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四种类型的锂离子汽车电池应用

锂离子汽车电池——锂离子电池在汽车领域的应用主要分为四类：①微型混合动力电动汽车（uHEV）；②混合动力电动汽车；③插电式混合动力电动汽车（PHEV）；④纯电动汽车，包括增程电动汽车或燃料电池电动汽车。

 

微型混合动力电动汽车

混合动力电动汽车

近年来，由于二氧化碳的减少和燃油经济性标准，微型混合动力汽车的销量大幅增长，欧洲50%以上的新车都采用了与微型混合动力相关的技术。微型混合动力电动汽车基本上是外部12V和48V系统。大多数12V系统都是基于铅酸电池，但正在逐渐转向锂离子汽车电池，大多数蒸汽设计为250Wh。在这些应用中，当电池除了停止和启动之外没有其他功能时，48-v锂离子汽车电池系统可以有更多的功能，主要是在500wh和1000Wh。

48V和12v锂离子电池系统的区别在于，48V微型混合动力电动汽车具有捕获再生制动、提供动力以及提供空调压缩机和辅助系统所需的能量。

微型混合动力车没有系统的标准，设计师根据车辆特性或铅酸电池尺寸设计锂离子汽车电池组。江森自控使用现成的标准48V电池作为汽车的启停电池。该公司尚未公布其汽车电池系统的数据，但根据电池工艺，推测13个串联和并联的电池是PL6P或PL27P，能量分别为288 Wh（48.1V和6Ah）和1.3 kWh（48.1V和27Ah）。

 

 

梅赛德斯-奔驰系列汽车采用12V系统，铅酸电池作为电源。在欧洲，该系列使用类似的系统，包括B、C、CLA、CLS、E、G、GL、GLA、GLK.M、S、SLA.SLK和SLS AMG。

 

插电式混合动力电动汽车和增程电动汽车

锂离子汽车电池也广泛应用于混合动力电动汽车中。混合动力汽车分为两种类型：轻型混合动力汽车和强混合动力汽车。轻型混合动力电动汽车蓄电池电压较低，一般为110~250V；强混合动力电动汽车的电池电压为330-350V。这两种混合动力汽车在第一代中都使用了镍金属氢化物电池，但正在逐渐向锂离子汽车电池发展。

通用汽车于2010年推出雪佛兰迈锐宝，由Cobasys制造的镍氢电池供电，安装在汽车后备箱，采用36伏空气冷却技术。在第二代中，通用电气用锂离子汽车电池取代了nimH电池，将系统电压提高到110 V，并提供了一些新功能，包括加速和增强的捕获再生制动功能。

强劲的混合动力电动汽车最好的例子是丰田普锐斯，它是当前市场上最受欢迎和最占主导地位的混合动力汽车。普锐斯仅由镍金属氢化物电池供电，只有普锐斯插电式混合动力车使用锂离子汽车电池。普锐斯镍氢电池由168个6.5 Ah电池组成，组装成28个模块，提供201 V电压和1.3 KWH能量。丰田的汽车使用空气冷却系统，通过内置风扇将空气吸入电池组，并在另一端排出。

普锐斯混合动力车的电池重42公斤，安装在后座下面。表中比较了不同普锐斯混合动力电动汽车的电池。表中显示了该设计如何通过将电池数量从第一代模块的240个减少到第四代模块的168个，将电压从288 V减少到200 V。此外，丰田从第二代开始就将圆柱形电池更换为方形电池，并一直保持到今天。随着这项技术的成功，丰田将其命名为“混合动力共驱”，目前已推广到其他电动汽车和品牌。

 

接下来我们将讨论插电式混合动力汽车。尽管插电式混合动力车通常被认为是纯电动汽车的过渡形式，但我个人认为它们仍然非常重要。在插电式混合动力电动汽车中，内燃机和电池同时安装，电池能量一般为7-16kwh。缺点是它包含两个动力系统，一个锂离子汽车电池系统和一个内燃机。

 

 

这项技术的基本原理是电池及其动力系统提供16-64公里的全电动驱动。当电池能量耗尽时，内燃机将开始工作并继续提供动力。此时，插电式混合动力汽车既不是纯内燃机，也不是纯电动汽车，就像传统的混合动力汽车一样。这也提高了燃油经济性，并为燃油车提供了相当的续航里程。

 

不同的锂离子电池公司对插电式混合动力车的电池功率和续航里程有不同的想法。一些研究得出结论，大约80%的美国司机每天上下班的路程不到64公里，这就是为什么插电式混合动力车的续航里程一直在增加到64公里以下。丰田通常提供约16公里的较短电动行驶里程；通用汽车设计的电动行驶里程约为64公里；福特选择了20公里的电动续航里程。用户可以根据平均每日里程数选择不同的车型。

