日本混合动力汽车锂电池应用调研

1、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。普锐斯有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N

2、i-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35504000W/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

3、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。同时，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、逆变器及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

4、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，

5、还确保了动力性能，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“”（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

6、·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。上部可以看见集电极锂电池的正极材料采用了个人电脑电池等使用的LiCoO2（钴酸锂）类正极材料。但还存在能源密度正逐渐接近极限以及成本较高等问题。 虽然成本更低的LiNiO2（镍酸锂）类正极材料可实现电池的高容量化，但存在热稳定性较低的问题。LiMnO2（锰酸锂）类材料具有成本低、热稳定性高的优点，但容量小和高温保存特性低又是其难题。将这三种材料相混合，调整比例，以获得所需特性，这就是3元类正

7、极材料。 一个锂电池单元的电压为3.6V，思域混合动力车通过串联40个这种单元组成电池组，获得了144V的电压。比原思域混合动力车的电池组串联132个输出电压为1.2V的Ni-MH（镍氢）充电电池单元获得的158.4V输出电压要低。新款思域的电力容量也由原款的908.5Wh降至676.8Wh，减少了25左右（图3）。不过，由于单元的输出密度增加，新款车电池组的最大输出功率由原来的15kW提高了33，达到20kW。虽然大幅削减了单元数量，但马达输出功率由原来的15kW提高到了17kW（能量再生时的输出功率为20kW）。另外削减单元数量在成本方面也有好处。“虽然单元的成本比较高，但由于削减了单元数

8、量，因此电池的总成本与原来相同”（藤木）。锂电池提高了输出功率，由于使用的单元数量较少，与其他电池组相比，还大幅实现了小型轻量化。新款电池组的重量为22kg，体积为16L，与原来的31kg、25L相比，重量减轻29，体积缩小36（图3）。 图3：思域混合动力车新旧电池组的比较新款思域混合动力车的电池将输出功率提高了33，体积削减了36。在锂电池的使用上让人花费精力的是逆变器等外围电路。由于电池的内部电阻较低，短路电流是Ni-MH充电电池的10倍。因此，开发初期还发生了“外围电路的开关全部溶解”（本田的藤木）的事故。所以，目前使用的部件全部都根据锂电池特性做了变更。当然，电池内部电阻越低越好。因

9、为随着充放电而产生的热量会随之减少。包括电池组在内的IPU内部，虽通过循环空气加以冷却，但“此前是电池产生的热量较大，而新款车则是逆变器的散热成了需要重点解决的课题”（藤木）。日产重视输出功率 比本田更加重视输出功率而采用锂电池的是日产。日产EV技术开发本部EV能源开发部电池设计小组主管平井敏郎就“风雅混合动力车”采用锂电池的理由说道，“除了混合动力车顺畅的行驶感外，还希望实现踩踏油门瞬间的强力加速感以及出色的高速燃效”。日产电池单元的特点是，在3家公司中唯一采用了层压型（图4）。层压型单元采用将正极材料、隔膜和负极材料积层的构造，外装容器使用铝和树脂薄膜。顺便一提，本田和丰田的单元是将较长的

10、正极、隔膜和负极叠绕并收纳在金属容器内形成的方形单元。 图4：“风雅混合动力车”电池组的构造通过层叠12个封装有8个层压型单元的模块构成电池组。还集成了电池控制器、DC-DC转换器和12V的电池托盘等。层压型单元可减薄厚度，因此表面积较大，在冷却性能方面具有优势，而且可增加从正负极获取电流的电极宽度，因此适合实现电池的高输出功率。实际配备于车辆时，是先将八个单元叠放在金属容器内形成电池模块，“风雅混合动力车”共配备了12个这种模块。由于单元在模块内紧密重叠，单元的热量从端子和模块外壳散发。使用宽端子的层压型单元不仅能实现低电阻化，还有利于散热。据日产介绍，风雅混合动力车的混合动力系统“对电池输

11、出功率的要求较高”（日产的平井）。原因有多个。一个是，风雅混合动力车的混合动力系统没有配备变矩器。风雅混合动力车的系统与思域混合动力车相同，是在发动机和变速箱之间配置马达的单马达并联混合动力系统，与思域混合动力车的不同之处是在发动机和马达之间设置了离合器 。电流的输入输出量达到4倍,同样，在发动机和马达之间配置离合器的并联混合动力系统还有德国大众（Volkswagen）的“途锐”和保时捷（Porsche）“Cayenne”的HEV，两款车除了离合器外，还保留了原来配备于变速箱上的变矩器，这是其与风雅混合动力车的不同之处。 踩下离合器时的冲击无法用变矩器吸收，风雅混合动力车是通过瞬间提高和降低马

