四種類型的鋰離子汽車電池應(yīng)用

鋰離子汽車電池——鋰離子電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為四類：①微型混合動力電動汽車（uHEV）；②混合動力電動汽車；③插電式混合動力電動汽車（PHEV）；④純電動汽車，包括增程電動汽車或燃料電池電動汽車。

 

微型混合動力電動汽車

混合動力電動汽車

近年來，由于二氧化碳的減少和燃油經(jīng)濟性標準，微型混合動力汽車的銷量大幅增長，歐洲50%以上的新車都采用了與微型混合動力相關(guān)的技術(shù)。微型混合動力電動汽車基本上是外部12V和48V系統(tǒng)。大多數(shù)12V系統(tǒng)都是基于鉛酸電池，但正在逐漸轉(zhuǎn)向鋰離子汽車電池，大多數(shù)蒸汽設(shè)計為250Wh。在這些應(yīng)用中，當(dāng)電池除了停止和啟動之外沒有其他功能時，48-v鋰離子汽車電池系統(tǒng)可以有更多的功能，主要是在500wh和1000Wh。

48V和12v鋰離子電池系統(tǒng)的區(qū)別在于，48V微型混合動力電動汽車具有捕獲再生制動、提供動力以及提供空調(diào)壓縮機和輔助系統(tǒng)所需的能量。

微型混合動力車沒有系統(tǒng)的標準，設(shè)計師根據(jù)車輛特性或鉛酸電池尺寸設(shè)計鋰離子汽車電池組。江森自控使用現(xiàn)成的標準48V電池作為汽車的啟停電池。該公司尚未公布其汽車電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，但根據(jù)電池工藝，推測13個串聯(lián)和并聯(lián)的電池是PL6P或PL27P，能量分別為288 Wh（48.1V和6Ah）和1.3 kWh（48.1V和27Ah）。

 

 

梅賽德斯-奔馳系列汽車采用12V系統(tǒng)，鉛酸電池作為電源。在歐洲，該系列使用類似的系統(tǒng)，包括B、C、CLA、CLS、E、G、GL、GLA、GLK.M、S、SLA.SLK和SLS AMG。

 

插電式混合動力電動汽車和增程電動汽車

鋰離子汽車電池也廣泛應(yīng)用于混合動力電動汽車中?；旌蟿恿ζ嚪譃閮煞N類型：輕型混合動力汽車和強混合動力汽車。輕型混合動力電動汽車蓄電池電壓較低，一般為110~250V；強混合動力電動汽車的電池電壓為330-350V。這兩種混合動力汽車在第一代中都使用了鎳金屬氫化物電池，但正在逐漸向鋰離子汽車電池發(fā)展。

通用汽車于2010年推出雪佛蘭邁銳寶，由Cobasys制造的鎳氫電池供電，安裝在汽車后備箱，采用36伏空氣冷卻技術(shù)。在第二代中，通用電氣用鋰離子汽車電池取代了nimH電池，將系統(tǒng)電壓提高到110 V，并提供了一些新功能，包括加速和增強的捕獲再生制動功能。

強勁的混合動力電動汽車最好的例子是豐田普銳斯，它是當(dāng)前市場上最受歡迎和最占主導(dǎo)地位的混合動力汽車。普銳斯僅由鎳金屬氫化物電池供電，只有普銳斯插電式混合動力車使用鋰離子汽車電池。普銳斯鎳氫電池由168個6.5 Ah電池組成，組裝成28個模塊，提供201 V電壓和1.3 KWH能量。豐田的汽車使用空氣冷卻系統(tǒng)，通過內(nèi)置風(fēng)扇將空氣吸入電池組，并在另一端排出。

普銳斯混合動力車的電池重42公斤，安裝在后座下面。表中比較了不同普銳斯混合動力電動汽車的電池。表中顯示了該設(shè)計如何通過將電池數(shù)量從第一代模塊的240個減少到第四代模塊的168個，將電壓從288 V減少到200 V。此外，豐田從第二代開始就將圓柱形電池更換為方形電池，并一直保持到今天。隨著這項技術(shù)的成功，豐田將其命名為“混合動力共驅(qū)”，目前已推廣到其他電動汽車和品牌。

