解析南京開(kāi)沃全鋁液態(tài)恒溫動(dòng)力電池?zé)峁芾砑凹夹g(shù)
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-24 13:11
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2014年中國(guó)新能源技術(shù)、整車(chē)及全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展作為中國(guó)重要國(guó)策被確定。至2019年中國(guó)新能源整車(chē)保有量超過(guò)220萬(wàn)臺(tái)，其中電動(dòng)（插電混動(dòng)）客車(chē)行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。但是，包括公交車(chē)和客車(chē)在內(nèi)的電動(dòng)商用車(chē)的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后電動(dòng)乘用車(chē)。
2019年1月，在上海公交市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的宇通“黑金剛”電動(dòng)客車(chē)的除霜器技術(shù)上有瑕疵。甚至上海公交“三車(chē)隊(duì)”于2019年1月15日發(fā)布通知，讓宇通“黑金剛”駕駛員注意：黑金剛電動(dòng)車(chē)上的除霜器技術(shù)上有瑕疵，宇通廠技術(shù)人員正在想辦法升級(jí)。望各車(chē)隊(duì)通知駕駛員盡量少用除霜器，一開(kāi)暖風(fēng)空調(diào)為主，如定要開(kāi)時(shí)間要短，以防過(guò)熱。望各位駕駛員積極配合”。
2017年8月23日，微博用戶@人民發(fā)言人上傳了一條視頻，其內(nèi)容為：“臺(tái)風(fēng)天鴿，受災(zāi)情況，珠海電動(dòng)公交車(chē)電路疑似因大雨起火”。
就在2017年3月4日13:41時(shí)，上海金橋特斯拉超級(jí)充電站，發(fā)生了特斯拉Model S型電動(dòng)汽車(chē)燃燒事故。至少2臺(tái)在充電站停放的特斯拉Model S型電動(dòng)汽車(chē)自燃。消防隊(duì)員使用14組滅火器和消防水帶進(jìn)行撲救。
從實(shí)例分析看，宇通“黑金剛”和珠海銀隆電動(dòng)客車(chē)雖然出現(xiàn)自燃事故根源不同，但都采用沒(méi)有適配液態(tài)熱管理技術(shù)動(dòng)力電池總成。特斯拉S電動(dòng)車(chē)盡管配置了液冷散熱技術(shù)，但是適配超過(guò)7000余節(jié)18650型電芯，使得硬件的安全閾值超過(guò)極限，最終導(dǎo)致習(xí)慣性的起火和爆照。
以上三組案例清晰的表明，未來(lái)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)（客車(chē)）研發(fā)和設(shè)計(jì)，將加重整車(chē)和電池的安全設(shè)定比例。而對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)至關(guān)重要的動(dòng)力電池總成的“熱失控”的應(yīng)對(duì)，液冷高溫散熱和低溫預(yù)熱功能，將會(huì)成為突破重點(diǎn)。
1、南京開(kāi)沃系全鋁液冷電池和電驅(qū)動(dòng)模塊：
上圖左側(cè)為一體化水冷箱；上圖右側(cè)為全新的驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊（不在本文介紹范圍）。
南京開(kāi)沃自行研發(fā)的一體化水冷箱（22.5度電），采用全鋁合金殼體（含上殼體和下殼體）、內(nèi)置BMS、磷酸鐵鋰電芯2并18串、能量密度超過(guò)145Wh/kg、總成自重0.23噸。
一體化水冷箱，將箱體內(nèi)部與電芯PACK貼合的冷卻液管路（通過(guò)硅脂貼合），轉(zhuǎn)移至全鋁合金箱體最低端并全方向封閉。電芯PACK間通過(guò)導(dǎo)熱層，將熱量傳遞至箱體底部。由于動(dòng)力電池總成上下蓋都都采用鋁合金箱體，本身形成了一個(gè)熱循環(huán)（保溫和散熱）導(dǎo)體，在根據(jù)搭載車(chē)型的不同預(yù)設(shè)不同的閾值，自動(dòng)激活低溫預(yù)熱或高溫散熱功能。
