第十五章：汽车应用程序

时间：2025-06-01 作者：原作者：John Warner [邱新龙英译]【转载】来自：Handbook-of-lithium-ion-battery-pack-design-_-chemistry-components-types-and-terminology 阅读

用于汽车的电池将分为四个基本类别：(1)微型混合动力汽车（uhev），(2)混合动力汽车（hev），(3)插电式混合动力汽车（phev），以及(4)电池电动汽车（也可能以增程式电动汽车（EREV）甚至燃料电池EV的形式出现）。这些类别中的每一个都在第3章中简要介绍过，然而，在本章中将讨论一些具体的例子。

微混合动力电动汽车

近年来，由于对二氧化碳2减排和燃油经济性标准的要求不断提高，uHEV汽车的发展势头显著。在欧洲，这种形式的电气化已经在市场上取得了显著的渗透，超过50%的新车销售采用了某种形式的uHEV技术。基本上有两种类型的uHEV，12-V系统和48-V系统。大多数12-V系统倾向于使用铅酸电池，但在某些应用中开始转向锂离子电池解决方案。这些应用大多设计为250Wh左右的能量。这些应用程序除了停止/启动功能外，不向车辆提供任何其他支持功能（图7）。为了获得更多的电气功能，系统设计师正在转向48v型应用。这些电池的能量可能在500Wh到1kwh之间。两者之间最大的区别在于，48-V系统通常包括捕获再生制动的能力，以及提供一些最小的加速度支持，为A/C压缩机和辅助系统供电。许多预测预计，到2020年，全球市场渗透率将达到20%左右，其他预测显示，到2020年，欧洲和美国的uHEV渗透率甚至将达到70-80%以上。

目前还没有针对这类电池的一套标准，它们要么是针对车辆设计的，要么是为了适应标准铅酸电池的占地面积而设计的。一个例子是江森自控公司开发了一种“现成的”标准48v电池系统，设计用于停止/启动应用。江森自控尚未公布相关数据表，但根据他们的电池技术，我们可以估计它可能有13个串联电池和一个并联组。假设它使用PL6P或PL27P意味着它将有288Wh（48.1V×6Ah）或1.3千瓦时（48.1V×27Ah）的能量（图7）。

另一个采用启停技术的例子是奔驰，该公司目前在欧洲的大部分车型都采用铅酸电池，提供12伏启停技术，包括b级、c级、CLA、CLS、e级、g级、gl级、GLA、GLK、m级、s级、SLA、SLK和SLSAMG。

混合动力电动汽车

锂离子电池技术的下一个应用是HEV电池，它实际上可以分为两类：轻度混合动力和强混合动力。轻度混合动力通常具有较低的系统电压，在110-250V左右，而强混合动力的系统电压在330-350V范围内。第一代的混合动力汽车无论是性能较弱的还是性能较强的都使用镍氢电池，但现在很多汽车都开始转向锂离子电池。

通用汽车公司在其2010款雪佛兰迈锐宝中推出了一款基于Cobasys镍氢电池的轻度混合动力汽车。在这种情况下，Cobasys开发了一种36v风冷电池，安装在车辆的后备箱中。在第二代汽车中，通用汽车从镍氢电池过渡到锂离子电池。新的锂离子电池将系统的电压提高到110V，并提供了一些第一代没有的额外功能，包括加速支持和增强的再生制动（图8）。

强大的混合动力的最好例子是丰田普锐斯。它是当今市场上最受欢迎、销量最高的混合动力车。自推出以来，它一直使用镍氢电池，除了使用锂离子的插电式混合动力汽车外，它将继续使用镍氢电池。普锐斯HEV电池是使用镍氢电池开发的，在这种情况下，168块电池组装成28个模块，在电池组水平上提供约201V。使用6.5Ah的镍氢电池，可提供约1.3千瓦时的总能量。丰田的电池组集成了空气冷却，使用内部风扇将新鲜空气吸入电池组，并将其从另一端排出。普锐斯HEV电池重约93磅安装在汽车后座下方。下表（表1）显示了普锐斯镍氢电池的比较。

从这里你可以清楚地看到设计是如何进步的，电池组电压从最初的288V下降到刚刚超过200V。这是通过减少电池来实现的，同样从入门型号的240个电池减少到2010年型号的168个电池。此外，丰田在第二代电池组中从圆柱形镍氢电池改为棱柱形罐电池，并一直沿用这一设计。随着这项技术的巨大成功，丰田将其命名为“混合动力协同驱动”技术，现在已经将产品阵容扩展到其他几个车型和品牌（表1）。

