独家解析南京开沃全铝液态恒温动力电池热管理技术


新能源情报分析网独家解读,南京开沃原创研发的全铝合金壳体、带有液冷高温散热和低温预热功能的动力电池总成技术。

备注:后文简称一体化水冷箱(官方标定)

2014年中国新能源技术、整车及全产业链发展作为中国重要国策被确定。至2019年中国新能源整车保有量超过220万台,其中电动(插电混动)客车行业的发展突飞猛进。但是,包括公交车和客车在内的电动商用车的动力电池热管理技术发展,远远落后电动乘用车。

2019年1月,在上海公交市场运营的宇通“黑金刚”电动客车的除霜器技术上有瑕疵。甚至上海公交“三车队”于2019年1月15日发布通知,让宇通“黑金刚”驾驶员注意:黑金刚电动车上的除霜器技术上有瑕疵,宇通厂技术人员正在想办法升级。望各车队通知驾驶员尽量少用除霜器,一开暖风空调为主,如定要开时间要短,以防过热。望各位驾驶员积极配合”。

2017年8月23日,微博用户@人民发言人上传了一条视频,其内容为:“台风天鸽,受灾情况,珠海电动公交车电路疑似因大雨起火”。

就在2017年3月4日13:41时,上海金桥特斯拉超级充电站,发生了特斯拉Model S型电动汽车燃烧事故。至少2台在充电站停放的特斯拉Model S型电动汽车自燃。消防队员使用14组灭火器和消防水带进行扑救。

从实例分析看,宇通“黑金刚”和珠海银隆电动客车虽然出现自燃事故根源不同,但都采用没有适配液态热管理技术动力电池总成。特斯拉S电动车尽管配置了液冷散热技术,但是适配超过7000余节18650型电芯,使得硬件的安全阈值超过极限,最终导致习惯性的起火和爆照。

以上三组案例清晰的表明,未来中国电动汽车(客车)研发和设计,将加重整车和电池的安全设定比例。而对于电动汽车至关重要的动力电池总成的“热失控”的应对,液冷高温散热和低温预热功能,将会成为突破重点。

1、南京开沃系全铝液冷电池和电驱动模块:

上图左侧为一体化水冷箱;上图右侧为全新的驱动电机模块(不在本文介绍范围)。

南京开沃自行研发的一体化水冷箱(22.5度电),采用全铝合金壳体(含上壳体和下壳体)、内置BMS、磷酸铁锂电芯2并18串、能量密度超过145Wh/kg、总成自重0.23吨。

一体化水冷箱,将箱体内部与电芯PACK贴合的冷却液管路(通过硅脂贴合),转移至全铝合金箱体最低端并全方向封闭。电芯PACK间通过导热层,将热量传递至箱体底部。由于动力电池总成上下盖都都采用铝合金箱体,本身形成了一个热循环(保温和散热)导体,在根据搭载车型的不同预设不同的阈值,自动激活低温预热或高温散热功能。

最终,保证电芯在25-35摄氏度环境下安全使用。最大化的保证动力电池总成实时处于热控制范围内。

与目前在售的程勇电动汽车,搭载的半铝合金外壳体的动力电池总成不同的是。开沃汽车自行研发的一体化水冷箱,采用全铝合金外壳体。这种成本较高的技术设定,为其原创研发的与铝合金外壳一体化的液冷散热/预热技术不可分割。

南京开沃一体化水冷箱,上下壳体均为铝合金材质,箱体内部全向铺设保温材料并具备IP67整体防护能力。最重要的是,这种全铝合金壳体的设定,成本的提升是必然的,但是相对带来的物理层面的轻量化和不同使用环境下的防护能力的提升更加显著!

上图为一体化水冷箱前端细节特写。

绿色剪头:防爆阀(快速平衡动力电池箱体内外压力)

白色箭头:动力电池高压线缆正负极接头

黑色箭头:手动维修开关(高压断电)

蓝色箭头:BMS线缆接头

黄色箭头:液态冷却液进出管路接头

以诺基亚9系列个人通讯终端作为电芯比对。

绿色剪头:纵置的电芯PACK(诺基亚9系列个人通讯终端)之间铺设导热层

白色箭头:下降的热量通过与电芯PACK(诺基亚9系列个人通讯终端)导入铝合金电池下壳体

黄色箭头:集聚在铝合金外壳体下端、两侧及上端的热量,通过液态循环管路(铝合金壳体下端内部)带出,进行低温预热或高 温散热伺服

黄色箭头:通过加工将一体化工艺,水冷箱底部外壳内铺设蛇形水道。

在铝合金箱体底部铺设的蛇形水道,使得乙二醇冷却液始终处于全封闭环境下运行。整个电池总成,不再铺设数量较多的冷却液管路以及容易出现渗漏的“三通”阀体。从根本上避免冷却液渗漏导致的安全事故。