 

接下來我們將討論插電式混合動力汽車。盡管插電式混合動力車通常被認為是純電動汽車的過渡形式，但我個人認為它們?nèi)匀环浅Ｖ匾?。在插電式混合動力電動汽車中，?nèi)燃機和電池同時安裝，電池能量一般為7-16kwh。缺點是它包含兩個動力系統(tǒng)，一個鋰離子汽車電池系統(tǒng)和一個內(nèi)燃機。

 

 

這項技術(shù)的基本原理是電池及其動力系統(tǒng)提供16-64公里的全電動驅(qū)動。當(dāng)電池能量耗盡時，內(nèi)燃機將開始工作并繼續(xù)提供動力。此時，插電式混合動力汽車既不是純內(nèi)燃機，也不是純電動汽車，就像傳統(tǒng)的混合動力汽車一樣。這也提高了燃油經(jīng)濟性，并為燃油車提供了相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程。

 

不同的鋰離子電池公司對插電式混合動力車的電池功率和續(xù)航里程有不同的想法。一些研究得出結(jié)論，大約80%的美國司機每天上下班的路程不到64公里，這就是為什么插電式混合動力車的續(xù)航里程一直在增加到64公里以下。豐田通常提供約16公里的較短電動行駛里程；通用汽車設(shè)計的電動行駛里程約為64公里；福特選擇了20公里的電動續(xù)航里程。用戶可以根據(jù)平均每日里程數(shù)選擇不同的車型。

 

增程電動汽車與插電式混合動力電動汽車非常相似。主要區(qū)別在于這兩個電力系統(tǒng)是并聯(lián)設(shè)計還是串聯(lián)設(shè)計，這將在這里進行討論。

插電式混合動力電動汽車采用并聯(lián)配置，電動汽車由內(nèi)燃機或鋰離子汽車電池直接供電。增程電動汽車是串聯(lián)制造的。內(nèi)燃機實際上并沒有直接連接到變速器，就像發(fā)電機用來為電動汽車提供動力一樣。當(dāng)電池電量不足時，發(fā)動機用于發(fā)電，為電池充電并在最佳速度范圍內(nèi)運行，電池為直接驅(qū)動車輛的電動機提供能量。增程車本質(zhì)上是電動汽車的模型，但有額外的發(fā)動機和發(fā)電機。

 

以下是一些增程電動汽車的例子。豐田prius插電式汽車使用4.4千瓦時的鋰離子汽車電池，由豐田和松下的合資企業(yè)Prime Earth Electric Vehicle提供，續(xù)航里程為16至24公里，具體取決于穩(wěn)定性、駕駛風(fēng)格和其他因素。由于電池相對較小，可以快速充電，240V充電器只需90分鐘，120V充電器只需要3小時。電池重約80公斤，安裝在行李箱中。根據(jù)環(huán)境保護研究所的數(shù)據(jù)，prius插件每升汽油可行駛40公里，每160公里消耗約29千瓦時。

 

在美國，福特汽車公司使用相同的鋰離子汽車電池技術(shù)為不同類型的電動汽車提供動力。第一款是福特C-Max Energi插電式電動汽車，其次是定于2012年發(fā)布的福特Fusion Energi（第三代Escape自2012年推出以來一直是美國SUV月銷量第一的車型）。為了降低電池價格，福特試圖盡可能使用相同的電池系統(tǒng)。作者通過與福特團隊的會面證實了這一事實。這使得福特系列電動汽車的市場份額更高，電池成本降低得更快。

 

福特C-Max Energi和Fusion Energi插電式混合動力車由松下公司的7.6千瓦時電池組提供動力，續(xù)航里程約32公里，每升汽油續(xù)航里程約37公里，160公里油耗約37千瓦時。在C-MAX系統(tǒng)中，鋰離子汽車電池組安裝在行李箱中，帶有空氣冷卻系統(tǒng)和風(fēng)扇作為空氣輸送裝置，從鋰離子汽車蓄電池組的頂部向側(cè)面排放。福特使用完全相同的電池組的設(shè)備面臨的最大挑戰(zhàn)是，電池并不是專門為每輛車組裝的，因此組裝不一定能很好地匹配所有應(yīng)用。