插电式混合动力车和ev

下一种汽车电池是PHEV，我认为这是最重要的一种，即使它是目前可用的过渡性技术。在PHEV中，除了内燃机之外，最常使用的电池范围在7千瓦时到16千瓦时之间。缺点是，车辆承担了两个完整动力系统的成本，一个是电动的，一个是汽油（或柴油）的。这项技术的基本概念是，电池和电动动力系统将提供10到40英里的全电动行驶里程，一旦最初的电动行驶里程耗尽，内燃机就会参与并为电动机提供持续的动力。在这一点上，车辆开始更像传统的混合动力汽车，而不是内燃机（ICE）或电动汽车，从而继续提供比传统ICE更好的燃油经济性。这种组合为车辆驾驶员提供了与传统内燃机汽车相同的总行驶里程（图9）。

不同的原始设备制造商对在其应用中包含多少能量和因此的电动范围采取了不同的立场。几项不同的研究得出结论，大约80%的美国司机每天通勤不到40英里，所以这就是我们看到大多数原始设备制造商把重点放在PHEV上的地方——让电动续航里程达到但通常不超过40英里。例如，丰田公司（Toyota）决定推出一款续航里程相对较短的电动汽车，电动汽车的续航里程只有10英里。而通用汽车则选择了近40英里的PHEV。在这两者之间，福特选择了大约20英里的电力驱动范围。因此，根据你的日常通勤情况，有一种解决方案可以满足你的需求。

现在你可能注意到，我将两个类别合并到同一个讨论中。在这种情况下，我将把传统的插电式混合动力车和它们的近亲EREV合并在一起。在这些情况下，主要的区别在于系统是并联设计还是串联设计。这两种配置都在第3章中进行了详细的讨论，不过，在这里还是值得简单回顾一下。

在并联混合动力配置中，电动机通常被夹在传动系统中，将电动机置于直接传动系统中，而在串联配置中，ICE实际上并不直接连接到变速器，而是像发电机一样为电动机提供动力。EREV本质上总是处于电动模式，但有一个车载发电机为车轮提供持续的动力。

那么现在让我们来看看这些技术在应用中的几个例子。首先，我们将从丰田普锐斯插电式混合动力车开始。普锐斯PHEV使用的4.4千瓦时锂离子电池由丰田和松下的合资企业PrimeEarthElectricVehicle（PEVE）公司提供（绿色汽车大会，2009）。这种电池可根据温度、驾驶风格等因素，为驾驶者提供10至15英里的电驱动续航里程。使用相对较小的电池，它也可以非常快速地充电，使用240伏充电器，电池只需90分钟即可充满电，使用标准的120伏充电器只需3小时即可充满电。电池重量仅为180磅左右，安装在掀背车后部货物地板面积下方。根据美国环境保护署（EPA）的评级，普锐斯PHEV可达到每加仑95英里，每百英里耗电量约为29千瓦时。

在美国，福特汽车公司也参加了PHEV竞赛，提供了几种不同的车辆与相同的PHEV电池技术。首先是福特C-MaxEnergiPHEV，其次是福特FusionEnergi PHEV和EscapePHEV，最初计划于2012年推出，但尚未进入展厅。福特电池战略的一个方面已经在多个会议论文集和与团队的个人谈话中看到，那就是在所有这些应用中使用相同的电池。即使只是谈论通用设计，也不足以满足指令要求。为了大幅降低成本，福特的重点（双关语）是在尽可能多的应用中使用相同的电池。这将产生更高的产量，因此应该有助于更快地降低电池的成本。

福特C-MaxEnergi和福特FusionEnergi插电式混合动力车都使用由松下提供的7.6千瓦时电池组。这款纯电动汽车的续航里程约为20英里，EPA估计每100英里油耗约为37千瓦时，英里/加仑为88英里。在C-Max中，电池安装在后货舱地板下。

电池是风冷的，通过一个集成风扇吸入新鲜空气，并在两个位置排出电池组顶部的空气。福特要求使用相同电池的最大挑战是电池包装不是针对每辆车的，因此包装不一定适合所有的应用（图10）。

通用汽车（Generalmotors）的雪佛兰Volt（ChevroletVolt）就是插电式混合动力汽车（PHEV）的姊妹技术——EREV的一个例子。Volt采用LG化学的袋式电池，配备16.5千瓦时的锂离子电池组和小型内燃机，可为驾驶员提供约38英里的续航里程，每100英里使用约35千瓦时，可达到约98英里/加仑的EPA评级。Volt的电池组安装在车辆下方，以“T”形的电池组填充前传输隧道和油箱区域。GM采用了一种液体冷却的解决方案，以帮助确保快速冷却和在较冷的温度下更快地加热电池。Volt电池组由GM公司命名为“Voltec”，总共使用288个锂离子袋式电池，组装成四个模块。每个电池由一侧的塑料框架和另一侧的铝制散热片隔开。电池使用塑料互连板在模块顶部电连接，串联/并联连接器集成在该板上。Voltec包还包括在包中间的服务断开，可从乘客舱访问。为了帮助管理电池组的温度，热屏蔽绝缘覆盖在顶部的塑料盖上（图11）。

