宋楠:解析开沃电动客车1、2、3代动力电池技术和热管理策略


今日,笔者前往南京开沃汽车生产基地,对其电动客车1、2、3代动力电池技术及其旗下创源动力热管理策略的研发和应用进行独家报道。本文重点研判致力于新能源公交安全解决方案的开沃汽车,研发的1、2、3代动力电池技术及热管理策略。其中,量产的电动客车装备的1代动力电池技术+自然散热系统;2代动力电池技术+内置液冷铝板散热方案(过渡用);3代动力电池技术+整箱一体液冷铝板散热方案(即将量产)。

开沃电动客车搭载的1代动力电池技术+自然散热热管理策略,更多的是强调在全负荷运营模式的整车侧面的安全性。开沃系2代动力电池技术+内置液冷铝板散热方案与双模空调系统,用于安全方面的技术验证。开沃系3代动力电池技术+整箱一体式液冷方案,将搭载至最新的电动客车于2019年量产并用于出口市场和国内公交运营。

1、公交安全和电动客车的主被动安全需要:

最近一段事件,在万州、北京和武汉等城市发生多宗乘客抢夺公交车司机方向盘的恶性安全事件。这样严重的交通事故一再发生,说明交通保障部门的公共交通安全意识淡漠,事故预防措施不力。随着公共新能源市场发展,电动公交客车批量使用,源于技术方面的主被动安全,将成为全社会关注的重点。

2011年至今,某品牌新能源客车,发生10余宗燃烧和自燃事故,事故原因涉及电池组件、整车控制以及第三方因素。2017年,因为天气因素导致某品牌电动公交车电路疑似因大雨起火。

基于客观规律看,越来越多的电动客车的全天候使用,就意味着燃烧或自然几率的成倍提升。但是,生产厂商还是可以通过核心技术的提升,将燃烧或自燃几率保持在科学合理的范围。

无论新能源乘用车,还是电动客车,发生自燃或燃烧故障的根源,大多数源自电驱动系统、动力电池以及充电系统。这其中,动力电池及电芯因为热失控,导致的燃烧或自燃事故最为突出。

因此,让动力电池及电芯运行在最为合适的温度(25-35摄氏度),将成为避免燃烧或自燃事故发生的重要解决方向。

2、开沃汽车动力电池研发平台:

位于南京市的开沃汽车集团的中央研究院,拥有核心技术平台、通用技术平台、产品研发平台等5大板块。核心技术平台又分为整车控制组、电池管理组、电机控制组、燃料电池组等模块。中央研究院凭借强大的研发实力,与同属开沃汽车旗下从事新能源汽车核心三电产品研发和生产的南京创源天地动力科技有限公司达成了互相支撑、共同发展的完美配合。

开沃汽车中央研究院,主要对不同种类的电芯,动力电池总成、多种策略的热管理系统、燃料电池系统和电驱动及混动多档位变速器等分系统进行预研、研发和量产前需要的所有技术支持,目前南京创源电池所有动力电池产品从开发设计,到产品试验认证,再到产品定型量产设计均由南京创源研发团队与中央研究院进行产品的全面评审和验证,保障产品的优秀品质。作为电动客车最重要的动力电池发展方向,开沃汽车中央研究院,与南京创源电池技术团队一起,始终对不同种类电芯及动力电池解决方案,进行行业层面的最前沿预测和研发,为客户提供优质的动力电池系统解决方案。

3、开沃汽车复杂环境电池(电芯)极限测试:

上图为开沃汽车设立于中央研究院公共技术服务平台的动力电池快速温变环境仓和电芯测试系统。

白色箭头:正在对软包三元锂电芯进行常温充放电循环测试

黄色箭头:正在对18650型三元锂电芯进行常温充放电循环测试

红色箭头:正在对方形三元锂电芯模拟高温环境进行充放电循环测试(动力电池快速温变环境仓)

动力电池快速温变环境仓:

1.内部尺寸:3000×2000×2000mm

2.温度调节范围:-40℃~+150℃

3.湿度范围:20%~98%R.H

4.温度波动度:≦±0.3℃

5.温度偏差:≦±2.0℃

6.升降温速率:≧5℃/min(-40℃~+85℃,空载)

适用产品:汽车零部件、动力电池单体、模组及PACK箱

试验能力:主要用于提供动力电池测试时所需的环境温度、湿度。测试不同温度及湿度的变化时,对应电池的各项数据,用于判断电池是否符合协议或国标要求。

电芯测试系统:

