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奥特能

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2023年6月深圳车展上的Ultium架构，可见平铺在车底、位于两轴之间的扁平电池模块，以及前后两个Ultium Drive驱动单元。

Ultium（官方中文名：奥特能）是美国通用汽车开发的电动汽车电池与电动机架构。[1]它正用于通用汽车旗下各品牌的纯电动汽车，以及本田[2]和讴歌的车辆。[3]

Ultium的特点是模块化布局，用一块Ultium电池通过一套共用的电力电子装置（充电、电池管理系统和逆变器）向一个或两个Ultium Drive驱动单元供电。高压电池由软包电芯组成，可根据每辆车的空间形态水平或竖直堆叠，一般布置在两轴之间、地板下方。牵引电机、减速齿轮和电力电子装置整合在一个Ultium Drive驱动单元内，驱动前轴、后轴或同时驱动两轴。所有规划中的车辆使用三种共用同一定子的电机设计。[4][5]Ultium用于通用汽车的BEV3（英语：General Motors BEV3 platform）和BT1（英语：General Motors BT1 platform）平台。[6]

历史

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2020年3月，通用汽车在密歇根州沃伦的通用汽车技术中心举行为期一周的活动，发布了Ultium电池和平台技术。[7]通用汽车董事长兼首席执行官玛丽·博拉称之为“一个多品牌、多细分市场的电动汽车战略，其规模经济足以与我们的全尺寸卡车业务匹敌，复杂度却低得多，灵活性还更高”。[8]六个月后的2020年9月，Ultium Drive品牌启用，指除电池之外的电动汽车传动系统部件，例如牵引电机和电力电子装置。[9]

2021年6月，通用汽车宣布将与Wabtec合作，为包括FLXDrive在内的零排放重型牵引机车提供Ultium电池模块。[10]

2022年，美国陆军选择通用汽车防务用GMC Hummer EV皮卡来演示一款电动军用车辆。同年9月，通用汽车防务被选中制造为电动军用车辆供电的重型电池包。[11]

设计

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Ultium Drive

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Ultium车辆由一个包含五个驱动单元和三台牵引电机的模块化家族提供动力，统称“Ultium Drive”。[5]Ultium Drive电机和驱动单元的量产计划于2024年在通用汽车的托莱多[12][13]和圣凯瑟琳动力总成工厂启动。[14][15]

牵引电机

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规划中的电机包括：[16]

  • 一台180 kW（245 PS；241 hp）的前驱永磁电机
  • 一台255 kW（347 PS；342 hp）的前驱或后驱永磁电机
  • 一台62 kW（84 PS；83 hp）的全轮驱动辅助感应电机

这些电机适用于前轮驱动、后轮驱动和全轮驱动配置。例如2020年3月展示的GMCHummer EV原型车采用全时全轮驱动，配备三台255 kW（342 hp）电机，一台驱动前轴，另外两台驱动后轮。[7]三种牵引电机都为油冷，共用同一定子设计。[17]

驱动单元

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驱动单元是单速减速齿轮箱，可装入一台或两台牵引电机来驱动车轮。齿轮箱与传动系统电子控制模块整合，这些模块也称电力电子装置，包括牵引功率逆变器、车载充电模块和附件电源模块。[18]这些模块整合进驱动单元后，总重量只有雪佛兰Bolt EV对应部件的一半。[19][20]这些驱动单元根据预期的传动系统布局来设计和布置，但共用许多通用部件。[21]五个驱动单元分别是：[22]

  • 全轮驱动“辅助”单元
  • 前轮驱动单元
  • 后轮驱动单元
  • 卡车用前轮/后轮驱动单元
  • 卡车用后轮双电机单元

对于GMCHummer EV，驱动单元为前后轮分别提供13.3:1和10.5:1的减速比。[23]

Ultium电池

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化学体系

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Ultium电芯采用镍钴锰铝（NCMA）化学体系，由通用汽车与LG新能源合资的Ultium Cells LLC制造，为大尺寸软包电芯。[24]电池材料由LG化学和POSCO Chemical（正极活性材料）以及Livent（氢氧化锂）供应。[25][26]

在中国，Ultium品牌的电芯采用镍锰钴（NMC）化学体系，由宁德时代以圆柱形封装制造。[27]随着2023年4月宣布与三星SDI合建美国第四座电池厂，方形和圆柱形Ultium电芯也将在美国本土生产。[28]

下一代雪佛兰Bolt EV将使用磷酸铁锂化学体系的Ultium电芯，这会降低电芯的峰值电压和标称电压。[29]