 

 

增程電動汽車最好的例子是通用汽車公司的雪佛蘭Volt。結(jié)合LG化學(xué)16.5KWh的鋰離子汽車電池組和一臺小型內(nèi)燃機，Volt的續(xù)航里程約為60公里，每升汽油的續(xù)航里程為35公里，160公里的能耗約為35千瓦時。

Volt的鋰離子汽車電池組安裝在汽車底部，呈t形，位于前驅(qū)動軸和油箱區(qū)域；液體冷卻用于確保電池能夠在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ?，而不會過熱或冷卻。Volt電池組品牌為“Voltec”，由四個模塊中的288個柔性鋰離子汽車電池組成。每個電池由一側(cè)的塑料環(huán)和另一側(cè)的鋁制散熱器隔離。

電池的電極接線片串聯(lián)或并聯(lián)連接到模塊的頂部。Voltec電池組中間有一個中斷裝置，可以從乘客艙操作。為了控制電池串的溫度，鋰離子汽車電池串用隔熱材料包裹。

 

純電動汽車

目前，市場上最熟悉的純電動汽車品牌是特斯拉。第一款車型是跑車，第二代S型乘用車是后來開發(fā)的。純電動汽車與混合動力汽車的不同之處在于，它們100%由電池供電，沒有內(nèi)燃機。

在電池系統(tǒng)方面，特斯拉與其他制造商完全不同。它沒有試圖從電池組的角度解決安全問題和降低電池組的復(fù)雜性，而是采用了已經(jīng)量產(chǎn)的標準18650鋰離子柱電池。它是迄今為止技術(shù)成熟度最高的鋰離子電池，其成本很容易被消費者接受。但同時，鋰離子汽車電池組是最大的成本因素，例如一個包含約7000個電池的80kWh電池組，因此控制電池成本極其重要。

在跑車中，特斯拉的鋰離子汽車電池組總共使用6831個18650電池。每69個電池組被組裝成一塊“磚”，9塊磚串聯(lián)起來形成一塊“片”，11塊片串聯(lián)起來形成鋰離子汽車電池組。

 

特斯拉聲稱，它已經(jīng)開發(fā)出一種能夠防止熱失控事故蔓延的電池組，但沒有透露確切的過程。然而，近年來發(fā)生的一些事故使人們對這些過程的可靠性產(chǎn)生了懷疑。特斯拉跑車使用液體冷卻系統(tǒng)來持續(xù)控制電池組的溫度，電池組安裝在汽車后座并存放在行李箱中。

特斯拉的Moder-s鋰離子汽車電池組提高到85千瓦時，使用7104個18650電池。與第一代不同，第二代電池組非常扁平。這款鋰離子汽車電池只有15厘米高，安裝在汽車底部，從汽車的后部到前軸以及從汽車的左側(cè)到右側(cè)跨度很大。Roadster沒有提供電池電源，S型使用松下的NCA18650電池，該電池有60kWh和85kWh兩個系統(tǒng)。

 

雷諾日產(chǎn)推出了多種純電動汽車，其中最著名和最暢銷的是日產(chǎn)Leaf。Leaf使用由日產(chǎn)和NEC合資的汽車能源供應(yīng)公司（AESC）提供的24千瓦時鋰離子汽車電池組。該包裝由192個袋狀電池組成，每組四個，兩個串聯(lián)，兩個并聯(lián)。

模塊是堆疊的，每個模塊都是單獨密封的，并且使用被動熱管理系統(tǒng)將熱量從核心傳遞到模塊的金屬外層再傳遞到電池組的外層。Leaf的電池管理系統(tǒng)是集中管理的，每個模塊通過線束連接一個控制單元。鋰離子汽車電池組安裝在汽車底部，有一個整體密封，旨在防止灰塵和液體進入。

日產(chǎn)的Leaf姊妹公司雷諾發(fā)布了多款純電動汽車，包括雷諾Twizy，這是一款由6.1千瓦時鋰離子汽車電池供電的小型城市雙人汽車；雷諾Zoe是一款中型四門轎車，由22千瓦時的鋰離子汽車電池供電；