1.电源处理系统:16通道5V 100A 16通道5V 200A

2.交流电源输入(Power):AC 200V 8000W

3.精准度(Definition)

电流(Current):0.05%FD±0.05%RD

电压(Voltage):0.05%FD±0.05%RD

4.型号(Model):CDS-5V 100A CDS-5V 200A

适用产品:三元锂电池与磷酸铁锂电池

试验能力:用于动力电池或电池组的老化测试(Circle Life Testing)和质量控制

白色箭头:连接软包三元锂电芯正负极,进行常温环境充放电循环测试

黄色箭头:连接方形三元锂电芯(75安时)正负极,进行常温环境充放电循环测试

红色箭头:连接方形磷酸铁锂电芯(105安时)正负极,进行常温环境充放电循环测试

上图:对18650型三元锂电芯,进行常温充放电循环测试

目前市面较为常见的几种18650型电芯,多以镍钴锰比例为6:2:2为主,而811型高镍三元锂电池已少量投放市场,或将于2019年用于乘用车。2016年之前,也有不少适配三元电芯的电动客车量产。因为包括18650型电池在内的所有三元锂电池,较磷酸铁锂电池能量密度更高,可是安全性更差。因此,主管部门对搭载三元锂电池的电动客车补贴进行了一定的“限制”。不过,这并不能说明,三元锂电池就不能搭载到电动客车,反而需要车厂在安全方面进行更深度的平衡。

上图为进行高温环境的方形105Ah磷酸铁锂电芯的充放电循环测试细节特写。

在开沃汽车中央研究院实验室中,高温/低温环境下的不同种类电芯的“极限”充放电循环测试十分重要。高温环境电芯反复大倍率充放电,将会增大热失控的风险。低温环境大倍率充放电,电芯运行的工况十分糟糕并且使用效率低下,导致“不可逆”的损伤。

而掌握电芯高温和低温极限的数据,也是包括开沃汽车在内的所有新能源整车制造厂所必需做到的。只不过,一些新能源车厂在不具备掌握核心技术以及动力电池制造能力的前提下,这种电池及电芯极限工作的技术储备和应对能力,被电池或电芯供应商代工。

但是,一旦出现整车燃烧或自燃等恶性故障时,就电池或电芯极限工况的数据,将成为所在地区执政主管、公交公司、整车制造厂以及电池供应商之间扯皮的关键。

红色箭头:待检测的方包105Ah磷酸铁锂电芯

白色箭头:待检测的方包280Ah磷酸铁锂电芯

对不同类型电芯进行常温、高温、低温环境的充放电(1C或2C)循环测试,为的是掌握不同工况下的极限值。以18650型三元锂电芯为例,在多少摄氏度(高温),连续进行多少倍充放电循环,会突破热失控安全极限导致燃烧或自燃是测试的内容之一。

18650型三元锂电芯以及软包型三元锂电芯,有较高的质量能量密度和体积能量密度,有助于提升整车轻量化和续航里程。

但三元锂电芯的活性大,相对安全性较磷酸铁锂电芯更差。其应用在乘用车不失一个性能、成本和安全折中解决方案。

上图为开沃汽车中央研究院电池安全实验室的动力电池挤压针刺一体机。需要专业工程师操作,且不允许在台架搁置待测或已测电芯,因此笔者以图示替代电芯检测位置。

无论三元锂电芯还是磷酸铁锂电芯,都要进行浸水、碰撞、火烧以及穿刺安全性测试。在开沃汽车中央研究院的电池安全实验室,首先要对市面销售以及可能要使用的每一种类电芯进行“全套”的安全测试。

动力电池挤压针刺一体机:

1.压力范围:≥1000KN

2.力值误差:≤1%满量程

3.挤压速度:5-50mm/S

4.针刺速度:5.00-100.00mm/S

适用材质:1.动力电池单体 2.动力电池模组

试验能力:模拟各类动力锂电池组在使用过程中,电池遭受挤压的情形。

上图为经过针刺测试后,18650型三元锂电芯特写。

上图为经过针刺试验和正常18650型三元锂电芯对比特写。

在开沃汽车中央研究院的电池安全实验室,笔者发现不少不同类型的电芯,其中就出现了不下X款即将在2019年、2020年量产的应用在开沃电动客车的电芯。

不同品牌的三元锂电芯经过针刺后,或出现爆炸、或出现燃烧现象,也有仅发生产气现象。而这些都是电芯内部的正负极被外界冲击后发生短路,化学能转换为热能并瞬时释放后的能量转移现象。

