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摘要:对48V混合动力系统的国内外现状,48V混合动力系统的优点,48V混合动力系统的关键材料电解液的技术发展进行了总结和分析,从而更好的推动48V混合动力车市场与先进电池用电解液的发展。
关键词:48V混合动力车;电池;电解液;发展
一.48V混合动力系统的国内外现状
从世界汽车市场来看,油电全混(HEV)和微混(MHEV)/轻混(LHEV)车辆在持续发展中。2018年3月法国著名电池咨询公司“AVICENNE ENERGY”发布的市场与技术发展报告指出,2017年日美与欧洲的HEV市场销售达到了280万辆,其中,欧洲市场销售增长了50%。预计2020年增至360万辆,2025年进一步达到500万辆。“报告”给出的数据显示,在欧洲市场上具有起停功能的乘用车已经非常普及,2017年达到2000万辆以上,同时继续呈日益增长态势,预计2020年微混车辆市场销售将至少达到3500万辆以上。
国际能源署(IEA)预测,2030年时,90%以上的乘用车还是要有发动机;2050年时,仍然有58%配有发动机;发动机中,85%是混合动力汽车。国际能源署认为,很长时间里混合动力还是乘用车主流的动力技术。、
国家节能乘用车总体技术路线中指出,大力发展混合动力2020年占比达到8%,油耗4L/100km,2025年占比提升至20%,油耗3.6L/100km,2030年占比提升至25%,油耗3.3L/100km同时提升电子电器节能效果,大力发展48V系统,电动空调、EPS等技术成为标配、持续降低电能损耗。48V系统具有滑行起停、能量回收、电机助力及电爬行等功能,不仅在节油性能方面有优异表现,对车动力性也有大幅提升,可完全取代12V怠速起停系统,节油率可达到10%左右。
尽管国内依然是纯电动车(含插电式和增程式电动车)市场发展的一枝独秀(这在很大程度上是国内对纯电动车采取扶植、特别是補贴政策所致),但在此情况下,在48V混合动力车系统上,吉利和比亚迪两家企业依然坚持在做48V混合动力车系统的自主研发,随后,北汽、一汽、上汽、江淮、长安、风帆等汽车厂企业也在开发应用48V电驱动系统的乘用车。
减低汽车排放是治理大气环境的重要措施,因此我国要大力发展低排放车辆。混合动力将成为乘用车发展主流,而当前我国普通混合动力汽车销售量占比远远落后于世界各国。
二.48V混合动力系统的优点
48V混合动力系统的主要优点有两个,一个是节油,一个是减排放。因为柴油发动机的效率比汽油高,曾经很多人认为柴油车是未来的发展趋势。但柴油车排放问题出现以后,世界各国柴油车的应用量急剧下降。因此,人们需要开发另外一种节能技术来实现节能减排。48V混合动力系统从成本、性能和节油率上,有很大的吸引力,所以,近几年,48V混合动力系统不仅仅在中国,在欧洲也得到迅速发展。
在实际驾驶体验中,48V系统具有滑行起停、能量回收、电机助力及电爬行等功能,不仅在节油性能方面有优异表现,对车辆动力性能也有大幅提升,可完全取代12V怠速起停系统,节油率可达10%左右。
同时,48V电驱动系统成本大多在6000元/套以下,预测2年内最低成本可降至4000元/套,具有良好性价比。
三.48V混合动力系统的关键材料电解液。
从锂离子电池放电过程可知,锂离子从负极里脱出后首先进入SEI,然后在SEI中传导,再进入电解液中被溶剂化,接下来溶剂化的锂离子在电解液中传导,到达正极表面后首先脱溶剂化进入CEI,然后在CEI中传导,最后嵌入正极。其中每一步都对应一个阻抗,阻抗的大小与很多因素有关。为了提高锂离子电池的功率和低温性能,就必须降低整个过程的各种阻抗。当然,受电解液的成分和温度等多种因素的影响,这些阻抗各有不同。
1.溶剂
