美國通用混合動(dòng)力車用鋰離子充電電池

董 輝

1 鋰離子充電電池的應(yīng)用

2011年3月以來，有多家網(wǎng)站報(bào)道了美國通用汽車公司在2010年11月洛杉磯車展上公開的新款弱混合動(dòng)力車——?jiǎng)e克君越 （Buick LaCrosse），該車于2011年8月25日上市。通用汽車決定在該車型上配備日立車輛能源制造的鋰離子充電電池。

日立車輛能源供應(yīng)的電池組 （亦稱為蓄電池包）由32個(gè)單體電池組成的兩個(gè)模塊構(gòu)成。電池組的電壓為115 V。單體電池為日立車輛能源開發(fā)的第3代鋰離子充電電池，供GM公司首次使用。單體電池的標(biāo)稱電壓為3.6V， 能量密度為61Wh／kg。

實(shí)際上，早在2008年3月，日立集團(tuán)就對外宣布，GM公司向其訂購了混合動(dòng)力車用鋰離子電池。通用2010年全年向北美市場投放10萬輛以上混合動(dòng)力車，訂購的電池用于這些汽車。

日立集團(tuán)從20世紀(jì)90年代開始開發(fā)車用鋰離子電池。在微機(jī)等設(shè)備上采用的鋰電池，正極材料主要采用鈷酸鋰，但是日立認(rèn)為鈷的埋藏量較少，將來車輛會(huì)大量消耗資源，不宜選用鈷化合物，而是選用了較豐富的錳作為正極的主要材料進(jìn)行了開發(fā)，而今為美國的GM選用，形成了一個(gè)良好的開端。

鋰離子電池發(fā)展到現(xiàn)階段，因技術(shù)路線不同在全球范圍內(nèi)形成了兩大陣營:一是以美國A123公司、Valence公司以及比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池，二是以日韓電池供應(yīng)商如LG等為代表的錳酸鋰電池。

在2005年之前，比能量較高的錳酸鋰電池，因未解決高溫安全性問題而遭遇應(yīng)用瓶頸，這讓國內(nèi)電池行業(yè)認(rèn)為選擇安全性高的磷酸鐵鋰電池，可以讓中國在動(dòng)力電池上具備彎道超車的可能。然而，5年過去了，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品一致性差、低溫性能差、高倍率放電性能差、電池制作成本高的缺點(diǎn)，并未得到本質(zhì)改進(jìn)。

此外，日本錳系電池的比能量可以達(dá)到100～120 Wh／kg， 而磷酸鐵鋰電池只有60 Wh／kg左右，且很難再有大的提高，這讓磷酸鐵鋰在世界主流車企動(dòng)力電池解決方案的比拼中，逐漸顯露敗象。而部分解決耐高溫難題的錳酸鋰電池，大有后來居上之勢。在磷酸鐵鋰的誕生地美國，通用電動(dòng)汽車雪佛蘭Volt選擇了LG北美子公司的錳系動(dòng)力電池，磷酸鐵鋰的龍頭老大A123公司卻意外落選。近期又傳出福特汽車也在考慮選擇錳系鋰電池的消息。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)布電動(dòng)車量產(chǎn)計(jì)劃的汽車跨國公司中，通用、戴姆勒、寶馬、現(xiàn)代、三菱、PSA、雷諾都選擇了錳系鋰電池。

日立車輛能源公司的車用鋰離子充電電池第3代產(chǎn)品量產(chǎn)線已建成，于2010年開始投產(chǎn)。第3代電池的功率密度是第2代產(chǎn)品的115%左右，達(dá)到了量產(chǎn)級鋰離子充電電池的全球最高水平。單體電池裝配線近景如圖1所示，其遠(yuǎn)景如圖2所示。

2 日立集團(tuán)鋰離子電池的特性

日立集團(tuán)將自身開發(fā)的鋰離子電池劃分為4代，第1代裝用于日本國內(nèi)的各種電動(dòng)汽車上，由此積累了10多年的市場經(jīng)驗(yàn)。目前還在批量生產(chǎn)的第2代電池的輸出密度為2600 W／kg，至2010年，市場業(yè)績已達(dá)120萬個(gè)單體電池。之后開發(fā)了混合動(dòng)力車用的第3代鋰離子電池，即為GM公司混合動(dòng)力車所用電池。

