0 引言

在智能汽车快速发展的背景下，L3级自动驾驶对车载系统的功能安全提出了更高要求。根据ISO 26262标准，L3级自动驾驶系统的关键安全目标（如“避免非预期断电导致车辆失控”）需满足ASIL D（Automotive Safety Integrity Level D，汽车功能安全最高等级）要求。ASIL D属于“失效可能导致致命后果”的最高风险等级，其系统级随机硬件失效率需≤10FIT（即10h内不超过10次失效），单点故障覆盖率需≥99%，潜伏故障覆盖率需≥90%。

作为整车低压系统的核心供电单元，12V电池必须通过ASILD认证，以确保以下功能安全目标的实现：

（1）故障诊断能力。对电池电量、健康状态、电流等关键参数进行实时监测，并及时触发安全机制。

（2）失效容错能力。在电池发生故障时，系统仍可降级至安全状态（如执行安全靠边停车）。

因此，满足ASIL D要求的12V电池系统是L3级自动驾驶在故障发生后仍能保持基本功能与行车安全的必要条件。

由于传统铅酸体系12V电池仅能满足QM（Quality Management，不涉及功能安全）的等级要求，无法支撑ASIL D级功能安全目标，因此在L3及以上智能驾驶应用中已难以适用。目前市场上较为主流的是磷酸铁锂（LFP）体系12V电池，但其仍存在成本较高、低温性能受限等问题。

针对L3级自动驾驶对低压供电系统在功能安全、成本与环境适应性方面的综合需求，本文介绍的一种满足ASIL D要求的车载12V钠离子电池系统是以层状过渡金属氧化物为正极材料，开发钠离子软包单体电池，并通过1P4S方式集成为12V电池系统，同时内嵌PDC，构建高压电池与12V电池互补供电架构。该方案在提升系统功能安全性与容错能力的同时，显著降低了整车成本和系统体积重量，并在可扩展性、通信效率、线束长度及硬件重量等方面具有明显优势。

1 PDC介绍

在整车电气架构中，二次配电单元由一次配电装置供电，而一次配电装置本身则由低压电池供电。二次配电单元的主要功能是控制车辆关键电子控制单元（ECU）的电源分配，并直接为主要负载提供电力。

传统二次配电系统通常由继电器和熔丝盒构成，其安装位置需便于接触，以便在故障发生后进行人工维护和更换。随着整车对可靠性、诊断能力、保护功能以及集成度要求的提升，二次配电系统正逐步向电气化和智能化方向演进。

在电气化二次配电方案中，继电器与熔丝被电子开关和智能控制单元所替代，系统通常被称为二次配电单元（PDU）或PDC。PDC可布置在车辆的任意位置，甚至可安装在不可直接接触的区域，从而显著提升配电架构的灵活性和分布式程度。在区域控制架构中，PDC通常集成于区域控制单元的基础设施中，如图1所示。

图1 PDC配电模块布置位置

2 12V钠离子电池体系

钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，均通过离子在正、负极材料中的嵌入与脱出，实现可逆的氧化还原反应完成充放电过程，如图2所示。

图2 钠离子电池工作原理（上）和锂离子电池工作原理（下）

在材料构成方面，钠离子电池同样由正极、负极、电解液、隔膜和集流体等组成。与锂离子电池相比，其主要差异体现在正极、负极材料及集流体的选择上，具体差异见表1。得益于钠资源在地壳中储量丰富，且原材料（如碳酸钠、碳酸氢钠）成本较低，钠离子电池在大规模生产中具备显著的成本优势，尤其适用于对成本高度敏感的车载辅助电源系统。

在12V电池应用场景中，钠离子电池相较于锂离子电池展现出更优异的低温容量保持率和冷起动性能。在安全性能方面，钠离子电池具有较宽的电压使用窗口，在12V系统工作电压范围（9.2～14.8V）内允许过充电与过放电，并可实现零电量存储与运输而无容量损失。

从机理上看，钠离子电池正、负极均采用铝箔作为集流体，在放电过程中，钠离子从正极迁移至负极，钠与铝不会发生合金化反应，因此即使放电至0V也不会对电池结构造成损伤。相比之下，锂离子电池在低温条件下容易析出锂枝晶，导致性能衰减甚至引发内部短路风险；而钠离子电池不存在枝晶析出问题，在低温环境下具有更高的安全性与稳定性。两类电池的性能参数对比见表2。

