日本混合動(dòng)力汽車鋰電池應(yīng)用調(diào)研

1、司首次配備鋰電池的混合動(dòng)力車。隨后在5月份，豐田上市了以“普銳斯”為原型、擴(kuò)大了室內(nèi)空間的HEV旅行車“普銳斯。普銳斯有7座款和5座款兩種車型，其中7座款采用了鋰電池。 豐田除了在2003年上市的“威姿”怠速停止機(jī)構(gòu)車型上作為發(fā)動(dòng)機(jī)重啟電源采用了鋰電池外，還在2009年12月限量上市的插電式混合動(dòng)力車（PHEV）“普銳斯插電式混合動(dòng)力”上配備了鋰電池。但在量產(chǎn)型混合動(dòng)力車的動(dòng)力用途上采用鋰電池還是首次。小型輕量化是鋰電池魅力所在日產(chǎn)汽車已經(jīng)于2010年11月上市了配備鋰電池的HEV“風(fēng)雅混合動(dòng)力車”。日本的三大汽車廠商在2010年底至2011年上半年期間相繼上市了配備鋰電池的HEV（表）。與N

2、i-MH充電電池相比，鋰電池的魅力在于可實(shí)現(xiàn)電池的小型、輕量化。三公司在HEV上采用的鋰電池，均為每單元的電壓為3.6V，是單元電壓1.2V的Ni-MH充電電池的3倍。另外，鋰電池與Ni-MH充電電池相比，正極和負(fù)極的活性物質(zhì)容易以較薄的厚度涂布在極板上，由此可降低內(nèi)部電阻。電動(dòng)汽車（EV）使用的電池，可利用這一特點(diǎn)來提高重量能源密度，作為HEV的電池也可用來提高輸出密度。此次各公司在HEV上配備的鋰電池的單位重量輸出密度為35504000W/kg，比原來的Ni-MH電池的約1200W/kg提高到了約3倍以上（表）。也就是說，僅從數(shù)值來看，輸出功率相同時(shí)，電池的重量就可以減小至1/3。另外，表

3、中雖沒有給出單位體積的輸出密度，但如果輸出功率相同，則鋰電池的體積也可縮小至Ni-MH充電電池的一半以下。不過，在實(shí)際商品中如何發(fā)揮這些特性，此次三家公司的思路完全不同。日產(chǎn)為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力性能和燃效，采用了“輸出重視型”電池；而豐田需要在有限的空間內(nèi)配備電池，因此采用了“小型輕量化”的設(shè)計(jì)；本田則采用了在實(shí)現(xiàn)電池小型輕量化的還能提高輸出功率的“均衡型”。下面看一下三家公司電池的實(shí)際情況。同時(shí)，IPU尺寸未變 本田的新款思域混合動(dòng)力車上的IPU（Intelligent Power Unit）集電池、逆變器及DC-DC轉(zhuǎn)換器等為一體，其尺寸與用于原思域混合動(dòng)力車的IPU相同（圖1）。新款思域混合動(dòng)力

4、車是該公司首款使用鋰電池的車型，采用了重視車輛碰撞時(shí)安全性的設(shè)計(jì)。同時(shí)還考慮到了萬一開發(fā)時(shí)間出現(xiàn)延誤，可立即替換為原來使用Ni-MH電池的IPU。不過，正如下文將要觸及的，內(nèi)置的鋰電池比原來的Ni-MH充電電池大幅實(shí)現(xiàn)了小型輕量化。 圖1：新款“思域混合動(dòng)力車”的IPU（Intelligent Power Unit）集成有充電電池、逆變器和DC-DC轉(zhuǎn)換器等。尺寸與原來的思域混合動(dòng)力車IPU相同。負(fù)責(zé)新款思域混合動(dòng)力車混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)的本田技術(shù)研究所汽車研發(fā)中心第3技術(shù)開發(fā)室第2部主任研究員藤木有司就采用鋰電池的理由，提到了“兼顧燃效和動(dòng)力性能”的特點(diǎn)。新款思域混合動(dòng)力車不但較老款提高了燃效，