众所周知,羧酸酯溶剂可以显著提高电池的低温性能,尤其是在-30℃以下的温度下,羧酸酯类溶剂的性能显著优于碳酸酯类溶剂。但羧酸酯类溶剂对负极SEI具有一定的破坏作用。比如常用的羧酸酯溶剂EP,用在磷酸铁锂电池上,低温放电平台有明显提高,但是高温储存性能和循环性能会显著下降,说明该溶剂对负极的SEI有明显的破坏作用,目前来看并不适合作为动力电池的溶剂。
由于轻混及微混车对功率特性及低温特性的要求很高,采用大量低粘度的线性碳酸酯(DMC和EMC)是目前的必然选择。由于EMC的粘度高于DMC且介电常数低于DMC,因此用EMC替代部分DMC会增加电池在常温下的DCIR,但是一定量的EMC取代DMC后能够提高电池的低温性能,其原因可能是由于EMC与锂离子的溶剂化作用弱,降低了低温下脱溶剂化这一步的活化能。环状碳酸酯(EC和PC)由于介电常数高且粘度大,在电解液中的含量需要综合考虑室温功率特性和低温性能来确定。
2.新型添加剂
具体到48V混合动力系统原材料电解液上,首要解决的问题就是提升轻混/微混用12-48V锂离子电池的功率特性及低温性能,需要将电解液的三要素合理搭配,电解液的核心是添加剂,如何选择和组合添加剂是一种平衡的艺术。
以特殊的成膜添加剂为例,对比了空白、添加了不同比例的PS和DTD的电解液充放电时的数据显示,添加了成膜添加剂DTD的充放阻抗更低,容量保持率较高。综合二者的因素,选择添加成膜添加剂DTD的较为适合。
同时,从膜的厚度来看,添加了DTD的成膜添加剂的正极膜CEI膜比添加VC和空白的电液的薄,添加了成膜添加剂DTD的负极膜SEI膜比添加VC和空白的电液的薄。说明DTD 是一个较为适合的特殊成膜添加剂。
3.锂盐型添加剂
从降低界面阻抗,提高电导率的角度考虑,可以选择添加锂盐型添加剂,如LiPO2F2、LiDFOB等新型锂盐,部分替代原有锂盐或者直接添加新型锂盐添加剂。
总上所述,48V混合动力系统是未来要重点推广的产品,具体到原材料电解液上,针对48V混动系统要求的降低界面阻抗、提高低温特性和提高电导率的要求去考虑,电解液选择低粘度的线性碳酸酯(DMC和EMC)溶剂、合适的特殊成膜添加剂(如DTD、TMSB等)和 锂盐型添加剂(如LiPO2F2、LiDFOB等)是当前的研发方向之一。
关键词:48V混合动力车;电池;电解液;发展
一.48V混合动力系统的国内外现状
从世界汽车市场来看,油电全混(HEV)和微混(MHEV)/轻混(LHEV)车辆在持续发展中。2018年3月法国著名电池咨询公司“AVICENNE ENERGY”发布的市场与技术发展报告指出,2017年日美与欧洲的HEV市场销售达到了280万辆,其中,欧洲市场销售增长了50%。预计2020年增至360万辆,2025年进一步达到500万辆。“报告”给出的数据显示,在欧洲市场上具有起停功能的乘用车已经非常普及,2017年达到2000万辆以上,同时继续呈日益增长态势,预计2020年微混车辆市场销售将至少达到3500万辆以上。
国际能源署(IEA)预测,2030年时,90%以上的乘用车还是要有发动机;2050年时,仍然有58%配有发动机;发动机中,85%是混合动力汽车。国际能源署认为,很长时间里混合动力还是乘用车主流的动力技术。、
国家节能乘用车总体技术路线中指出,大力发展混合动力2020年占比达到8%,油耗4L/100km,2025年占比提升至20%,油耗3.6L/100km,2030年占比提升至25%,油耗3.3L/100km同时提升电子电器节能效果,大力发展48V系统,电动空调、EPS等技术成为标配、持续降低电能损耗。48V系统具有滑行起停、能量回收、电机助力及电爬行等功能,不仅在节油性能方面有优异表现,对车动力性也有大幅提升,可完全取代12V怠速起停系统,节油率可达到10%左右。
尽管国内依然是纯电动车(含插电式和增程式电动车)市场发展的一枝独秀(这在很大程度上是国内对纯电动车采取扶植、特别是補贴政策所致),但在此情况下,在48V混合动力车系统上,吉利和比亚迪两家企业依然坚持在做48V混合动力车系统的自主研发,随后,北汽、一汽、上汽、江淮、长安、风帆等汽车厂企业也在开发应用48V电驱动系统的乘用车。