而一体化水冷箱的上下壳体都设定为铝合金材质,这无形中增加了依靠自身导热的热交换效率。间接减低动力电池消耗的电量,提升续航里程。

目前行业内,针对不同种类电芯,不同车厂及动力电池供应商,开发不同动力电池总成热管理技术。

18650型电芯:

在电池箱体内部,围绕电芯PACK布设具备轻微形变的偏型散热管,覆盖将约30%圆柱形电芯表面积。各组PACK间的偏型散热管,通过适配的“三通”管路连接。

软包电芯:

在电池箱体内部,每组PACK中的软包电芯间隔散热板并用硅脂贴合。PACK采用柔性固定方式,以应对软包电芯正常范围的形变(膨胀)。或者在软包电芯PACK的1侧或对应2侧,贴合冷却板,板内预留散热水道。

方形电芯:

在电池箱体内部,方形电芯PACK两端加装散热层,散热层外铺设蛇形散热管路。每组PACK散热组件由“三通”连接。由于方形电芯外壳多为铝材,因此PACK采用不可形变的固定方式,以提高散(预)热效率。

无论哪种动力电池热管理技术解决方案,都要引入硅脂或替代物“粘贴”在电芯与散热基板。这就引发出一个“致命”问题。电芯、电芯PACK以及电池箱体总成,在不遭受外力作用,其寿命租客应对整车行驶16万公里(8年或16万公里,为车厂对电池的质保周期)。但是伺服电芯与散热基板的导热硅脂的寿命,随着使用环境的变化及恶劣,其寿命或在2年-3年。这就需要在电动汽车使用过车中,根据实际需求,对电池总成内部的导热硅脂进行开箱检查并重新涂抹。

一旦导热硅脂失效或效率下降,在一个较宽泛的临界周期,电芯的散热和预热伺服降低,使得动力电池及整车发生 “热失效”导致的燃烧事故几率提升。

因此,南京开沃研发的一体化水冷箱的技术,就是彻底避免以往散热基板与电芯PACK连接模式,从而摆脱导热硅脂与电池总成寿命差,出现的安全隐患。

笔者有话说:

截至目前,中国电动商用车市场发展增速显著提升,仅次于乘用车(电动)。在商用车领域中涉及公共安全的电动公交车以及旅游用车,替代传统动力车型的周期大幅缩短。这就意味着,采用高密度动力电池和电驱动技术为核心的电动公交车的安全性,将优先保障。

本文开篇提到的,宇通“黑金刚”、珠海银隆电动客车、特斯拉Model S电动汽车,在使用、停止以及充电环节,出现因设计缺陷、涉水浸泡以及充电环节,导致的燃烧、自燃和爆炸事故,已经典型的成为行业反面教材。

电动公交车的安全性能的保证,首先以动力电池总成,在复杂工况下主被动安全为突破。然后辐射至,整车设计、分系统匹配以及不同环境下使用经验的综合。然而,这种对核心技术要求高、研发周期长、风险高、成本大的做法,显然没有得到包括所谓中国商用车行业领头羊的认同。

至2020年,新能源车补贴完全退坡时,无论乘用车厂还是商用车厂,只有掌握核心技术,才能在纯粹市场牵引环境下,掌握主动权。对安全性有着极度甚至变态需求的商用(公交)车市场,也只有在包括动力电池的“3电”系统及整车制造方面入手,才可以将安全性、续航里程、充电兼容性、全寿命周期TCO以及运营利润比,进行更精准的平衡,以此获得终端客户的认可与市场的认可。

笔者认为南京开沃推出的一体化水冷箱,看似之时一项热管理技术的落地。然而这套可以适配电动客车、电动环卫车、电动物流车甚至南京开沃旗下所有新能源车型的标准化的动力电池热管技术,与其自主研发的电驱动模块、驱动电机、高压线缆以及分系统控制总成相匹配,足以撬动整个行业发展态势。

不客气的说,后来居上的南京开沃,依靠中国新能源市场发展态势,具备与所谓中国商用车行业老大掰掰手腕儿的核心技术硬实力与品牌溢价软实力。

文/新能源情报分析网宋楠

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