混合动力车进入锂离子时代(上)

2011-08-25 17:08:27来源: 技术在线
  混合动力车(HEV)采用锂离子充电电池(以下简称锂电池)的趋势开始扩展开来。锂电池与以往的镍氢(Ni-MH)电池相比可实现小型轻量之外,还可提高电池的输出功率,由此增加HEV的动力性能正是锂电池的魅力所在。虽还存在成本高的课题,但近来已下降到了与Ni-MH电池相当的程度,促使汽车厂商加速采用。

  本田在2011年4月举行的纽约车展上,发布了第9代新款“思域”。新款思域目前尚无在日本上市的计划,但其之所以备受关注,是因为该车的混合动力款——思域混合动力车是该公司首次配备锂电池的混合动力车。

  随后在5月份,丰田上市了以“普锐斯”为原型、扩大了室内空间的HEV旅行车“普锐斯α”。普锐斯α有7座款和5座款两种车型,其中7座款采用了锂电池。

  丰田除了在2003年上市的“威姿”怠速停止机构车型上作为发动机重启电源采用了锂电池外,还在2009年12月限量上市的插电式混合动力车(PHEV)“普锐斯插电式混合动力”上配备了锂电池。但在量产型混合动力车的动力用途上采用锂电池还是首次。

小型轻量化是锂电池魅力所在

  日产汽车已经于2010年11月上市了配备锂电池的HEV“风雅混合动力车”。日本的三大汽车厂商在2010年底至2011年上半年期间相继上市了配备锂电池的HEV(表)。

  与Ni-MH充电电池相比,锂电池的魅力在于可实现电池的小型、轻量化。三公司在HEV上采用的锂电池,均为每单元的电压为3.6V,是单元电压1.2V的Ni-MH充电电池的3倍。另外,锂电池与Ni-MH充电电池相比,正极和负极的活性物质容易以较薄的厚度涂布在极板上,由此可降低内部电阻。电动汽车(EV)使用的电池,可利用这一特点来提高重量能源密度,作为HEV的电池也可用来提高输出密度。

  此次各公司在HEV上配备的锂电池的单位重量输出密度为3550~4000W/kg,比原来的Ni-MH电池的约1200W/kg提高到了约3倍以上(表)。也就是说,仅从数值来看,输出功率相同时,电池的重量就可以减小至1/3。另外,表中虽没有给出单位体积的输出密度,但如果输出功率相同,则锂电池的体积也可缩小至Ni-MH充电电池的一半以下。

  不过,在实际商品中如何发挥这些特性,此次三家公司的思路完全不同。日产为实现高动力性能和燃效,采用了“输出重视型”电池;而丰田需要在有限的空间内配备电池,因此采用了“小型轻量化”的设计;本田则采用了在实现电池小型轻量化的同时,还能提高输出功率的“均衡型”。下面看一下三家公司电池的实际情况。

IPU尺寸未变

  本田的新款思域混合动力车上的IPU(Intelligent Power Unit)集电池、逆变器DC-DC转换器等为一体,其尺寸与用于原思域混合动力车的IPU相同(图1)。新款思域混合动力车是该公司首款使用锂电池的车型,采用了重视车辆碰撞时安全性的设计。同时还考虑到了万一开发时间出现延误,可立即替换为原来使用Ni-MH电池的IPU。不过,正如下文将要触及的,内置的锂电池比原来的Ni-MH充电电池大幅实现了小型轻量化。

 
图1:新款“思域混合动力车”的IPU(Intelligent Power Unit)
集成有充电电池、逆变器和DC-DC转换器等。尺寸与原来的思域混合动力车IPU相同。

  负责新款思域混合动力车混合动力系统开发的本田技术研究所汽车研发中心第3技术开发室第2部主任研究员藤木有司就采用锂电池的理由,提到了“兼顾燃效和动力性能”的特点。

  新款思域混合动力车不但较老款提高了燃效,还确保了动力性能,不必再辩解说“因为是混合动力车,所以……”。为此本田将发动机排量由原来的1.3L提高到了1.5L。但排量增加会导致燃效降低。为弥补这一点,通过提高电池和马达的输出功率,加大了马达的辅助量以及制动时的能源回收量。

  新款思域混合动力车的市区燃效、高速燃效及混合模式燃效均为44英里/加仑(18.7km/L),与原思域混合动力车的40、43、41英里/加仑(17.0、18.3、17.4km/L)相比,混合模式燃效提高了7%,“实现了轿车中的顶级燃效”(藤木)。同时,动力性能也“不输给2.0L发动机车”(藤木)。

电池成本与原来相同

  本田在思域混合动力车上采用的锂电池是外壳材质使用铝(Al)合金的方形单元,正极采用Li(Co-Ni-Mn)O2(钴·镍·锰酸锂)3元类材料(图2)。负极材料采用硬碳(Hard Carbon)。单元由本田与GS Yuasa Power Supply(GS汤浅的全资子公司)的合资建立的Blue Energy公司生产。


图2:新款思域混合动力车使用的方形单元
上部可以看见集电极。

关键字:混合动力  混合动力车  动力  动力车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0825/article_4275.html
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