更好更安全的电芯,可以将这个能量转移现象控制在较长时间,而不是短时间释放。电池总成或电芯单体,受到冲击、碰撞、浸水或针刺后,将能量释放的过程控制在合理的范围,凸显了电池厂商的技术实力。

选用本身更安全的电芯,自行组装电池总成,适配至电动客车,反映了公交运营新能源车辆设计的“安全第一、性能其次、全寿命周期养护第三”的特性。

4、开沃系电动客车动力总成主被动安全技术设定:

上图为开沃汽车制造的NJL6101EV型电动客车,与其他全国范围销售的公交运管和旅游用途的电动客车一样,在车身设定和电驱动系统和动力电池分系统在设计时就考虑了主被动安全需求。

上图为开沃NJL6101EV型电动客车动力舱各分系统细节特写。

白色箭头:低压用电分系统控制模块

粉色箭头:ABS控制模块

橘色箭头:整车控制模块

蓝色箭头:驱动电机控制模块

红色箭头:“4合1”控制模块

黄色箭头:高压用电分系统控制模块

开沃汽车制造的全系电驱动客车动力舱,适配的被动安全防护措施。其中“4合1”控制总成(红色箭头)和动力电池总成均达到IP68防护标准,而其他品牌在售的同类型车型普遍为IP67防护标准。

白色箭头:动力舱内布置的灭火器材

通过内置不同位置的温度、明火传感器,可以检测动力舱内出现发热或明火故障源XX时间内自行启动并灭火。实际上,这种被动安全防护措施,也被应用在人民解放军99式主战坦克炮塔内部。

5、开沃电动客车第1代动力电池技术和热管理策略:

上图为开沃汽车下属的创源动力电池厂制造的第1代动力电池总成。前文提到了,开沃系电动客车全系车型适配的动力电池总成都符合IP68防护标准。第1代动力电池技术主要突出的低温环境的电池总成预热和保温性能。

在创源动力电池厂生产线,笔者发现了3种完成合装的电池PACK。

红色箭头:8串280Ah方包磷酸铁锂电芯串联的PACK半成品

黄色箭头:6串280Ah方包磷酸铁锂电芯串联的PACK半成品

蓝色箭头:X串18650型三元锂电芯串并联PACK半成品

上图为待合装至PACK的6串280Ah方包磷酸铁锂电芯细节特写。

每组电芯合装PACK之前,都要对外表进行清洁,然后上传信息至数据库留档。根据装车需求,不同安时电芯以不同串并联形式集成至标准电池箱体。

上图为18650型三元锂电池PACK半成品细节特写。

串联的18650型三元锂电芯层间,都布设预热用发热材料。而间隔几组电芯表面布设了温度检测传感器。这组18650型三元锂电池PACK,很有可能为开沃汽车的新能源乘用车适配(MPV)。

上图为开沃系电动客车搭载第1代动力电池总成(上盖开启)细节特写。

红色箭头:围绕电芯四周和上下端包裹的防火和保温材料

黄色箭头:动力电池外壳上下壳体间的密封材料

根据最终搭载车型需求,标准的电池箱体可以适配90Ah、105Ah和280Ah电芯进行串并联。由于第1代动力电池总成,主要适配磷酸铁锂电芯,主要针对低温放电效能和防水、防火和防尘防护需求进行特殊设定。

由上图可见,第1代动力电池总成内部,电芯被“立体”包裹防火和保温材料(红色箭头),串并联的电芯通过线缆将正负极关联。自行研发和生产的BMS(白色箭头),采用标准电路板及包装壳体,根据整车需求写入不同控制版本的软件。

电池箱体上下壳体间设定的绝缘密封材料具备一定伸缩性,以便所有螺栓上紧后密封标准符合IP68。

上图为创源电池生产线的电池总成容量检测台。

开沃汽车下属的创源电池厂,可以生产包括PACK、模组、标准电池箱体、BMS以及高压配电盒总成在内的全部分系统。随着开沃电动客车销量的攀升,创源电池厂也将与年底搬迁并提升产能。

目前创源厂制造的第1代动力电池总成为全封闭设定,热管理策略以低温环境下对磷酸铁锂电芯保温需求为主。由于磷酸铁锂电芯,具备更好的耐高温性,因此第1代动力电池总成和热管理系统,对低温环境的保温需求进行额外补偿。