5、還確保了動(dòng)力性能，本田將發(fā)動(dòng)機(jī)排量由原來的1.3L提高到了1.5L。但排量增加會(huì)導(dǎo)致燃效降低。為彌補(bǔ)這一點(diǎn)，通過提高電池和馬達(dá)的輸出功率，加大了馬達(dá)的輔助量以及制動(dòng)時(shí)的能源回收量。新款思域混合動(dòng)力車的市區(qū)燃效、高速燃效及混合模式燃效均為44英里/加侖（18.7km/L），與原思域混合動(dòng)力車的40、43、41英里/加侖（17.0、18.3、17.4km/L）相比，混合模式燃效提高了7，“實(shí)現(xiàn)了轎車中的頂級(jí)燃效”（藤木）。同時(shí)，動(dòng)力性能也“”（藤木）。電池成本與原來相同 本田在思域混合動(dòng)力車上采用的鋰電池是外殼材質(zhì)使用鋁（Al）合金的方形單元，正極采用Li（Co-Ni-Mn）O2（鈷·鎳

6、·錳酸鋰）3元類材料（圖2）。負(fù)極材料采用硬碳（Hard Carbon）。單元由本田與GS Yuasa Power Supply（GS湯淺的全資子公司）的合資建立的Blue Energy公司生產(chǎn)。上部可以看見集電極鋰電池的正極材料采用了個(gè)人電腦電池等使用的LiCoO2（鈷酸鋰）類正極材料。但還存在能源密度正逐漸接近極限以及成本較高等問題。 雖然成本更低的LiNiO2（鎳酸鋰）類正極材料可實(shí)現(xiàn)電池的高容量化，但存在熱穩(wěn)定性較低的問題。LiMnO2（錳酸鋰）類材料具有成本低、熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，但容量小和高溫保存特性低又是其難題。將這三種材料相混合，調(diào)整比例，以獲得所需特性，這就是3元類正

7、極材料。 一個(gè)鋰電池單元的電壓為3.6V，思域混合動(dòng)力車通過串聯(lián)40個(gè)這種單元組成電池組，獲得了144V的電壓。比原思域混合動(dòng)力車的電池組串聯(lián)132個(gè)輸出電壓為1.2V的Ni-MH（鎳氫）充電電池單元獲得的158.4V輸出電壓要低。新款思域的電力容量也由原款的908.5Wh降至676.8Wh，減少了25左右（圖3）。不過，由于單元的輸出密度增加，新款車電池組的最大輸出功率由原來的15kW提高了33，達(dá)到20kW。雖然大幅削減了單元數(shù)量，但馬達(dá)輸出功率由原來的15kW提高到了17kW（能量再生時(shí)的輸出功率為20kW）。另外削減單元數(shù)量在成本方面也有好處?！半m然單元的成本比較高，但由于削減了單元數(shù)

8、量，因此電池的總成本與原來相同”（藤木）。鋰電池提高了輸出功率，由于使用的單元數(shù)量較少，與其他電池組相比，還大幅實(shí)現(xiàn)了小型輕量化。新款電池組的重量為22kg，體積為16L，與原來的31kg、25L相比，重量減輕29，體積縮小36（圖3）。 圖3：思域混合動(dòng)力車新舊電池組的比較新款思域混合動(dòng)力車的電池將輸出功率提高了33，體積削減了36。在鋰電池的使用上讓人花費(fèi)精力的是逆變器等外圍電路。由于電池的內(nèi)部電阻較低，短路電流是Ni-MH充電電池的10倍。因此，開發(fā)初期還發(fā)生了“外圍電路的開關(guān)全部溶解”（本田的藤木）的事故。所以，目前使用的部件全部都根據(jù)鋰電池特性做了變更。當(dāng)然，電池內(nèi)部電阻越低越好。因

9、為隨著充放電而產(chǎn)生的熱量會(huì)隨之減少。包括電池組在內(nèi)的IPU內(nèi)部，雖通過循環(huán)空氣加以冷卻，但“此前是電池產(chǎn)生的熱量較大，而新款車則是逆變器的散熱成了需要重點(diǎn)解決的課題”（藤木）。日產(chǎn)重視輸出功率 比本田更加重視輸出功率而采用鋰電池的是日產(chǎn)。日產(chǎn)EV技術(shù)開發(fā)本部EV能源開發(fā)部電池設(shè)計(jì)小組主管平井敏郎就“風(fēng)雅混合動(dòng)力車”采用鋰電池的理由說道，“除了混合動(dòng)力車順暢的行駛感外，還希望實(shí)現(xiàn)踩踏油門瞬間的強(qiáng)力加速感以及出色的高速燃效”。日產(chǎn)電池單元的特點(diǎn)是，在3家公司中唯一采用了層壓型（圖4）。層壓型單元采用將正極材料、隔膜和負(fù)極材料積層的構(gòu)造，外裝容器使用鋁和樹脂薄膜。順便一提，本田和豐田的單元是將較長(zhǎng)的

