混合動力車進入鋰離子時代(下)

電流的輸入輸出量達到4倍

　　同樣，在發(fā)動機和馬達之間配置離合器的并聯混合動力系統還有德國大眾（Volkswagen）的“途銳”和保時捷（Porsche）“Cayenne”的HEV，兩款車除了離合器外，還保留了原來配備于變速箱上的變矩器，這是其與風雅混合動力車的不同之處。

　　踩下離合器時的沖擊無法用變矩器吸收，風雅混合動力車是通過瞬間提高和降低馬達扭矩，來抑制劇烈的扭矩變動的。由于需要瞬間提高馬達扭矩的控制，因此電池也要求具備相應的輸出特性。

　　另一個對輸出特性要求高的理由，是為了兼顧燃效和輸出功率。日產為實現踩踏油門瞬間的強力加速感，在混合動力系統中組合使用了排量3.5L的V型6缸發(fā)動機。

　　“為了在這種系統構造下也能提高燃效，提高了馬達行駛的頻率，所以電池的電流輸入輸出量較大”（日產的平井）。根據日產的評估，與配備豐田公司混合動力系統的“Altima Hybrid”相比，風雅混合動力車需要約4倍的電流輸入輸出量（圖5）。

圖5：風雅混合動力車和Altima Hybrid的電流輸入輸出量比較
風雅混合動力車（紅線）的累計輸入輸出量約為Altima Hybrid（藍線）的4倍。

　　風雅混合動力車的電池容量為1.4kWh，與普銳斯的Ni-MH充電電池（1.31kWh）相當。如果采用輸出密度高的鋰電池，即使減小容量也可獲得同等以上的輸出功率，因此可以減小容量。反過來說，由此可以得知風雅混合動力車有多重視輸出功率，并為此配備了大型鋰電池。

　　此次混合動力系統的電流輸入輸出要比原來的混合動力系統高，因此存在電池溫度容易升高的問題。電池組的冷卻系統從后座后方獲取車內空氣，并送至電池組內。冷風通過模塊之間的微小縫隙自上向下流動，確保了冷卻性能（圖6）。

圖6：電池組的冷卻系統
從上部獲得的空氣由上而下流過電池組進行冷卻。DC-DC轉換器上設置了專用冷卻路徑。

　　日產層壓型單元的正極材料使用了LiMnO2也是其特點之一。Mn類正極材料與Co和Ni相比資源儲量多，在成本方面有優(yōu)勢。另外，LiMnO2的熱穩(wěn)定性較高，對過充電的耐性較強，因此還具備安全性出色的優(yōu)點。不過，正如上文提到的一樣，在能源密度方面存在短處。因此，日產還添加了Ni，不過沒有公布添加量。

　　日產在不同于輸出功率重視型混合動力車電池的容量重視型電動汽車（EV）的電池上，也采用了Mn類正極材料。日產的EV“LEAF”（中國名：聆風）使用的電池與風雅混合動力車的電池相比，通過在極板上厚厚地涂布正負極活性物質，提高了能量密度，其密度是HEV電池的約2倍。

　　電池的構造看上去是簡單的層壓型單元，其實為達到量產水平花費很多工夫。以封裝技術為例，在將端子露出外部的部分，當用薄膜從兩側夾住時，端子旁邊的部分只略微打開一個三角形縫隙。為此開發(fā)了用樹脂封裝的技術。另外在電氣串聯各單元的構造中，需要接合Al和Cu兩種不同的金屬，為此又開發(fā)出了以超聲波接合的技術。

區(qū)分使用Ni-MH和鋰離子電池

　　豐田的普銳斯α尤其重視電池的小型化，因此采用了鋰電池。普銳斯α備有5座款和7座款，5座款與普通的普銳斯一樣，在后座后方的后備箱地板下面配備了Ni-MH充電電池。不過，在這個位置配置電池，就無法設置7座車的第三排座椅。因此，7座款將電池組設置在了駕駛席和副駕駛席之間的中控臺內（圖7）。要想在這個位置設置所需容量的電池，Ni-MH充電電池是無法實現的。

圖7：7座款“普銳斯α”的電池配備位置
內置于駕駛席和副駕駛席之間的中控臺內。

　　“單純就單元進行比較的話，鋰離子電池的重量和容積都是Ni-MH充電電池的一半左右，但由于鋰離子電池重視安全性，外殼等使用了更加厚實的材料，因此比較電池組的話，重量和體積只減少了2成左右”（豐田第2技術開發(fā)本部HV電池單元開發(fā)部新電池控制2組真野亮）。

　　鋰電池的電池組內置了56個方形單元（圖8）。配置56個單元是為了與5座款使用的Ni-MH充電電池電壓一致。3.6V×56＝201.6V，與5座款Ni-MH充電電池的電池組電壓完全相同。不過，Ni-MH充電電池的電流容量為6.5Ah，而鋰電池較小，只有5Ah，Ni-MH充電電池的電池組電力容量為1.31kWh，而鋰電池只有1.0kWh。

圖8：7座款普銳斯α的鋰電池組
分上下兩層積層配備28個方形單元的電池組。

　　與思域混合動力車和風雅混合動力車不同，普銳斯α重視與Ni-MH充電電池的兼容性，沒有將鋰電池的輸出特性用于提高動力性能。加速性能等也控制在與Ni-MH充電電池相同的水平。

　　令人意外的是，逆變器的外圍電路也與Ni-MH充電電池通用，據稱還與普銳斯通用。在新款思域混合動力車中，本田曾被迫變更了逆變器等。由此推測，現有普銳斯的外圍電路在設計時極有可能考慮到了將來用于鋰電池的情況。

　　普銳斯α配備的鋰電池，正極采用以LiNiO2為主要成分的NCA類〔Li（Ni-Co-Al）O2〕材料。這是因為LiNiO2在能源密度方面具有優(yōu)勢，但在熱穩(wěn)定性方面存在課題的結果。

　　豐田在確保安全性方面下了很大力氣。具體做法為，在正極形成了溫度升高、電阻會隨之增加的導電性樹脂——聚合物PTC（Positive Temperature Coefficient）層，在負極上形成了具有高耐熱性的“HRL（Heat Resistance Layer）”陶瓷層（圖9）。另外，基于傳感器的單元狀態(tài)監(jiān)控也做了多重配置，“徹底確保了安全性”（豐田的真野）。

圖9：普銳斯α的鋰電池的構造
為提高安全性，設置了聚合物PTC層和耐熱陶瓷層。

　　鋰電池的生產由豐田與松下的合資公司Primearth EV Energy（PEVE）負責，在豐田貞寶工廠內的生產線生產。該生產線的產能每月可提供給1000輛汽車使用，普銳斯α的7座款估計很難再增產。

　　在普銳斯α上市后1個月的6月12日，訂單量就達到了5萬2000輛，其中3排座椅的車型為1萬7000輛，約占1/3。如果每月生產1000輛的話，則交車需要近1年半的時間。不過，豐田是首次量產鋰電池，因此增產計劃謹慎，普銳斯α的開發(fā)負責人、現任豐田產品策劃本部主管的粥川宏表示，“我們想慢慢增產”。