雷諾Kangoo Van由22千瓦時鋰離子電池供電，是雷諾電動汽車更有趣的功能之一，雷諾電動汽車享受雷諾的電池更換服務(wù)，消費者可以在雷諾Quickdrop服務(wù)站用新電池更換耗盡的電池。最初，所有日產(chǎn)和雷諾電動汽車都使用AESC電池，但最近尋找新的電池供應(yīng)商已經(jīng)開始降低價格。

 

福特發(fā)布了一款名為?？怂沟募冸妱悠嚕畛跤蓛?nèi)燃機系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為麥格納E-Car純電動系統(tǒng)。其23千瓦時的液冷鋰離子汽車電池動力系統(tǒng)是通過LG化學(xué)設(shè)計的23千瓦時液冷電池將內(nèi)燃機更換為電動驅(qū)動而集成的。

這種不同尋常的電池系統(tǒng)設(shè)計，裝在兩個單獨的盒子里。其中一個盒子安裝在后座下面，第二個盒子則安裝在行李箱中。液冷式熱管理系統(tǒng)確保兩個電池串的溫度幾乎相同。此外，通過使用液冷系統(tǒng)解決方案，電池在冬季和夏季都能保持在合適的溫度。

通用汽車還發(fā)布了一款全電動小型汽車雪佛蘭Spark，該車最初由A123的21.3kWh磷酸鐵鋰電池組供電，但在其2014車型中，電池組件完全由LG化學(xué)的美國公司重新組裝。

電池組裝也在通用汽車公司在Brownstone地區(qū)的Volt電池旁邊建造的組裝廠進行“準內(nèi)部”組裝。新型鋰離子汽車電池組的容量略低，約為19千瓦時，但兩者都符合與原電池相同續(xù)航里程的要求。這一變化使通用電氣能夠推廣電池和模塊設(shè)計，以幫助降低電池成本。盡管電池的電力和控制系統(tǒng)可能相同，但為了在Spark內(nèi)組裝電池，電池組的組裝過程被完全重新設(shè)計。鋰離子汽車電池組安裝在車輛下方，如后座和行李箱下方。

 

燃料電池電動汽車

能源生產(chǎn)和運輸行業(yè)另一個潛在的游戲規(guī)則改變者是燃料電池。燃料電池使用聚合物電解質(zhì)膜（質(zhì)子交換膜），并使用氫氣作為燃料源，再加上空氣中的氧氣來發(fā)電。它們實際上是發(fā)電機，但通常需要相對較小的負載能量儲備，以確保電力的持續(xù)供應(yīng)，從而使FCV通電。通過使用燃料電池集成儲能系統(tǒng)，可以通過添加更大的電池來減小儲氫罐的尺寸。鋰離子汽車電池還允許車輛補償再生制動中的能量。

 

 

大多數(shù)汽車制造商已經(jīng)在研發(fā)燃料電池汽車。本田推出了搭載288V鋰離子汽車電池的本田FCX Clarity燃料電池汽車。同樣，現(xiàn)代汽車推出了一款采用188V鋰離子汽車電池的Tuscon燃料電池汽車。通用汽車引入了最新的燃料電池技術(shù)并計劃實現(xiàn)量產(chǎn)，而豐田、寶馬、梅賽德斯-奔馳、馬自達、菲亞特、奧迪、日產(chǎn)和大眾都開始開發(fā)燃料電池汽車。

 

燃料電池也被用于大規(guī)模儲能領(lǐng)域，甚至在一些國家或地區(qū)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。在日本，小型燃料電池經(jīng)常被用作家用備用電源。

盡管許多制造商正在開發(fā)燃料電池，但它們可能還需要一段時間才能全面使用。燃料電池技術(shù)發(fā)展迅速。工業(yè)應(yīng)用的主要問題是如何建設(shè)氧氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施。只有發(fā)展好氫能供應(yīng)，燃料電池才能在實際應(yīng)用中得到人們的關(guān)注。

以上所有這些都是相對較大的汽車動力電池。在廣泛的應(yīng)用場景中，鋰離子電池也經(jīng)常被用作高爾夫球車電池，為輕型車輛提供動力。