混合動力車進入鋰離子時代(中)
鋰電池的正極材料采用了個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,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元類正極材料。
一個鋰電池單元的電壓為3.6V,思域混合動力車通過串聯(lián)40個這種單元組成電池組,獲得了144V的電壓。比原思域混合動力車的電池組串聯(lián)132個輸出電壓為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%,達到20kW。雖然大幅削減了單元數(shù)量,但馬達輸出功率由原來的15kW提高到了17kW(能量再生時的輸出功率為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)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:思域混合動力車新舊電池組的比較
新款思域混合動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。
當然,電池內(nèi)部電阻越低越好。因為隨著充放電而產(chǎn)生的熱量會隨之減少。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技術開發(fā)本部EV能源開發(fā)部電池設計小組主管平井敏郎就“風雅混合動力車”采用鋰電池的理由說道,“除了混合動力車順暢的行駛感外,還希望實現(xiàn)踩踏油門瞬間的強力加速感以及出色的高速燃效”。
日產(chǎn)電池單元的特點是,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、隔膜和負極材料積層的構造,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的正極、隔膜和負極疊繞并收納在金屬容器內(nèi)形成的方形單元。
圖4:“風雅混合動力車”電池組的構造
通過層疊12個封裝有8個層壓型單元的模塊構成電池組。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,而且可增加從正負極獲取電流的電極寬度,因此適合實現(xiàn)電池的高輸出功率。實際配備于車輛時,是先將八個單元疊放在金屬容器內(nèi)形成電池模塊,“風雅混合動力車”共配備了12個這種模塊。
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現(xiàn)低電阻化,還有利于散熱。
據(jù)日產(chǎn)介紹,風雅混合動力車的混合動力系統(tǒng)“對電池輸出功率的要求較高”(日產(chǎn)的平井)。原因有多個。一個是,風雅混合動力車的混合動力系統(tǒng)沒有配備變矩器。風雅混合動力車的系統(tǒng)與思域混合動力車相同,是在發(fā)動機和變速箱之間配置馬達的單馬達并聯(lián)混合動力系統(tǒng),與思域混合動力車的不同之處是在發(fā)動機和馬達之間設置了離合器。
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