6、开沃电动客车第1代动力电池技术和热管理策略:

在开沃汽车中央研究院实验室内,笔者发现了一组处于测试状态的2代动力电池总成和热管理系统。

上图为具备制热和制冷双重功能的车用空调系统(红色箭头)。需要注意的是,这组双模空调具备液态热管理系统冷却液(高温散热和低温预热)输入/输出至动力电池总成端口。

白色箭头:冷却液至动力电池输出端口

黄色箭头:冷却液至动力电池输入端口

上图为搭载XX型XXX安时磷酸铁锂电芯的2代动力电池总成技术细节特写(上盖被拆除)。在第2代动力电池总成内,围绕电芯布置液态管路以及外置铝合金材质液冷散热基板。

备注:马赛克遮蔽的串并联后的XXX安时电芯及温度传感

上图为创源动力电池厂研发的第2代动力电池总成外壳各接口细节特写。高压线缆正负极接口截面,设定了密封衬垫。冷却液进水口和出水口靠近布置有利于管路结构优化。

上图为第2代动力电池总成内部液态管路和外置液冷铝板布设细节特写。

红色箭头:与进出水口关联的塑料冷却液管路(与围绕电芯的铝合金液冷板连接)

蓝色箭头:围绕电芯最大截面积两端的铝板

采用三层铝合金基板焊接的液冷板,中间预设了“蛇形”管路,以保证冷却液充分带走热量或冷却电芯。

开沃第2代动力电池总成以及热管理策略:

在极高或极寒外界温度,满负荷电流输出/输入情况下,为更大容量磷酸铁锂或三元锂材质电芯提供15-35摄氏度散热。这种内置液冷基板+塑料循环管路的方案,可以为电芯进行高温散热和低温预热支持。但是,增加了动力电池总成的自重,冷却液管路内置安全性较差。使得,第2代动力电池总成的能量密度及安全性上仍有提高的空间。

因此,第2代动力电池技术和内置液冷基板热管理策略,并未应用到2019年量产的电动客车,而作为第3代动力电池和热管理策略的补充和支持。

7、开沃电动客车第3代动力电池技术和热管理策略:

开沃汽车创源电池厂,开发的第3代动力电池技术和液冷基板解决方案,将搭载到2019年量产电动客车。很遗憾,搭载第3代动力电池技术和液冷基板热管理策略的实物照片未能发布。

不过,针对第2代动力电池技术和内置液冷基板热管理策略的不足(重量大、管路复杂、总成能量密度低、内置安全性差)的问题,将通过外置液冷基板热管理策略进行弥补。在使用280Ah或其他电量磷酸铁锂电芯前提下,将原本内置的液冷系统进行升级,并改为外置散热管路。

基于第3代动力电池技术和液冷基板热管理技术,不改变电池体积、箱体PACK的同时,降低了冷却液泄露发生几率。而这种液冷基板技术,可以有效提升生产工艺及产品性能,保证电池总成及散热系统与整车相同的全寿命周期。

第3代液冷技术充分考虑到热交换效率与安全性双重因素,一体化箱体液冷方案将液冷流道与箱体集成,接触式的传导方式保证了热交换效率;同时也有效避免2代内置水冷板技术所存在的箱内漏液风险。其实这种技术在传统的电机电控中早有应用,但在商用车电池中的应用尚是首例。

笔者有话说:

随着中国新能源市场发展加速,包括商用车厂在内的本土整车制造厂,已经改变了以往“油改电”的设计思路。将正向研发的专用电驱动车型平台为基础,应用铝合金材质车身轻量化,多种电驱动技术融为一体。尤其围绕动力电池总成主被动安全技术,进行深入开发。

开沃汽车在过去几年研发的第1代动力电池技术和自然冷却策略,坚持安全性第一的较为保守研发策略。随着国内新能源车补贴政策退坡的幅度变化,第2代动力电池技术和内置液冷基板热管理策略,并不能满足市场及客户需求。但是,这种看似过度却具备商业化应用的技术,为第3代动力电池和外置一体式液冷基板热管理量产打下鉴定基础。

本文,仅对开沃汽车第1、2、3代动力电池技术和不同的热管理策略进行剖析。实际上,开沃电驱动客车全系标配4种牵引力控制模式、铝车身轻量化设定以及氢燃料电池驱动技术,将会在后续稿件持续解读。

文/新能源情报分析网(还给角度看车市)宋楠


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