减低汽车排放是治理大气环境的重要措施,因此我国要大力发展低排放车辆。混合动力将成为乘用车发展主流,而当前我国普通混合动力汽车销售量占比远远落后于世界各国。
二.48V混合动力系统的优点
48V混合动力系统的主要优点有两个,一个是节油,一个是减排放。因为柴油发动机的效率比汽油高,曾经很多人认为柴油车是未来的发展趋势。但柴油车排放问题出现以后,世界各国柴油车的应用量急剧下降。因此,人们需要开发另外一种节能技术来实现节能减排。48V混合动力系统从成本、性能和节油率上,有很大的吸引力,所以,近几年,48V混合动力系统不仅仅在中国,在欧洲也得到迅速发展。
在实际驾驶体验中,48V系统具有滑行起停、能量回收、电机助力及电爬行等功能,不仅在节油性能方面有优异表现,对车辆动力性能也有大幅提升,可完全取代12V怠速起停系统,节油率可达10%左右。
同时,48V电驱动系统成本大多在6000元/套以下,预测2年内最低成本可降至4000元/套,具有良好性价比。
三.48V混合动力系统的关键材料电解液。
从锂离子电池放电过程可知,锂离子从负极里脱出后首先进入SEI,然后在SEI中传导,再进入电解液中被溶剂化,接下来溶剂化的锂离子在电解液中传导,到达正极表面后首先脱溶剂化进入CEI,然后在CEI中传导,最后嵌入正极。其中每一步都对应一个阻抗,阻抗的大小与很多因素有关。为了提高锂离子电池的功率和低温性能,就必须降低整个过程的各种阻抗。当然,受电解液的成分和温度等多种因素的影响,这些阻抗各有不同。
1.溶剂
众所周知,羧酸酯溶剂可以显著提高电池的低温性能,尤其是在-30℃以下的温度下,羧酸酯类溶剂的性能显著优于碳酸酯类溶剂。但羧酸酯类溶剂对负极SEI具有一定的破坏作用。比如常用的羧酸酯溶剂EP,用在磷酸铁锂电池上,低温放电平台有明显提高,但是高温储存性能和循环性能会显著下降,说明该溶剂对负极的SEI有明显的破坏作用,目前来看并不适合作为动力电池的溶剂。
由于轻混及微混车对功率特性及低温特性的要求很高,采用大量低粘度的线性碳酸酯(DMC和EMC)是目前的必然选择。由于EMC的粘度高于DMC且介电常数低于DMC,因此用EMC替代部分DMC会增加电池在常温下的DCIR,但是一定量的EMC取代DMC后能够提高电池的低温性能,其原因可能是由于EMC与锂离子的溶剂化作用弱,降低了低温下脱溶剂化这一步的活化能。环状碳酸酯(EC和PC)由于介电常数高且粘度大,在电解液中的含量需要综合考虑室温功率特性和低温性能来确定。
2.新型添加剂
具体到48V混合动力系统原材料电解液上,首要解决的问题就是提升轻混/微混用12-48V锂离子电池的功率特性及低温性能,需要将电解液的三要素合理搭配,电解液的核心是添加剂,如何选择和组合添加剂是一种平衡的艺术。
以特殊的成膜添加剂为例,对比了空白、添加了不同比例的PS和DTD的电解液充放电时的数据显示,添加了成膜添加剂DTD的充放阻抗更低,容量保持率较高。综合二者的因素,选择添加成膜添加剂DTD的较为适合。
同时,从膜的厚度来看,添加了DTD的成膜添加剂的正极膜CEI膜比添加VC和空白的电液的薄,添加了成膜添加剂DTD的负极膜SEI膜比添加VC和空白的电液的薄。说明DTD 是一个较为适合的特殊成膜添加剂。
3.锂盐型添加剂
从降低界面阻抗,提高电导率的角度考虑,可以选择添加锂盐型添加剂,如LiPO2F2、LiDFOB等新型锂盐,部分替代原有锂盐或者直接添加新型锂盐添加剂。
总上所述,48V混合动力系统是未来要重点推广的产品,具体到原材料电解液上,针对48V混动系统要求的降低界面阻抗、提高低温特性和提高电导率的要求去考虑,电解液选择低粘度的线性碳酸酯(DMC和EMC)溶剂、合适的特殊成膜添加剂(如DTD、TMSB等)和 锂盐型添加剂(如LiPO2F2、LiDFOB等)是当前的研发方向之一。