规格

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每个Ultium软包电芯尺寸约为23乘4乘0.4英寸（584乘102乘10 mm），重3.0磅（1.36公斤），可储存0.37千瓦时。[30]标称电压3.7伏，额定容量103安时。每个电芯的重量能量密度约为127瓦时/磅（约280瓦时/千克），对应的体积能量密度约为10.4瓦时/立方英寸（约632瓦时/升），10秒钟重量功率密度为952瓦/千克。[31]例如，Hummer EV由24个模块、576个电芯组成、可用储能212.7千瓦时的电池，总重2,923磅（1,326公斤）。[32]软包电芯可水平或竖直放置，便于灵活布置。[30]

Ultium采用无线电池管理系统（wBMS），是所有汽车厂商中首个此类架构。[33]wBMS是与亚德诺公司合作开发的，所需线束减少90%、体积缩小15%，有助于降低电池成本。[34]

2023年1月底有报道称，通用汽车正考虑改用圆柱形电芯。这一做法会降低体积能量密度，但可能缩短生产时间、降低成本。[35]

组装

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每个模块由24个电芯组成，电芯3并8串排列，因此每个模块的标称电压为29.6伏。[30]模块布置在两轴之间、地板下方，在需要更大离地间隙的车型上也可布置在前后排座椅之间或下方。

Hummer EV的电池有24个模块，分为上下两层，每层额定电压400伏、容量100千瓦时，并联后总容量200千瓦时。车辆在使用800伏直流快充时，上下两层会临时串联，使电压最高达到800伏、充电功率最高350千瓦。[36]凯迪拉克Lyriq使用12个模块，为400伏架构，最高充电功率190千瓦。[37]

成本

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Ultium电芯在俄亥俄州沃伦、田纳西州斯普林希尔、密歇根州兰辛和印第安纳州新卡莱尔的四座工厂生产，这些工厂由Ultium Cells LLC（通用汽车与LG新能源的合资企业）以及通用汽车与三星SDI的合资企业运营。[24]美国能源部为前三座Ultium Cells工厂提供了25亿美元贷款。[38]

2010年雪佛兰Volt的电池成本约为每千瓦时1000美元，Ultium的目标是把成本降到约每千瓦时100美元，相当于降低90%。[30]2017年雪佛兰Bolt EV的电池成本约为每千瓦时262美元，通用汽车与LG协商后的价格约为每千瓦时145美元。[39]与Bolt EV的电池相比，Ultium的钴用量减少70%，线束减少88%。[36]

生产

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Ultium电芯最初在俄亥俄州沃伦的Ultium Cells工厂生产，该厂于2022年9月投产，年产能35吉瓦时。[40]田纳西州斯普林希尔的第二座工厂于2024年3月投产，年产能50吉瓦时，计划在2027年底转为生产磷酸铁锂电芯。[41]密歇根州兰辛的第三座工厂于2024年底投产，年产能50吉瓦时，通用汽车已将其在该厂的股权出售给LG新能源。[42]印第安纳州新卡莱尔的第四座工厂由通用汽车与三星SDI合资建设，预计2026年投产，年产能超过30吉瓦时。[43]

2021年10月，上汽通用在上海启用Ultium Center，为中国市场的Ultium车辆生产电池模块。[44]

2023年1月，通用汽车与LG在2022年8月选定印第安纳厂址后暂停了第四座美国电池厂的计划，通用汽车转而寻找新的合资伙伴。同年晚些时候，三星SDI宣布与通用汽车组建合资企业，第四座工厂得以在印第安纳厂址推进。

由于Ultium电芯产量低于预期，通用汽车在2023年7月暂停了BrightDrop Zevo厢式货车的生产，并计划把Ultium模块生产扩展到生产Zevo的CAMI装配厂，使用电池厂运来的电芯；从2024年起，CAMI装配的Ultium模块既供本厂使用，也运往通用汽车其他电动汽车工厂。此外，零号工厂、斯普林希尔和拉莫斯·阿里斯佩等其他电动汽车装配厂也增设了电池模块生产线，使用沃伦和斯普林希尔Ultium工厂生产的电芯装配模块。

到2023年第四季度末，Ultium Cells俄亥俄工厂已满产运行；Ultium Cells斯普林希尔工厂于2024年3月开始出货电芯。2024年12月，通用汽车宣布将把Ultium Cells兰辛工厂的股权出售给LG新能源，交易预计于2025年第一季度完成。

Ultium驱动单元和电池模块在通用汽车的多家整车工厂装配，包括底特律的零号工厂（原底特律-哈姆特拉米克装配厂）、田纳西州斯普林希尔制造工厂、墨西哥的拉莫斯·阿里斯佩装配厂和加拿大安大略省英格索尔的CAMI装配厂。[36]BrightDrop Zevo厢式货车的电池模块在CAMI工厂装配，该车于2023年7月在CAMI工厂量产，零号工厂、斯普林希尔和拉莫斯·阿里斯佩工厂也设有模块生产线。[45]

使用Ultium的车辆

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参见

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参考文献

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