一個單獨的元件將決定雪佛蘭新款 Volt “增程型電動汽車”的成敗,並可能決定美國最大的汽車製造商通用汽車公司的命運:那就是它的電池。難怪一些通用汽車公司的高管稱 Volt 的電池為“我們的天后”。畢竟,這款新的鋰電池組提供了至關重要的火花,使這款新設計在多個方面得以實現——從其綠色效能和續航里程,一直到其流線型的外觀。
雪佛蘭 Volt 車輛產品線執行官弗蘭克·韋伯說:“電池不僅對汽車的執行至關重要,而且對環境和執行方式極其敏感……幾乎到了我們認為它是一個活物。”“我們的目標是實現 10 年壽命或 15 萬英里(241,400 公里),讓車輛在不犧牲和妥協的情況下滿足客戶的所有期望。”他補充說,使用幾年前才從實驗室誕生的技術來實現這一目標是“真正的挑戰”。
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雪佛蘭 Volt 是通用汽車公司計劃在兩年後推出的新型汽油-電動混合動力汽車(據報道,基本價格為 3 萬美元左右),它由電池驅動的電動機驅動,可以透過內燃機在行駛途中充電。
豐田普銳斯和其他目前在路上行駛的混合動力汽車主要由其電動機驅動;汽油發動機僅在較高速度時介入。因此,這些傳統混合動力汽車比僅靠汽油驅動的汽車具有更高的燃油經濟性。
Volt 混合動力汽車是不同的。它同時使用兩種動力源,但它是一款電動汽車,僅使用汽油發動機發電,從而將其續航里程擴充套件到電池單次充電所能提供的範圍之外。通用汽車公司預計 Volt 買家將每晚將汽車插入家用電源插座,然後在夜間充電的情況下每天行駛超過 40 英里(65 公里)。由於大約 80% 的美國駕駛員平均每天行駛里程不到 40 英里,因此許多人“永遠不必啟動汽油發動機”,韋伯說。因此,Volt 將減少我們國家的石油消耗,並可能減少溫室氣體排放。
通用汽車公司實現 Volt 概念的首要障礙是選擇正確的電池化學成分和電池供應商。Volt 中的鋰電池與 YouTube 上看到的燃燒的筆記型電腦中的鋰電池不同。標準鋰離子電池——技術上是鋰鈷氧化物——為大多數消費電子產品供電。紐約州賓厄姆頓大學的研究員 M. 斯坦利·惠廷厄姆教授報告說,相反,用於車輛應用的新型、更安全的鋰電池通常用錳氧化物或磷酸鐵電極代替成本更高且不太穩定的鈷氧化物電極,許多人稱惠廷厄姆教授為“鋰離子電池之父”。
韋伯告訴ScientificAmerican.com:“選擇電池供應商也很重要,因為你不能假設供應商可以交付‘直接替換’的電池。”由於電池的執行特性對於汽車的執行方式至關重要,“電池必須從一開始就整合到整個系統中。”這意味著汽車製造商和供應商必須密切合作,在電池開發過程中對其進行微調。
他說:“你需要一個近乎完美的製造工藝,該工藝採用嚴格的質量保證方法,因為單個電芯故障將導致整個 [250 個電芯] 電池組失效。”“我寧願擁有80% 效能的電芯化學成分和完美的生產工藝,也不願擁有完美的化學成分和 80% 有效的製造工藝。”
通用汽車公司考慮了 Volt 的兩家電池製造商。其中一家是位於馬薩諸塞州沃特敦的 A123 Systems,這是一家成立三年的公司,據惠廷厄姆稱,該公司生產的電池使用由麻省理工學院 (M.I.T.) 開發的奈米結構磷酸鐵製成的電極。(A123 與德國汽車零部件製造商大陸集團合作,將其電芯封裝成電池組。)另一家是韓國最大的化工公司 LG 化學,也是巨型電子公司 LG Electronics Worldwide 的姊妹公司,該公司使用錳氧化物基電極。
這家汽車公司尚未公開宣佈獲勝者,但據路透社報道,該公司已確定由 LG 化學制造 Volt 的電池。如果屬實,那麼這家韓國公司為加強其 鋰離子電池(主要用於移動裝置)的生產而進行的六年努力,很可能在這一決定中發揮了重要作用。一些長期觀察人士,例如混合動力汽車倡導者、加州汽車倡議創始人菲利克斯·克萊默,想知道通用汽車公司是否也會與 A123 簽訂 Volt 電池合同,以擴大供應商基礎。
讓 Volt 的“天后”保持心情愉快是其工程師必須解決的下一個重大問題。韋伯特別指出,“你必須避免讓電池暴露在高溫下,這會威脅到它的使用壽命。”過多的熱量會加速電芯的電化學反應,從而導致加速老化。他說:“華氏 70 度(攝氏 21 度)和華氏 90 度或 100 度(攝氏 32 至 38 度)之間存在很大差異”,因此汽車的熱管理系統必須將這位天后保持在她舒適的溫度範圍內。
Volt 方程的另一個主要部分是控制系統和相關的電力電子裝置。每輛現代汽車的執行都由一組計算機化的控制功能決定——一組規則,用於管理每個子系統應何時啟用、啟用到什麼程度以及持續多長時間。韋伯說,每個控制功能“不斷地相互對話並相互影響”,因此,它們必須以精細協調的方式協同工作,以確保平穩航行。他指出,由於 Volt 構成了一個“全新的推進類別”,“必須整合數百個以前從未實施過的控制功能,以便它們無縫且完美地執行。”通常,這個過程需要幾年的漸進式迭代,但韋伯的工程團隊必須在距離新車型推出前的相對較短時間內重新思考所有這些基本互動。
工程師不僅必須使所有功能同步執行,而且還必須確保汽車的系統和功能在僅電池供電的情況下極其高效地使用有限的能源供應。那麼,如何減少所有這些不同系統的能量負載以最佳化使用率呢?
韋伯說,只有當你首先了解每個系統如何單獨執行,然後再瞭解它們如何協同執行時,才能清楚地瞭解這一點。這種知識使工程師能夠利用協同效應,例如利用一個系統的廢熱來加熱另一個系統。他將這種工程過程比作手機的開發:“最初它裝在一個公文包裡,然後它是一個手持‘磚頭’,現在,它只有手掌大小。”他希望他的團隊在更大的整合度和效率方面取得類似的進展。
但這一切都需要時間,而 Volt 團隊只剩下兩年時間了。關鍵是在推出前的剩餘時間內實施所有必要的整合,同時儘可能讓“天后”滿意。只有這樣才能使 Volt 成為通用汽車公司希望的革命性汽車。