12、达扭矩，来抑制剧烈的扭矩变动的。由于需要瞬间提高马达扭矩的控制，因此电池也要求具备相应的输出特性。 另一个对输出特性要求高的理由，是为了兼顾燃效和输出功率。日产为实现踩踏油门瞬间的强力加速感，在混合动力系统中组合使用了排量3.5L的V型6缸发动机。“为了在这种系统构造下也能提高燃效，提高了马达行驶的频率，所以电池的电流输入输出量较大”（日产的平井）。根据日产的评估，与配备丰田公司混合动力系统的“Altima Hybrid”相比，风雅混合动力车需要约4倍的电流输入输出量（图5）。 图5：风雅混合动力车和Altima Hybrid的电流输入输出量比较风雅混合动力车（红线）的累计输入输出量约为Alt

13、ima Hybrid（蓝线）的4倍。风雅混合动力车的电池容量为1.4kWh，与普锐斯的Ni-MH充电电池（1.31kWh）相当。如果采用输出密度高的锂电池，即使减小容量也可获得同等以上的输出功率，因此可以减小容量。反过来说，由此可以得知风雅混合动力车有多重视输出功率，并为此配备了大型锂电池。此次混合动力系统的电流输入输出要比原来的混合动力系统高，因此存在电池温度容易升高的问题。电池组的冷却系统从后座后方获取车内空气，并送至电池组内。冷风通过模块之间的微小缝隙自上向下流动，确保了冷却性能（图6）。图6：电池组的冷却系统从上部获得的空气由上而下流过电池组进行冷却。DC-DC转换器上设置了专用冷却路

14、径。日产层压型单元的正极材料使用了LiMnO2也是其特点之一。Mn类正极材料与Co和Ni相比资源储量多，在成本方面有优势。另外，LiMnO2的热稳定性较高，对过充电的耐性较强，因此还具备安全性出色的优点。不过，正如上文提到的一样，在能源密度方面存在短处。因此，日产还添加了Ni，不过没有公布添加量。日产在不同于输出功率重视型混合动力车电池的容量重视型电动汽车（EV）的电池上，也采用了Mn类正极材料。日产的EV“LEAF”（中国名：聆风）使用的电池与风雅混合动力车的电池相比，通过在极板上厚厚地涂布正负极活性物质，提高了能量密度，其密度是HEV电池的约2倍。电池的构造看上去是简单的层压型单元，其实为

15、达到量产水平花费很多工夫。以封装技术为例，在将端子露出外部的部分，当用薄膜从两侧夹住时，端子旁边的部分只略微打开一个三角形缝隙。为此开发了用树脂封装的技术。另外在电气串联各单元的构造中，需要接合Al和Cu两种不同的金属，为此又开发出了以超声波接合的技术。区分使用Ni-MH和锂离子电池 丰田的普锐斯尤其重视电池的小型化，因此采用了锂电池。普锐斯备有5座款和7座款，5座款与普通的普锐斯一样，在后座后方的后备箱地板下面配备了Ni-MH充电电池。不过，在这个位置配置电池，就无法设置7座车的第三排座椅。因此，7座款将电池组设置在了驾驶席和副驾驶席之间的中控台内（图7）。要想在这个位置设置所需容量的电池，

16、Ni-MH充电电池是无法实现的。 图7：7座款“普锐斯”的电池配备位置内置于驾驶席和副驾驶席之间的中控台内。“单纯就单元进行比较的话，锂离子电池的重量和容积都是Ni-MH充电电池的一半左右，但由于锂离子电池重视安全性，外壳等使用了更加厚实的材料，因此比较电池组的话，重量和体积只减少了2成左右”×56201.6V，与5座款Ni-MH充电电池的电池组电压完全相同。不过，Ni-MH充电电池的电流容量为6.5Ah，而锂电池较小，只有5Ah，Ni-MH充电电池的电池组电力容量为1.31kWh，而锂电池只有1.0kWh。 图8：7座款普锐斯的锂电池组分上下两层积层配备28个方形单元的电池组。与思

17、域混合动力车和风雅混合动力车不同，普锐斯重视与Ni-MH充电电池的兼容性，没有将锂电池的输出特性用于提高动力性能。加速性能等也控制在与Ni-MH充电电池相同的水平。令人意外的是，逆变器的外围电路也与Ni-MH充电电池通用，据称还与普锐斯通用。在新款思域混合动力车中，本田曾被迫变更了逆变器等。由此推测，现有普锐斯的外围电路在设计时极有可能考虑到了将来用于锂电池的情况。普锐斯配备的锂电池，正极采用以LiNiO2为主要成分的NCA类材料。这是因为LiNiO2在能源密度方面具有优势，但在热稳定性方面存在课题的结果。丰田在确保安全性方面下了很大力气。具体做法为，在正极形成了温度升高、电阻会随之增加的导电性树脂聚合物PTC（Positive Temperature Coefficient）层，在负极上形成了具有高耐热性的“HRL（Heat Resistance Layer）”陶瓷层（图9）。另外，基于传感器的单元状态监控也做了多重配置，“彻底确保了安全性”（丰田的真野）。图9：普锐斯