电池电动汽车

也许目前市场上最知名的全EV是由特斯拉制造的。他们推出的第一款车是敞篷跑车，第二款车是Model-S轿车。纯EV与混合动力汽车的不同之处在于，100%的动力和推进都是由电池提供的，在这些应用中，没有内燃机为车辆提供支持。

在开发电池解决方案时，特斯拉走了一条与“大型”原始设备制造商截然不同的路线。他们并没有创造一种适合汽车架构的新电池格式，而是选择使用唯一的标准锂离子形状因素，已经在大量生产每年-圆柱形18650（直径18毫米×65毫米高）作为他们的包的基础。他们的信念是，通过使用已经商品化的电池技术，将有助于使最终的汽车价格更实惠。在提供80千瓦时电池组的应用程序中，电池是迄今为止车辆中最大的成本驱动因素，因此管理电池成本至关重要。

在跑车中，特斯拉开发了一个使用6831个18650型锂离子电池的电池组。这些电池被构建成69块电池“砖”，然后其中9块砖串联起来形成“片”，11块片串联起来形成完整的电池组。特斯拉声称已经开发出了防止在热失控事件中发生级联和传播故障的组件，然而，他们并没有透露他们是如何做到这一点的，最近发生的几起事件可能会质疑这些解决方案的有效性。特斯拉跑车电池组采用了液冷设计，即使在充电时也能在整个电池组中不断循环液体，并安装在车辆存储区域的座椅后面（图12）。

特斯拉的第二款产品Model-S继续发展这项技术，将电池组增加到85千瓦时，使用7104个18650型锂离子电池。Model-S电池与其前身的不同之处在于，它被设计得非常平坦，安装在车辆下方。它只有6英寸深，从后桥到前桥，从车的一边到另一边。虽然特斯拉没有透露跑车电池的来源，但松下被确定为ModelS的锂离子电池的来源，该电池使用NCA（镍钴铝）为基础的化学物质。特斯拉为Model-S提供了60千瓦时和85千瓦时的电池（图13）。

雷诺-日产集团也推出了多种新的全电动汽车，也许最著名的和市场上销量最高的EV是日产Leaf。Leaf使用由汽车能源供应公司（AESC）设计的24千瓦时电池。锂离子电池总共使用192个袋式电池，安装在四个电池模块中。每个模块包括两个串联电池和两个并联电池。然后将这些模块堆叠并安装在电池外壳中。每个模块基本上都是密封的，没有在电池组中安装主动热管理系统。在本应用中，热管理是通过被动方式完成的，电池的热量被传递到模块的金属外壳，然后再传递到外部包外壳。

Leaf还采用了集中式电池管理系统，只有一个控制单元和一个延伸到每个模块的线束。安装在车辆外部和下方的电池组也是密封的，以防止灰尘或液体侵入（图14）。日产的姐妹公司雷诺也推出了几款全电动汽车，包括雷诺Twizy，这是一款配备6.1千瓦时锂离子电池的双人小型城市车；雷诺佐伊是一款中型四门轿车，配备22千瓦时的锂离子电池；和雷诺Kangoo货车装有22千瓦时锂离子电池。雷诺在电动汽车上做了一件有趣的事情，那就是把电池作为一个单独的月度服务协议来提供，以保持汽车的低成本。最初，所有的日产和雷诺电动汽车都使用AESC电池，然而，在最近的一份声明中，雷诺-日产集团将开始寻找外部电池公司，以继续推动电池的商品化和降低成本（Ciferri,2014）（图15）。

福特还在福克斯电动汽车中引入了一款全电动汽车。福克斯电动汽车最初由麦格纳E-Car使用LG化学设计的23千瓦时液冷电池从内燃机集成到电动汽车。这种电池在这个应用中有点不寻常，因为它是分成两个独立的盒子。一个安装在后座下面，第二个安装在后备箱里。通过使用液冷热管理系统，福特能够非常紧密地控制两个电池组的温度。此外，通过使用液冷溶液，他们既可以在冬季加热电池，也可以在夏季冷却电池（图16）。

通用汽车公司也推出了一款名为雪佛兰Spark的全电动小型车。Spark最初使用的是A123设计的21.3千瓦时纳米磷酸盐锂离子电池。然而，在2014年的车型中，电池组由LG化学的美国子公司CompactPower完全重新设计。新的电池组件也被引入了“内部”，由通用汽车公司在其布朗斯敦的装配厂与Volt电池一起生产。新电池的容量略低，约为19千瓦时，但声称与原来的电池续航里程相同。这一变化使通用汽车能够在电池和模块设计上实现通用化，以帮助降低电池成本（Voelcker,2014）。虽然电池单元和控制装置可能是相同的，但为了将电池包装在Spark中，电池组组件被完全重新设计。锂离子电池安装在车辆下方，位于后排座椅下方和后方储物区下方（图17）。