持在90%。但是，在實(shí)際WLTC工況運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，電池的SOC變化范圍較小。48V電池在混動汽車中只是發(fā)揮動力輔助、起停、剎車能量回收等功能，與純電動汽車用大電池模組的工作工況存在較大差異，基本不會出現(xiàn)長時間的持續(xù)充電或放電過程。因此，常規(guī)的鋰離子電池持續(xù)充放電循環(huán)測試對于48V電池的循環(huán)壽命評估并不一定合適。本文中，筆者對電池進(jìn)行脈沖充放電循環(huán)測試（10s脈沖循環(huán)）。如圖11所示，電池在進(jìn)行了23萬周10s脈沖充放循環(huán)后，容量保持在80%以上，累計放電容量約102kAh。

對48V電池分別在起始溫度為25℃和45℃下進(jìn)行WLTC工況循環(huán)。在起始溫度為25℃的循環(huán)中電池溫度維持在32～40℃，在起始溫度為45℃循環(huán)中電池溫度維持在50～55℃之間。由圖12可見，常溫工況運(yùn)行10萬km后容量保持率在90%以上。由圖13可見，高溫工況運(yùn)行8萬km后容量保持率在80%以上。

3 結(jié)論

48V輕混電池系統(tǒng)作為汽車節(jié)能技術(shù)之一，擁有良好的降低油耗的效果，同時能夠較好地提升汽車行駛感受。筆者對48V輕混汽車工況進(jìn)行分析可知，48V電池需要具備30C以上的充放電能力，對電池充放電倍率性能提出了較高的要求。對兩種P0結(jié)構(gòu)48V電池對比發(fā)現(xiàn)，金屬外殼和塑料外殼電池在溫升、重量等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，給主機(jī)廠電池選型提供了參考。在對比磷酸鐵鋰和三元體系電池時發(fā)現(xiàn)，在可用SOC范圍內(nèi)，磷酸鐵鋰電池具有更平穩(wěn)一致的功率值分布，但三元電池具有更高的峰值功率和能量密度。最后針對48V電池使用場景的特點(diǎn)，對電池進(jìn)行了脈沖充放電和WLTC標(biāo)準(zhǔn)工況循環(huán)測試，分別在20萬次循環(huán)后和模擬行駛 10 萬 km 后，電池仍具備較高的容量保持率，表現(xiàn)了電池在高功率應(yīng)用下有優(yōu)異的循環(huán)性能。