2.1 電池的特點(diǎn)與性能

第2代與第3代電池的主要參數(shù)如表1所示。

表1 第2代與第3代電池的主要參數(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)狀

第3代電池的特點(diǎn)是輸出密度高達(dá)3000 W／kg，實(shí)現(xiàn)了小型輕量。為了提高輸出能力，在原材料的選用方面，實(shí)現(xiàn)了錳系列正極的鋰與金屬比例的最佳化。此外，在結(jié)構(gòu)方面，對正負(fù)極的引線端子實(shí)施最短設(shè)計(jì)，加之改善焊接工藝實(shí)現(xiàn)了低電阻化。第3代單體電池的外觀如圖3所示。

第2代、第3代電池輸入輸出特性的對比如圖4所示。第3代電池在SOC（State of charge，充電狀態(tài)）為50%時(shí)具有3000W／kg的輸出密度。

第3代電池的輸出溫度特性如圖5所示。在-30℃的條件下SOC為50%時(shí)，仍具有300W／kg的輸出密度。

第2代與第3代電池的輸出溫度特性與單體電池50℃的存放壽命特性如圖6所示。通過大幅度改進(jìn)高溫存放特性，實(shí)現(xiàn)了電池的小型化。電池存放壽命的延長，主要是通過改善負(fù)極的電極結(jié)構(gòu)與采用新型電解液添加劑來實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)于廠家對鋰電池的安全性要求，日立集團(tuán)通過多個(gè)項(xiàng)目的評價(jià)進(jìn)行了確認(rèn)，安全性測試結(jié)果如表2所示。無論在哪一條件下測試，均沒有發(fā)現(xiàn)破裂與起火。

表2 安全性測試結(jié)果

2.2 蓄電池包的開發(fā)

混合動(dòng)力車電池系統(tǒng)的主要部件是由許多單體電池組成的蓄電池包。在蓄電池包上還必須設(shè)置監(jiān)測各單體電池的監(jiān)測系統(tǒng)。因此，日立集團(tuán)按照GM公司的要求開發(fā)了蓄電池包。蓄電池包的外形如圖7所示。由8列兩層16個(gè)單體電池組成一個(gè)模塊，再由兩個(gè)模塊組成一個(gè)蓄電池包。蓄電池包的監(jiān)測裝置設(shè)置在其的上部。

在設(shè)計(jì)蓄電池包時(shí)，當(dāng)然對其耐振動(dòng)、耐沖擊等機(jī)械性能加以規(guī)定，但尤為重點(diǎn)的是蓄電池的溫度管理。在設(shè)計(jì)過程中，通過反復(fù)模擬與實(shí)際測量，解決了在空冷結(jié)構(gòu)、空冷條件下，降低整體溫升與各單體電池之間溫度不一致性的問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是冷卻風(fēng)與排氣槽完全分離的結(jié)構(gòu)，這樣，確保了緊急狀況下車廂內(nèi)的安全。蓄電池包內(nèi)單體電池溫度FEM （Finite element method，有限元法）的解析結(jié)果如圖8所示。為了降低單體電池的溫升、降低各單體電池之間溫度的雜散性、降低通道的壓力損耗，采用單體電池布置與冷卻通道最佳化予以對應(yīng)。

在蓄電池包的監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)置了強(qiáng)化自我診斷功能的專用集成電路。為了進(jìn)行功能安全性評價(jià)，通過開發(fā)從單體電池的電壓輸入到微機(jī)的末端至末端診斷方式，實(shí)現(xiàn)了無冗余結(jié)構(gòu)。專用集成電路采用的是一個(gè)電路監(jiān)測4塊或6塊單體電池。蓄電池包的監(jiān)測系統(tǒng)如圖9所示。

［1］電池論壇.美國通用汽車將采用日立車輛能源制造的鋰離子充電電池［OL］.http:／／club.battery.com.cn／archiver／?tid-91182.html， 2010-12-16.

［2］汽車報(bào)價(jià)網(wǎng).離子發(fā)動(dòng)機(jī)［充電電池展］日本車輛能源展示面向GM公司HEV的鋰離子充電電池［OL］.http:／／www.bustling8.com ／viewnews-84066.html， 2011-03-15.

［3］中國電池在線.日立車輛能源展示面向GM公司HEV的鋰離子充電電池［OL］.http:／／www.chinabatteryonline.com／News／ShowInfo.aspx?ID=4562， 2011-03-07.

［4］中國電動(dòng)車能否實(shí)現(xiàn)彎道超車［OL］.http:／／www.sina.com.cn， 2010-11-22.