樊 彬， 韓麗瓊， 王 芳

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300)

節(jié)能減排已經(jīng)成為我國汽車工業(yè)工作中的重中之重，我國相關(guān)政策法規(guī)中也明確提出了2020年乘用車產(chǎn)品的平均燃料消耗量降至5 L/100 km的目標(biāo)限值[1]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，國內(nèi)外整車和零部件供應(yīng)商都在從不同的汽車先進(jìn)技術(shù)入手，積極地尋求解決方案。在眾多方案中，48 V電池系統(tǒng)被認(rèn)為是現(xiàn)階段性價(jià)比較高、技術(shù)較成熟、安全性較好的有效解決方案，正受到行業(yè)越來越多的關(guān)注[2-4]。

隨著鋰離子蓄電池技術(shù)的逐漸成熟，48 V電池系統(tǒng)即將被大規(guī)模應(yīng)用，因此，有必要深入了解48 V電池系統(tǒng)的技術(shù)性能及其特殊要求，探討其合適的性能測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并建立其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系。

1 48 V電池系統(tǒng)概述

2011年，德國五大汽車制造商(奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾)聯(lián)合宣布合作開發(fā)48 V電池系統(tǒng)，并制定了LV148規(guī)范，正式吹響了向48 V電池系統(tǒng)進(jìn)軍的號(hào)角。近年來，48 V電池系統(tǒng)技術(shù)不斷成熟，德爾福、英飛凌、大陸、博世、舍弗勒、江森自控、海拉、現(xiàn)代Mobis和法雷奧等零部件供應(yīng)商都推出了達(dá)到產(chǎn)品化水平的系統(tǒng)零部件，大眾、寶馬、奧迪、戴姆勒、一汽、奇瑞和吉利等國內(nèi)外多家整車企業(yè)研發(fā)出了使用48 V電池系統(tǒng)的車型。48 V電池系統(tǒng)的市場(chǎng)化應(yīng)用已經(jīng)是大勢(shì)所趨[5]。

結(jié)合目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，可以將48 V電池系統(tǒng)分為P1(也有稱P0)、P2、P3、P4等4類，它們的區(qū)別在于電機(jī)安裝位置，數(shù)字越小，安裝位置越靠前：P1表示電機(jī)集成于內(nèi)燃機(jī)；P2表示電機(jī)安裝在內(nèi)燃機(jī)和變速器之間；P3表示電機(jī)集成于變速器；P4表示電機(jī)安裝在后軸[6]。

48 V電池系統(tǒng)的電氣原理如圖1所示，是在保留傳統(tǒng)的12 V電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，額外增加獨(dú)立的48 V電網(wǎng)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間通過DC/DC雙向變換器相連。汽車娛樂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、ECU等傳統(tǒng)負(fù)載連接至12 V電網(wǎng)，汽車主動(dòng)底盤系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)加熱系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、除霜除霧系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)等大功率負(fù)載系統(tǒng)連接至48 V電網(wǎng)，從而有效改善常規(guī)電網(wǎng)負(fù)荷，最大程度地實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能減排的目標(biāo)[7-8]。

與其他汽車先進(jìn)技術(shù)相比，48 V電池系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：能夠滿足制動(dòng)能量回收節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用；通過怠速啟停技術(shù)應(yīng)用獲得良好的節(jié)能減排效果；為相關(guān)汽車附件的電氣化奠定功率基礎(chǔ)，提供駕駛舒適性；高電壓可以促進(jìn)汽車電氣系統(tǒng)輕量化；成本增加較少[9]。

另外，從安全性能來看，48 V電池系統(tǒng)的最高電壓一般在54 V左右，在歐洲ECE R100[10]法規(guī)規(guī)定的安全電壓范圍之內(nèi)，不會(huì)造成人員觸電危害，安全成本較低[11]。

基于以上48 V電池系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析，可以得到整車對(duì)48 V電池系統(tǒng)性能的特殊要求如下：在全溫度環(huán)境范圍內(nèi)要具備良好的充放電性能；能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電和快速放電，以滿足制動(dòng)能量回收和加速行駛等需求；能量轉(zhuǎn)化效率要高；大電流循環(huán)耐久可靠性要高；在溫濕度、鹽霧、電磁等復(fù)雜實(shí)車環(huán)境中適應(yīng)性要好；自身安全性好，不會(huì)發(fā)生著火爆炸等危險(xiǎn)。

2 48 V電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試評(píng)價(jià)

2.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)分析

對(duì)于48 V電池系統(tǒng)，由于發(fā)展歷程較短，目前尚未形成明確的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以參考的標(biāo)準(zhǔn)僅有ISO 18300[12]和GB/T 31467.1/.2/.3[13-15]。

ISO 18300標(biāo)準(zhǔn)名稱為《電動(dòng)車輛-與鉛酸電池或電容器混合的鋰離子電池系統(tǒng)測(cè)試要求》[12]，該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了在汽車上應(yīng)用的與鉛酸電池或電容器混合的鋰離子電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、要求和測(cè)試方法。其中，對(duì)于鋰離子-鉛酸電池混合器主要內(nèi)容為結(jié)構(gòu)介紹與測(cè)試，包括測(cè)試目的、測(cè)試規(guī)程、額定容量測(cè)試、微循環(huán)測(cè)試(分有無制動(dòng)能量回收兩種類型，詳見圖2)、循環(huán)壽命測(cè)試等。

(b) 有制動(dòng)能量回收?qǐng)D2 ISO 18300規(guī)定的微循環(huán)測(cè)試曲線

該標(biāo)準(zhǔn)只是針對(duì)鋰離子-鉛酸電池混合器提出了若干要求和測(cè)試方法，測(cè)試對(duì)象并不是特指48 V電池系統(tǒng)。并且該標(biāo)準(zhǔn)只是從基本性能評(píng)價(jià)方面給出了相應(yīng)的測(cè)試方法，并未給出具體合格判定指標(biāo)。