最終，保證電芯在25-35攝氏度環(huán)境下安全使用。最大化的保證動(dòng)力電池總成實(shí)時(shí)處于熱控制范圍內(nèi)。
與目前在售的程勇電動(dòng)汽車(chē)，搭載的半鋁合金外殼體的動(dòng)力電池總成不同的是。開(kāi)沃汽車(chē)自行研發(fā)的一體化水冷箱，采用全鋁合金外殼體。這種成本較高的技術(shù)設(shè)定，為其原創(chuàng)研發(fā)的與鋁合金外殼一體化的液冷散熱/預(yù)熱技術(shù)不可分割。
南京開(kāi)沃一體化水冷箱，上下殼體均為鋁合金材質(zhì)，箱體內(nèi)部全向鋪設(shè)保溫材料并具備IP67整體防護(hù)能力。最重要的是，這種全鋁合金殼體的設(shè)定，成本的提升是必然的，但是相對(duì)帶來(lái)的物理層面的輕量化和不同使用環(huán)境下的防護(hù)能力的提升更加顯著！
上圖為一體化水冷箱前端細(xì)節(jié)特寫(xiě)。
綠色剪頭：防爆閥（快速平衡動(dòng)力電池箱體內(nèi)外壓力）
白色箭頭：動(dòng)力電池高壓線纜正負(fù)極接頭
黑色箭頭：手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)（高壓斷電）
藍(lán)色箭頭：BMS線纜接頭
黃色箭頭：液態(tài)冷卻液進(jìn)出管路接頭
以諾基亞9系列個(gè)人通訊終端作為電芯比對(duì)。
綠色剪頭：縱置的電芯PACK（諾基亞9系列個(gè)人通訊終端）之間鋪設(shè)導(dǎo)熱層
白色箭頭：下降的熱量通過(guò)與電芯PACK（諾基亞9系列個(gè)人通訊終端）導(dǎo)入鋁合金電池下殼體
黃色箭頭：集聚在鋁合金外殼體下端、兩側(cè)及上端的熱量，通過(guò)液態(tài)循環(huán)管路（鋁合金殼體下端內(nèi)部）帶出，進(jìn)行低溫預(yù)熱或高 溫散熱伺服
黃色箭頭：通過(guò)加工將一體化工藝，水冷箱底部外殼內(nèi)鋪設(shè)蛇形水道。
在鋁合金箱體底部鋪設(shè)的蛇形水道，使得乙二醇冷卻液始終處于全封閉環(huán)境下運(yùn)行。整個(gè)電池總成，不再鋪設(shè)數(shù)量較多的冷卻液管路以及容易出現(xiàn)滲漏的“三通”閥體。從根本上避免冷卻液滲漏導(dǎo)致的安全事故。
而一體化水冷箱的上下殼體都設(shè)定為鋁合金材質(zhì)，這無(wú)形中增加了依靠自身導(dǎo)熱的熱交換效率。間接減低動(dòng)力電池消耗的電量，提升續(xù)航里程。
目前行業(yè)內(nèi)，針對(duì)不同種類電芯，不同車(chē)廠及動(dòng)力電池供應(yīng)商，開(kāi)發(fā)不同動(dòng)力電池總成熱管理技術(shù)。
18650型電芯：
在電池箱體內(nèi)部，圍繞電芯PACK布設(shè)具備輕微形變的偏型散熱管，覆蓋將約30%圓柱形電芯表面積。各組PACK間的偏型散熱管，通過(guò)適配的“三通”管路連接。
軟包電芯：
在電池箱體內(nèi)部，每組PACK中的軟包電芯間隔散熱板并用硅脂貼合。PACK采用柔性固定方式，以應(yīng)對(duì)軟包電芯正常范圍的形變（膨脹）。或者在軟包電芯PACK的1側(cè)或?qū)?yīng)2側(cè)，貼合冷卻板，板內(nèi)預(yù)留散熱水道。
方形電芯：
在電池箱體內(nèi)部，方形電芯PACK兩端加裝散熱層，散熱層外鋪設(shè)蛇形散熱管路。每組PACK散熱組件由“三通”連接。由于方形電芯外殼多為鋁材，因此PACK采用不可形變的固定方式，以提高散（預(yù)）熱效率。