10、正極、隔膜和負(fù)極疊繞并收納在金屬容器內(nèi)形成的方形單元。 圖4：“風(fēng)雅混合動(dòng)力車”電池組的構(gòu)造通過層疊12個(gè)封裝有8個(gè)層壓型單元的模塊構(gòu)成電池組。還集成了電池控制器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和12V的電池托盤等。層壓型單元可減薄厚度，因此表面積較大，在冷卻性能方面具有優(yōu)勢(shì)，而且可增加從正負(fù)極獲取電流的電極寬度，因此適合實(shí)現(xiàn)電池的高輸出功率。實(shí)際配備于車輛時(shí)，是先將八個(gè)單元疊放在金屬容器內(nèi)形成電池模塊，“風(fēng)雅混合動(dòng)力車”共配備了12個(gè)這種模塊。由于單元在模塊內(nèi)緊密重疊，單元的熱量從端子和模塊外殼散發(fā)。使用寬端子的層壓型單元不僅能實(shí)現(xiàn)低電阻化，還有利于散熱。據(jù)日產(chǎn)介紹，風(fēng)雅混合動(dòng)力車的混合動(dòng)力系統(tǒng)“對(duì)電池輸

11、出功率的要求較高”（日產(chǎn)的平井）。原因有多個(gè)。一個(gè)是，風(fēng)雅混合動(dòng)力車的混合動(dòng)力系統(tǒng)沒有配備變矩器。風(fēng)雅混合動(dòng)力車的系統(tǒng)與思域混合動(dòng)力車相同，是在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間配置馬達(dá)的單馬達(dá)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，與思域混合動(dòng)力車的不同之處是在發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)之間設(shè)置了離合器 。電流的輸入輸出量達(dá)到4倍,同樣，在發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)之間配置離合器的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)還有德國大眾（Volkswagen）的“途銳”和保時(shí)捷（Porsche）“Cayenne”的HEV，兩款車除了離合器外，還保留了原來配備于變速箱上的變矩器，這是其與風(fēng)雅混合動(dòng)力車的不同之處。 踩下離合器時(shí)的沖擊無法用變矩器吸收，風(fēng)雅混合動(dòng)力車是通過瞬間提高和降低馬

12、達(dá)扭矩，來抑制劇烈的扭矩變動(dòng)的。由于需要瞬間提高馬達(dá)扭矩的控制，因此電池也要求具備相應(yīng)的輸出特性。 另一個(gè)對(duì)輸出特性要求高的理由，是為了兼顧燃效和輸出功率。日產(chǎn)為實(shí)現(xiàn)踩踏油門瞬間的強(qiáng)力加速感，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中組合使用了排量3.5L的V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)?！盀榱嗽谶@種系統(tǒng)構(gòu)造下也能提高燃效，提高了馬達(dá)行駛的頻率，所以電池的電流輸入輸出量較大”（日產(chǎn)的平井）。根據(jù)日產(chǎn)的評(píng)估，與配備豐田公司混合動(dòng)力系統(tǒng)的“Altima Hybrid”相比，風(fēng)雅混合動(dòng)力車需要約4倍的電流輸入輸出量（圖5）。 圖5：風(fēng)雅混合動(dòng)力車和Altima Hybrid的電流輸入輸出量比較風(fēng)雅混合動(dòng)力車（紅線）的累計(jì)輸入輸出量約為Alt

13、ima Hybrid（藍(lán)線）的4倍。風(fēng)雅混合動(dòng)力車的電池容量為1.4kWh，與普銳斯的Ni-MH充電電池（1.31kWh）相當(dāng)。如果采用輸出密度高的鋰電池，即使減小容量也可獲得同等以上的輸出功率，因此可以減小容量。反過來說，由此可以得知風(fēng)雅混合動(dòng)力車有多重視輸出功率，并為此配備了大型鋰電池。此次混合動(dòng)力系統(tǒng)的電流輸入輸出要比原來的混合動(dòng)力系統(tǒng)高，因此存在電池溫度容易升高的問題。電池組的冷卻系統(tǒng)從后座后方獲取車內(nèi)空氣，并送至電池組內(nèi)。冷風(fēng)通過模塊之間的微小縫隙自上向下流動(dòng)，確保了冷卻性能（圖6）。圖6：電池組的冷卻系統(tǒng)從上部獲得的空氣由上而下流過電池組進(jìn)行冷卻。DC-DC轉(zhuǎn)換器上設(shè)置了專用冷卻路

