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中国智能交通协会

车联网用电源解决方案

2021-04-28 来源:中国智能交通协会


惠州亿纬锂能股份有限公司
林梓乾  卜芳  祝媛


 一、概述
  大数据、5G技术的发展催生了车联网(Vehicle-to-everything),即车辆物联网,其借助新一代的科学技术(信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等)实现车与车、车与人、车与基础设施、车与云平台之间的全方位网络连接。
  目前车联网的典型应用有电子不停车收费系统(ETC)、紧急呼叫系统(E-Call)以及远程信息处理器系统(车载T-BOX)。

  二、车联网的电源方案需求
  车联网中的停车后的电源方案,若直接从CAN取电有可能会影响车用电瓶寿命,这就对控制电路设计要求非常高,大部分车企为了规避这个风险,选择车电与备用电池的电源方案,也就是开车时用车电,停车后用备用电源实现实时通讯,如停车后防拆防盗、位置发送、远程预启动、停车扫码等。针对备用电源,一方面需满足寒冷地区的冬季和热带地区夏季的高低温极端环境条件,还能瞬间大电流脉冲或者持续输出能量,另一方面需满足长使用寿命、高安全性和环保等要求之外,如表1所示,在具体的应用中也有着不同的特定要求。


表1 不同车联网应用的电源要求

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  在ETC领域,车载单元OBU的电源需承载防拆卸功能的电流输出,按防拆卸电流按20μA计算,若连续维持15天防拆卸功能,至少需7.2mAh的容量,这也对ETC车载单元中作为储能器件用的电容器提出了更高的容量要求。
三、电源解决方案
  针对车联网电源不同的实际应用,亿纬锂能有以下三种电源解决方案,如表2。


表2 不同车联网电源应用方案

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  1.SPC锂离子电池电容器
  亿纬锂能自主研发的SPC锂离子电池电容器是一种金属氧化物锂离子电池电容器,既具有锂离子的容量特性,又具有超级电容器的功率特性。针对不同的尺寸和容量要求,SPC锂离子电池电容器分为SPC0920、SPC1520、SPC1530、SPC1534、SPC1550等不同型号,不同型号的容量及尺寸数据见表3。


表3不同型号程控锂离子电池电容器容量及尺寸

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  如图1中SPC电池电容器在不同温度下的充放电曲线,SPC电池电容器有较宽的电压使用范围,充放电范围2.5V~3.9V,当放电电压范围为3.9V到2.5V时,SPC1550容量可达到380mAh。同时,该电池电容器有着较宽的温度使用范围,工作温度范围-40℃~+90℃。即便在-40℃的极端恶劣环境下,SPC1550仍能保持170mAh的放电容量(3.9V到2.5V)。


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图1不同温度下SPC1550的充放电曲线


  根据GB/T38444要求对SPC电池电容器进行90℃ 1407h的高温耐久性试验,以理论模拟10年的工作寿命。由图2,在1408h的高温耐久性试验之后,SPC1520仍能进行ETC交易模式脉冲,且高温耐久性试验后,SPC1520仍能保持70%的恢复容量。


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图2 90℃1407 h高温耐久性试验前后程控常温下模拟等交易脉冲放电曲线
(数据来源于SPC1520型号产品)


  如表4,通过对比亿纬公司SPC与其他品牌相近尺寸的电池电容器在高温耐久性测试的表现,可见在高温严苛环境下,SPC锂离子电池电容器有较强的容量保持能力,且在经历高温严苛环境后,仍能保持低温输出能力。


表4 电池电容器高温耐久性试验性能对比

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  2.复合锂电池电容器电源
  在复合电源方案中,ER锂电池作为备用电池,其能量密度高,自放电率低;而SPC电池电容器提供宽温范围的脉冲输出能力。复合电源方案结合了ER锂电池大容量及SPC电池电容器高输出能力的优点,可保证在无外部电源供电的条件下,在车联网应用中长时间保持工作。该方案已有将近10年的实际应用。
  3.PLM锂离子电池
  在E-Call以及T-BOX等车联网应用中,系统对于应用环境、电源的容量和输出功率有着更高的要求。亿纬锂能自主研发的PLM锂离子电池,不仅能满足-40℃~+85℃的极端工作温度要求,还能兼顾E-Call和T-BOX应用大功率输出的要求。PLM系列锂离子电池目前有PLM1550和PLM18650两种型号,同时可以根据电压和容量的需求,组合成不同的串并联方案,该方案已有实际应用案例。
  PLM锂离子电池具备宽温范围大功率输出能力,由图3所示,PLM18650在-40℃极端条件下仍能以7A的恒定电流输出。


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图3 PLM18650不同温度7下恒流放电曲线


  PLM锂离子电池在高温储存之后,仍能保持低温下的大功率输出。如图4所示,在80℃下储存107天后(理论模拟使用寿命末期),PLM1550(2S1P)电池组仍能在-20℃、80%SOC条件下进行23W脉冲输出,满足E-Call紧急呼叫系统的通讯需求。


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图4 80℃储存107天后,PLM1550 (2 s1p) 23 w脉冲放电曲线


 四、应用实例
  SPC锂离子电池电容器和PLM锂离子电池是亿纬锂能自主研发的,具有全密封性、宽温度使用范围、低自放电率、长寿命、高可靠性、具安全设计等优点的产品。
  在ETC车载单元电源方案领域,亿纬锂能的SPC锂离子电池电容器以及ER+SPC复合电源产品已经有了8年以上的应用。将在OBU中使用了7年的SPC1520电池电容器,与新下线的SPC1520做电性能的对比如图5,在-30℃条件下,使用了7年的SPC1520仍保持较好的负载能力。


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图5实际应用7年后SPC1520样品低温脉冲放电曲线


  在E-Call备用电源方案领域,亿纬锂能的PLM1550(2S1P)锂离子电池电池组也有着3年以上的实际应用。该产品作为紧急呼叫系统的后备电源,在全球市场上为车辆的驾乘人员提供安全保障。
 五、结语
  能源问题日益成为国际关注的焦点,为促进产业升级换代,国家正在不遗余力的推动低碳、节能、减排技术的推广应用。车联网系统通过人、车、路的和谐及配合,提高交通运输效率,缓解交通阻塞,提高路网通过能力,减少交通事故,降低能源消耗,减轻环境污染。
  亿纬锂能以做世界上最好的锂电池,成为行业领先企业为愿景,以市场为导向,以世界先进的技术与领先的智能生产方式,将继续为车联网系统提供可靠性高的电源方案,同时跟进智能交通系统的发展继续对电源解决方案进行研究。