無(wú)論哪種動(dòng)力電池熱管理技術(shù)解決方案，都要引入硅脂或替代物“粘貼”在電芯與散熱基板。這就引發(fā)出一個(gè)“致命”問(wèn)題。電芯、電芯PACK以及電池箱體總成，在不遭受外力作用，其壽命租客應(yīng)對(duì)整車(chē)行駛16萬(wàn)公里（8年或16萬(wàn)公里，為車(chē)廠對(duì)電池的質(zhì)保周期）。但是伺服電芯與散熱基板的導(dǎo)熱硅脂的壽命，隨著使用環(huán)境的變化及惡劣，其壽命或在2年-3年。這就需要在電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)車(chē)中，根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)電池總成內(nèi)部的導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行開(kāi)箱檢查并重新涂抹。
一旦導(dǎo)熱硅脂失效或效率下降，在一個(gè)較寬泛的臨界周期，電芯的散熱和預(yù)熱伺服降低，使得動(dòng)力電池及整車(chē)發(fā)生 “熱失效”導(dǎo)致的燃燒事故幾率提升。
因此，南京開(kāi)沃研發(fā)的一體化水冷箱的技術(shù)，就是徹底避免以往散熱基板與電芯PACK連接模式，從而擺脫導(dǎo)熱硅脂與電池總成壽命差，出現(xiàn)的安全隱患。
筆者有話說(shuō)：
截至目前，中國(guó)電動(dòng)商用車(chē)市場(chǎng)發(fā)展增速顯著提升，僅次于乘用車(chē)（電動(dòng)）。在商用車(chē)領(lǐng)域中涉及公共安全的電動(dòng)公交車(chē)以及旅游用車(chē)，替代傳統(tǒng)動(dòng)力車(chē)型的周期大幅縮短。這就意味著，采用高密度動(dòng)力電池和電驅(qū)動(dòng)技術(shù)為核心的電動(dòng)公交車(chē)的安全性，將優(yōu)先保障。
本文開(kāi)篇提到的，宇通“黑金剛”、珠海銀隆電動(dòng)客車(chē)、特斯拉Model S電動(dòng)汽車(chē)，在使用、停止以及充電環(huán)節(jié)，出現(xiàn)因設(shè)計(jì)缺陷、涉水浸泡以及充電環(huán)節(jié)，導(dǎo)致的燃燒、自燃和爆炸事故，已經(jīng)典型的成為行業(yè)反面教材。
電動(dòng)公交車(chē)的安全性能的保證，首先以動(dòng)力電池總成，在復(fù)雜工況下主被動(dòng)安全為突破。然后輻射至，整車(chē)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)匹配以及不同環(huán)境下使用經(jīng)驗(yàn)的綜合。然而，這種對(duì)核心技術(shù)要求高、研發(fā)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高、成本大的做法，顯然沒(méi)有得到包括所謂中國(guó)商用車(chē)行業(yè)領(lǐng)頭羊的認(rèn)同。
至2020年，新能源車(chē)補(bǔ)貼完全退坡時(shí)，無(wú)論乘用車(chē)廠還是商用車(chē)廠，只有掌握核心技術(shù)，才能在純粹市場(chǎng)牽引環(huán)境下，掌握主動(dòng)權(quán)。對(duì)安全性有著極度甚至變態(tài)需求的商用（公交）車(chē)市場(chǎng)，也只有在包括動(dòng)力電池的“3電”系統(tǒng)及整車(chē)制造方面入手，才可以將安全性、續(xù)航里程、充電兼容性、全壽命周期TCO以及運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)比，進(jìn)行更精準(zhǔn)的平衡，以此獲得終端客戶的認(rèn)可與市場(chǎng)的認(rèn)可。
筆者認(rèn)為南京開(kāi)沃推出的一體化水冷箱，看似之時(shí)一項(xiàng)熱管理技術(shù)的落地。然而這套可以適配電動(dòng)客車(chē)、電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)、電動(dòng)物流車(chē)甚至南京開(kāi)沃旗下所有新能源車(chē)型的標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)力電池?zé)峁芗夹g(shù)，與其自主研發(fā)的電驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓線纜以及分系統(tǒng)控制總成相匹配，足以撬動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)。
