美国通用混合动力车用锂离子充电电池

董 辉

1 锂离子充电电池的应用

2011年3月以来，有多家网站报道了美国通用汽车公司在2010年11月洛杉矶车展上公开的新款弱混合动力车——别克君越 （Buick LaCrosse），该车于2011年8月25日上市。通用汽车决定在该车型上配备日立车辆能源制造的锂离子充电电池。

日立车辆能源供应的电池组 （亦称为蓄电池包）由32个单体电池组成的两个模块构成。电池组的电压为115 V。单体电池为日立车辆能源开发的第3代锂离子充电电池，供GM公司首次使用。单体电池的标称电压为3.6V， 能量密度为61Wh／kg。

实际上，早在2008年3月，日立集团就对外宣布，GM公司向其订购了混合动力车用锂离子电池。通用2010年全年向北美市场投放10万辆以上混合动力车，订购的电池用于这些汽车。

日立集团从20世纪90年代开始开发车用锂离子电池。在微机等设备上采用的锂电池，正极材料主要采用钴酸锂，但是日立认为钴的埋藏量较少，将来车辆会大量消耗资源，不宜选用钴化合物，而是选用了较丰富的锰作为正极的主要材料进行了开发，而今为美国的GM选用，形成了一个良好的开端。

锂离子电池发展到现阶段，因技术路线不同在全球范围内形成了两大阵营:一是以美国A123公司、Valence公司以及比亚迪为代表的磷酸铁锂电池，二是以日韩电池供应商如LG等为代表的锰酸锂电池。

在2005年之前，比能量较高的锰酸锂电池，因未解决高温安全性问题而遭遇应用瓶颈，这让国内电池行业认为选择安全性高的磷酸铁锂电池，可以让中国在动力电池上具备弯道超车的可能。然而，5年过去了，磷酸铁锂电池产品一致性差、低温性能差、高倍率放电性能差、电池制作成本高的缺点，并未得到本质改进。

此外，日本锰系电池的比能量可以达到100～120 Wh／kg， 而磷酸铁锂电池只有60 Wh／kg左右，且很难再有大的提高，这让磷酸铁锂在世界主流车企动力电池解决方案的比拼中，逐渐显露败象。而部分解决耐高温难题的锰酸锂电池，大有后来居上之势。在磷酸铁锂的诞生地美国，通用电动汽车雪佛兰Volt选择了LG北美子公司的锰系动力电池，磷酸铁锂的龙头老大A123公司却意外落选。近期又传出福特汽车也在考虑选择锰系锂电池的消息。据统计，在发布电动车量产计划的汽车跨国公司中，通用、戴姆勒、宝马、现代、三菱、PSA、雷诺都选择了锰系锂电池。

日立车辆能源公司的车用锂离子充电电池第3代产品量产线已建成，于2010年开始投产。第3代电池的功率密度是第2代产品的115%左右，达到了量产级锂离子充电电池的全球最高水平。单体电池装配线近景如图1所示，其远景如图2所示。

2 日立集团锂离子电池的特性

日立集团将自身开发的锂离子电池划分为4代，第1代装用于日本国内的各种电动汽车上，由此积累了10多年的市场经验。目前还在批量生产的第2代电池的输出密度为2600 W／kg，至2010年，市场业绩已达120万个单体电池。之后开发了混合动力车用的第3代锂离子电池，即为GM公司混合动力车所用电池。

2.1 电池的特点与性能

第2代与第3代电池的主要参数如表1所示。

表1 第2代与第3代电池的主要参数与生产现状

第3代电池的特点是输出密度高达3000 W／kg，实现了小型轻量。为了提高输出能力，在原材料的选用方面，实现了锰系列正极的锂与金属比例的最佳化。此外，在结构方面，对正负极的引线端子实施最短设计，加之改善焊接工艺实现了低电阻化。第3代单体电池的外观如图3所示。

第2代、第3代电池输入输出特性的对比如图4所示。第3代电池在SOC（State of charge，充电状态）为50%时具有3000W／kg的输出密度。

第3代电池的输出温度特性如图5所示。在-30℃的条件下SOC为50%时，仍具有300W／kg的输出密度。

第2代与第3代电池的输出温度特性与单体电池50℃的存放寿命特性如图6所示。通过大幅度改进高温存放特性，实现了电池的小型化。电池存放寿命的延长，主要是通过改善负极的电极结构与采用新型电解液添加剂来实现的。

关于厂家对锂电池的安全性要求，日立集团通过多个项目的评价进行了确认，安全性测试结果如表2所示。无论在哪一条件下测试，均没有发现破裂与起火。

表2 安全性测试结果

2.2 蓄电池包的开发

混合动力车电池系统的主要部件是由许多单体电池组成的蓄电池包。在蓄电池包上还必须设置监测各单体电池的监测系统。因此，日立集团按照GM公司的要求开发了蓄电池包。蓄电池包的外形如图7所示。由8列两层16个单体电池组成一个模块，再由两个模块组成一个蓄电池包。蓄电池包的监测装置设置在其的上部。

在设计蓄电池包时，当然对其耐振动、耐冲击等机械性能加以规定，但尤为重点的是蓄电池的温度管理。在设计过程中，通过反复模拟与实际测量，解决了在空冷结构、空冷条件下，降低整体温升与各单体电池之间温度不一致性的问题。在结构设计时，采用的是冷却风与排气槽完全分离的结构，这样，确保了紧急状况下车厢内的安全。蓄电池包内单体电池温度FEM （Finite element method，有限元法）的解析结果如图8所示。为了降低单体电池的温升、降低各单体电池之间温度的杂散性、降低通道的压力损耗，采用单体电池布置与冷却通道最佳化予以对应。

在蓄电池包的监测系统内，设置了强化自我诊断功能的专用集成电路。为了进行功能安全性评价，通过开发从单体电池的电压输入到微机的末端至末端诊断方式，实现了无冗余结构。专用集成电路采用的是一个电路监测4块或6块单体电池。蓄电池包的监测系统如图9所示。

［1］电池论坛.美国通用汽车将采用日立车辆能源制造的锂离子充电电池［OL］.http:／／club.battery.com.cn／archiver／?tid-91182.html， 2010-12-16.

［2］汽车报价网.离子发动机［充电电池展］日本车辆能源展示面向GM公司HEV的锂离子充电电池［OL］.http:／／www.bustling8.com ／viewnews-84066.html， 2011-03-15.

［3］中国电池在线.日立车辆能源展示面向GM公司HEV的锂离子充电电池［OL］.http:／／www.chinabatteryonline.com／News／ShowInfo.aspx?ID=4562， 2011-03-07.

［4］中国电动车能否实现弯道超车［OL］.http:／／www.sina.com.cn， 2010-11-22.