3 钠离子电池结合PDC配电模块实现单电池L3级自动驾驶低压供电

随着智能汽车向L3级自动驾驶演进，ASIL D对车载电源系统的可靠性、稳定性及环境适应性提出了极为严苛的要求。

本文提出的车载12V钠离子电池系统与PDC配电模块相结合，构建了一种高压电池与12V电池互补供电的低压架构。该方案不仅提升了系统整体的功能安全性与容错能力，还在降低整车成本、减小系统体积重量方面具有显著优势，同时增强了系统的可扩展性，提高了通信效率，并有效减少了线束长度和硬件实体重量。

如图3所示，在该架构中，PDC配电模块作为核心控制单元，负责协调高压动力电池与12V钠离子电池之间的能量分配与转换。高压电池主要承担整车驱动与高功率负载供电，而12V钠离子电池则作为低压系统的主供电源。PDC模块具备完善的故障检测与容错能力，当高压电池或12V电池发生异常时，可快速切换供电路径，确保制动、转向和传感器等关键系统的持续供电。通过构建双路供电与冗余控制策略，该系统可在单点故障条件下维持ASIL B等级的降级运行能力，从而满足ASIL D等级对故障容错的整体要求。

图3 PDC配电模块工作原理

4 具体实施

通过“层状过渡金属氧化物正极—硬碳负极—1P4S轻量化集成”的纵向技术路线，构建了面向L3级自动驾驶的12V钠离子电池供电架构。

4.1 化学体系与单体设计

电池采用层状过渡金属氧化物正极与硬碳负极构成化学体系，其质量能量密度可达99W·h/kg，体积能量密度可达187W·h/L。单体电池为20A·h软包结构，采用铝塑膜封装。单体电池工作温度范围为40～65℃，单体电压范围为2.0～3.95V。

4.2 1P4S集成方式

4只单体电池按照1P4S拓扑结构集成为12V/20A·h电池包，其爆炸结构如图4所示。单体之间夹设1mm厚防火泡棉并通过点胶方式进行定位固定；单体电池底部灌封2mm厚导热结构胶，在满足散热需求的同时兼顾减振性能。

图4 12V电池包爆炸

5 市场空间及应用场景

传统铅酸电池存在寿命短、自放电率高、重量重且无法满足整车功能安全等级要求等固有缺陷；同时，其内部含有硫酸及重金属物质，存在环境污染风险，“禁铅令”的出台也进一步限制了其发展空间。

随着智能驾驶等级不断提升，整车对低压电网供电的安全性与可靠性要求显著提高，低压电源系统必须满足ISO 26262功能安全标准。钠离子电池凭借优异的高低温性能，与起停电池所面临的极端环境温度高度匹配，即使在发动机舱高温或北方冬季低温条件下，仍可最大限度保障车辆起停及关键系统的稳定运行，并满足整车功能安全等级需求。

与锂离子电池相比，钠离子电池在安全性、成本和低温放电性能方面更具优势，具有良好的技术可持续性和广阔的市场应用前景。

6 结束语

在智能汽车快速发展的背景下，L3级自动驾驶对车载系统的功能安全提出了前所未有的挑战。ASIL D作为ISO 26262标准中的最高等级，对车载电源系统的可靠性、稳定性和环境适应性均提出了极高要求。在此背景下，车载12V钠离子电池系统凭借其技术独创性和系统集成优势，成为满足L3级自动驾驶功能安全需求的理想解决方案。

随着L3级自动驾驶由概念验证逐步走向规模量产，ASIL D“零容错”的安全红线正将车载低压电源系统推向更加严苛的工程边界。12V钠离子电池以其本征安全、宽温域高倍率性能和长循环寿命等优势，为这一挑战提供了兼具技术突破与产业落地可行性的解决路径。

未来，随着层状氧化物—聚阴离子复合正极、硬碳—石墨梯度负极以及固态化电解质技术的持续演进，钠离子电池的能量密度有望在2027年突破140W·h/kg，成本相较磷酸铁锂体系进一步下降约20%。12V钠离子电池有望开启智能电动汽车“安全、低碳、普惠”的新阶段。

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