14、徑。日產(chǎn)層壓型單元的正極材料使用了LiMnO2也是其特點(diǎn)之一。Mn類正極材料與Co和Ni相比資源儲(chǔ)量多，在成本方面有優(yōu)勢(shì)。另外，LiMnO2的熱穩(wěn)定性較高，對(duì)過充電的耐性較強(qiáng)，因此還具備安全性出色的優(yōu)點(diǎn)。不過，正如上文提到的一樣，在能源密度方面存在短處。因此，日產(chǎn)還添加了Ni，不過沒有公布添加量。日產(chǎn)在不同于輸出功率重視型混合動(dòng)力車電池的容量重視型電動(dòng)汽車（EV）的電池上，也采用了Mn類正極材料。日產(chǎn)的EV“LEAF”（中國名：聆風(fēng)）使用的電池與風(fēng)雅混合動(dòng)力車的電池相比，通過在極板上厚厚地涂布正負(fù)極活性物質(zhì)，提高了能量密度，其密度是HEV電池的約2倍。電池的構(gòu)造看上去是簡(jiǎn)單的層壓型單元，其實(shí)為

15、達(dá)到量產(chǎn)水平花費(fèi)很多工夫。以封裝技術(shù)為例，在將端子露出外部的部分，當(dāng)用薄膜從兩側(cè)夾住時(shí)，端子旁邊的部分只略微打開一個(gè)三角形縫隙。為此開發(fā)了用樹脂封裝的技術(shù)。另外在電氣串聯(lián)各單元的構(gòu)造中，需要接合Al和Cu兩種不同的金屬，為此又開發(fā)出了以超聲波接合的技術(shù)。區(qū)分使用Ni-MH和鋰離子電池 豐田的普銳斯尤其重視電池的小型化，因此采用了鋰電池。普銳斯備有5座款和7座款，5座款與普通的普銳斯一樣，在后座后方的后備箱地板下面配備了Ni-MH充電電池。不過，在這個(gè)位置配置電池，就無法設(shè)置7座車的第三排座椅。因此，7座款將電池組設(shè)置在了駕駛席和副駕駛席之間的中控臺(tái)內(nèi)（圖7）。要想在這個(gè)位置設(shè)置所需容量的電池，

16、Ni-MH充電電池是無法實(shí)現(xiàn)的。 圖7：7座款“普銳斯”的電池配備位置內(nèi)置于駕駛席和副駕駛席之間的中控臺(tái)內(nèi)?！皢渭兙蛦卧M(jìn)行比較的話，鋰離子電池的重量和容積都是Ni-MH充電電池的一半左右，但由于鋰離子電池重視安全性，外殼等使用了更加厚實(shí)的材料，因此比較電池組的話，重量和體積只減少了2成左右”×56201.6V，與5座款Ni-MH充電電池的電池組電壓完全相同。不過，Ni-MH充電電池的電流容量為6.5Ah，而鋰電池較小，只有5Ah，Ni-MH充電電池的電池組電力容量為1.31kWh，而鋰電池只有1.0kWh。 圖8：7座款普銳斯的鋰電池組分上下兩層積層配備28個(gè)方形單元的電池組。與思

17、域混合動(dòng)力車和風(fēng)雅混合動(dòng)力車不同，普銳斯重視與Ni-MH充電電池的兼容性，沒有將鋰電池的輸出特性用于提高動(dòng)力性能。加速性能等也控制在與Ni-MH充電電池相同的水平。令人意外的是，逆變器的外圍電路也與Ni-MH充電電池通用，據(jù)稱還與普銳斯通用。在新款思域混合動(dòng)力車中，本田曾被迫變更了逆變器等。由此推測(cè)，現(xiàn)有普銳斯的外圍電路在設(shè)計(jì)時(shí)極有可能考慮到了將來用于鋰電池的情況。普銳斯配備的鋰電池，正極采用以LiNiO2為主要成分的NCA類材料。這是因?yàn)長(zhǎng)iNiO2在能源密度方面具有優(yōu)勢(shì)，但在熱穩(wěn)定性方面存在課題的結(jié)果。豐田在確保安全性方面下了很大力氣。具體做法為，在正極形成了溫度升高、電阻會(huì)隨之增加的導(dǎo)電性樹脂聚合物PTC（Positive Temperature Coefficient）層，在負(fù)極上形成了具有高耐熱性的“HRL（Heat Resistance Layer）”陶瓷層（圖9）。另外，基于傳感器的單元狀態(tài)監(jiān)控也做了多重配置，“徹底確保了安全性”（豐田的真野）。圖9：普銳斯