GB/T 31467.1/.2/.3為電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)的系列測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，包括了高功率應(yīng)用測(cè)試規(guī)程、高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程和安全性要求與測(cè)試方法3個(gè)部分。該系列標(biāo)準(zhǔn)適用于裝載在電動(dòng)汽車上，主要以高功率應(yīng)用或高能量應(yīng)用為目的的鋰離子蓄電池包和蓄電池系統(tǒng)，相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目如下：

1) 基本性能測(cè)試。能量和容量測(cè)試、功率和內(nèi)阻測(cè)試、無負(fù)載容量損失測(cè)試、存儲(chǔ)容量損失測(cè)試、高低溫啟動(dòng)功率測(cè)試(僅限于高功率應(yīng)用電池測(cè)試)、能量效率測(cè)試。

2) 安全性能測(cè)試。振動(dòng)試驗(yàn)、機(jī)械沖擊、跌落、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞、擠壓、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、海水浸泡、外部火燒、鹽霧、高海拔、過溫保護(hù)、短路保護(hù)、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)等。

可以看出，該系列標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試對(duì)象同樣也不是48 V電池系統(tǒng)。另外，該系列標(biāo)準(zhǔn)分別從基本電性能和安全性能的角度，綜合考核電池系統(tǒng)的性能，基本電性能測(cè)試部分無符合性判定指標(biāo)，安全性能測(cè)試部分給出了符合性判定指標(biāo)。

2.2 測(cè)試評(píng)價(jià)

為了分析當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)48 V電池系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)的適用性，本文選取了一款典型48 V電池系統(tǒng)，基于GB/T 31467.1/.2/.3，開展了相關(guān)項(xiàng)目的測(cè)試評(píng)價(jià)。樣品參數(shù)如下：產(chǎn)品組合形式12S1P；額定電壓44 V；額定容量8 Ah；額定能量352 Wh；系統(tǒng)充電終止電壓52 V；系統(tǒng)放電終止電壓36 V。

在基本性能測(cè)試方面，主要開展了容量和能量測(cè)試。該測(cè)試在室溫下進(jìn)行，其步驟如下：1) 按照制造商推薦的放電機(jī)制放電至制造商規(guī)定的放電截止條件；2) 靜置30 min；3) 按照制造商推薦的充電機(jī)制充電至制造商規(guī)定的充電截止條件；4) 靜置30 min；1)～4) 循環(huán)3次。

基于以上試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，圖3(a)為試驗(yàn)過程中電流和電壓隨時(shí)間變化曲線，圖3(b)為試驗(yàn)過程中同步采集的最高單體電壓、最低單體電壓和單體電壓差隨時(shí)間的變化曲線。由圖3測(cè)試結(jié)果可知，在充放電循環(huán)過程中，系統(tǒng)電壓和單體電壓表現(xiàn)的趨勢(shì)相同，放電階段單體電壓差明顯高于充電階段單體電壓差，最高可達(dá)41 mV。由此可知，單體電壓的不一致性將顯著影響48 V電池系統(tǒng)的充放電性能參數(shù)。

(a) 充放電過程中電壓電流變化曲線

(b) 充放電過程中單體電壓變化曲線圖3 能量容量測(cè)試曲線

另外，本文開展了GB/T 31467.3規(guī)定的安全性能測(cè)試項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

1) 危險(xiǎn)等級(jí)為0(無影響)的試驗(yàn)項(xiàng)目有振動(dòng)試驗(yàn)、機(jī)械沖擊、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、高海拔、過溫保護(hù)、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)。

2) 危險(xiǎn)等級(jí)為1(被動(dòng)保護(hù)激活)的試驗(yàn)項(xiàng)目有短路保護(hù)。

3) 危險(xiǎn)等級(jí)為2(毀壞)的試驗(yàn)項(xiàng)目有跌落、海水浸泡、鹽霧。

4) 危險(xiǎn)等級(jí)為3(著火)的試驗(yàn)項(xiàng)目有擠壓、外部火燒。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該48 V電池系統(tǒng)在大部分安全性能測(cè)試項(xiàng)目中表現(xiàn)良好，但是由于設(shè)計(jì)因素及成本因素，其在擠壓和外部火燒試驗(yàn)項(xiàng)目上存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過以上試驗(yàn)可知，當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)48 V電池系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)的適用性不強(qiáng)，在電性能測(cè)試方面未能提出明確考核其特殊性能的試驗(yàn)方法，在安全性能方面考核過于嚴(yán)苛。因此，需要建立一套針對(duì)48 V電池系統(tǒng)的全新測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3 測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)框架建議

基于以上分析，本文給出的48 V電池系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)框架建議如下：

1) 電性能測(cè)試方面，包括容量能量測(cè)試、功率和內(nèi)阻測(cè)試、脈沖充放電測(cè)試和能量效率測(cè)試等。

2) 耐久性測(cè)試方面，包括標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測(cè)試和工況循環(huán)壽命測(cè)試等。

3) 安全性能測(cè)試方面，包括機(jī)械安全性測(cè)試、環(huán)境安全性測(cè)試、功能安全測(cè)試和電氣安全測(cè)試等。

3 結(jié)束語

48 V電池系統(tǒng)填補(bǔ)了由12 V低壓系統(tǒng)到200～600 V高壓系統(tǒng)之間的技術(shù)空白，技術(shù)可行性高，單品成本低，是全面普及混合動(dòng)力和純電動(dòng)技術(shù)之前的有效過渡技術(shù)。因此，有必要盡快建立48 V電池系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而促進(jìn)48 V電池系統(tǒng)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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