 

增程电动汽车与插电式混合动力电动汽车非常相似。主要区别在于这两个电力系统是并联设计还是串联设计，这将在这里进行讨论。

插电式混合动力电动汽车采用并联配置，电动汽车由内燃机或锂离子汽车电池直接供电。增程电动汽车是串联制造的。内燃机实际上并没有直接连接到变速器，就像发电机用来为电动汽车提供动力一样。当电池电量不足时，发动机用于发电，为电池充电并在最佳速度范围内运行，电池为直接驱动车辆的电动机提供能量。增程车本质上是电动汽车的模型，但有额外的发动机和发电机。

 

以下是一些增程电动汽车的例子。丰田prius插电式汽车使用4.4千瓦时的锂离子汽车电池，由丰田和松下的合资企业Prime Earth Electric Vehicle提供，续航里程为16至24公里，具体取决于稳定性、驾驶风格和其他因素。由于电池相对较小，可以快速充电，240V充电器只需90分钟，120V充电器只需要3小时。电池重约80公斤，安装在行李箱中。根据环境保护研究所的数据，prius插件每升汽油可行驶40公里，每160公里消耗约29千瓦时。

 

在美国，福特汽车公司使用相同的锂离子汽车电池技术为不同类型的电动汽车提供动力。第一款是福特C-Max Energi插电式电动汽车，其次是定于2012年发布的福特Fusion Energi（第三代Escape自2012年推出以来一直是美国SUV月销量第一的车型）。为了降低电池价格，福特试图尽可能使用相同的电池系统。作者通过与福特团队的会面证实了这一事实。这使得福特系列电动汽车的市场份额更高，电池成本降低得更快。

 

福特C-Max Energi和Fusion Energi插电式混合动力车由松下公司的7.6千瓦时电池组提供动力，续航里程约32公里，每升汽油续航里程约37公里，160公里油耗约37千瓦时。在C-MAX系统中，锂离子汽车电池组安装在行李箱中，带有空气冷却系统和风扇作为空气输送装置，从锂离子汽车蓄电池组的顶部向侧面排放。福特使用完全相同的电池组的设备面临的最大挑战是，电池并不是专门为每辆车组装的，因此组装不一定能很好地匹配所有应用。

 

 

增程电动汽车最好的例子是通用汽车公司的雪佛兰Volt。结合LG化学16.5KWh的锂离子汽车电池组和一台小型内燃机，Volt的续航里程约为60公里，每升汽油的续航里程为35公里，160公里的能耗约为35千瓦时。

Volt的锂离子汽车电池组安装在汽车底部，呈t形，位于前驱动轴和油箱区域；液体冷却用于确保电池能够在适当的温度下工作，而不会过热或冷却。Volt电池组品牌为“Voltec”，由四个模块中的288个柔性锂离子汽车电池组成。每个电池由一侧的塑料环和另一侧的铝制散热器隔离。

电池的电极接线片串联或并联连接到模块的顶部。Voltec电池组中间有一个中断装置，可以从乘客舱操作。为了控制电池串的温度，锂离子汽车电池串用隔热材料包裹。

 

纯电动汽车

目前，市场上最熟悉的纯电动汽车品牌是特斯拉。第一款车型是跑车，第二代S型乘用车是后来开发的。纯电动汽车与混合动力汽车的不同之处在于，它们100%由电池供电，没有内燃机。

在电池系统方面，特斯拉与其他制造商完全不同。它没有试图从电池组的角度解决安全问题和降低电池组的复杂性，而是采用了已经量产的标准18650锂离子柱电池。它是迄今为止技术成熟度最高的锂离子电池，其成本很容易被消费者接受。但同时，锂离子汽车电池组是最大的成本因素，例如一个包含约7000个电池的80kWh电池组，因此控制电池成本极其重要。

在跑车中，特斯拉的锂离子汽车电池组总共使用6831个18650电池。每69个电池组被组装成一块“砖”，9块砖串联起来形成一块“片”，11块片串联起来形成锂离子汽车电池组。

 

特斯拉声称，它已经开发出一种能够防止热失控事故蔓延的电池组，但没有透露确切的过程。然而，近年来发生的一些事故使人们对这些过程的可靠性产生了怀疑。特斯拉跑车使用液体冷却系统来持续控制电池组的温度，电池组安装在汽车后座并存放在行李箱中。

特斯拉的Moder-s锂离子汽车电池组提高到85千瓦时，使用7104个18650电池。与第一代不同，第二代电池组非常扁平。这款锂离子汽车电池只有15厘米高，安装在汽车底部，从汽车的后部到前轴以及从汽车的左侧到右侧跨度很大。Roadster没有提供电池电源，S型使用松下的NCA18650电池，该电池有60kWh和85kWh两个系统。

 

雷诺日产推出了多种纯电动汽车，其中最著名和最畅销的是日产Leaf。Leaf使用由日产和NEC合资的汽车能源供应公司（AESC）提供的24千瓦时锂离子汽车电池组。该包装由192个袋状电池组成，每组四个，两个串联，两个并联。

模块是堆叠的，每个模块都是单独密封的，并且使用被动热管理系统将热量从核心传递到模块的金属外层再传递到电池组的外层。Leaf的电池管理系统是集中管理的，每个模块通过线束连接一个控制单元。锂离子汽车电池组安装在汽车底部，有一个整体密封，旨在防止灰尘和液体进入。

日产的Leaf姊妹公司雷诺发布了多款纯电动汽车，包括雷诺Twizy，这是一款由6.1千瓦时锂离子汽车电池供电的小型城市双人汽车；雷诺Zoe是一款中型四门轿车，由22千瓦时的锂离子汽车电池供电；

雷诺Kangoo Van由22千瓦时锂离子电池供电，是雷诺电动汽车更有趣的功能之一，雷诺电动汽车享受雷诺的电池更换服务，消费者可以在雷诺Quickdrop服务站用新电池更换耗尽的电池。最初，所有日产和雷诺电动汽车都使用AESC电池，但最近寻找新的电池供应商已经开始降低价格。

 

福特发布了一款名为福克斯的纯电动汽车，最初由内燃机系统转换为麦格纳E-Car纯电动系统。其23千瓦时的液冷锂离子汽车电池动力系统是通过LG化学设计的23千瓦时液冷电池将内燃机更换为电动驱动而集成的。

这种不同寻常的电池系统设计，装在两个单独的盒子里。其中一个盒子安装在后座下面，第二个盒子则安装在行李箱中。液冷式热管理系统确保两个电池串的温度几乎相同。此外，通过使用液冷系统解决方案，电池在冬季和夏季都能保持在合适的温度。

通用汽车还发布了一款全电动小型汽车雪佛兰Spark，该车最初由A123的21.3kWh磷酸铁锂电池组供电，但在其2014车型中，电池组件完全由LG化学的美国公司重新组装。

电池组装也在通用汽车公司在Brownstone地区的Volt电池旁边建造的组装厂进行“准内部”组装。新型锂离子汽车电池组的容量略低，约为19千瓦时，但两者都符合与原电池相同续航里程的要求。这一变化使通用电气能够推广电池和模块设计，以帮助降低电池成本。尽管电池的电力和控制系统可能相同，但为了在Spark内组装电池，电池组的组装过程被完全重新设计。锂离子汽车电池组安装在车辆下方，如后座和行李箱下方。

 

燃料电池电动汽车

能源生产和运输行业另一个潜在的游戏规则改变者是燃料电池。燃料电池使用聚合物电解质膜（质子交换膜），并使用氢气作为燃料源，再加上空气中的氧气来发电。它们实际上是发电机，但通常需要相对较小的负载能量储备，以确保电力的持续供应，从而使FCV通电。通过使用燃料电池集成储能系统，可以通过添加更大的电池来减小储氢罐的尺寸。锂离子汽车电池还允许车辆补偿再生制动中的能量。

 

 

大多数汽车制造商已经在研发燃料电池汽车。本田推出了搭载288V锂离子汽车电池的本田FCX Clarity燃料电池汽车。同样，现代汽车推出了一款采用188V锂离子汽车电池的Tuscon燃料电池汽车。通用汽车引入了最新的燃料电池技术并计划实现量产，而丰田、宝马、梅赛德斯-奔驰、马自达、菲亚特、奥迪、日产和大众都开始开发燃料电池汽车。

 

燃料电池也被用于大规模储能领域，甚至在一些国家或地区的发展中发挥着重要作用。在日本，小型燃料电池经常被用作家用备用电源。

尽管许多制造商正在开发燃料电池，但它们可能还需要一段时间才能全面使用。燃料电池技术发展迅速。工业应用的主要问题是如何建设氧气供应基础设施。只有发展好氢能供应，燃料电池才能在实际应用中得到人们的关注。

以上所有这些都是相对较大的汽车动力电池。在广泛的应用场景中，锂离子电池也经常被用作高尔夫球车电池，为轻型车辆提供动力。