編者按
Honda e共有6個(gè)水冷板,布置在12個(gè)模組的底部,進(jìn)出水口設(shè)置在冷板的中間,進(jìn)出水管也布置在中間,相當(dāng)于整車的中英通道位置。
Honda e是本田第一個(gè)意義上的量產(chǎn)純電動(dòng),小巧、有顏值、有質(zhì)感,面向歐洲市場(chǎng),這款車推出的時(shí)間幾乎和大眾ID.3在同一個(gè)時(shí)期,依然不落下風(fēng),很受歐洲人的青睞,用二次元的語言說就是“歐洲人很吃它的顏”。
35.5kWh的電量,200公里的續(xù)航,30分鐘內(nèi)充滿80%電量,妥妥的城市代步車,這些都是通過下面這個(gè)電池包來實(shí)現(xiàn)的。
為了維持整車良好的性能,Honda e需要對(duì)車上的幾個(gè)主要電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件進(jìn)行溫度管理,讓每個(gè)部件都處在它最舒服的范圍,即所謂的熱管理設(shè)計(jì)。這幾個(gè)部件是:電池、DCDC/OBC、電機(jī)、電控(PCU)。這幾個(gè)部件所需要的溫度區(qū)間,以及在什么工況下需要進(jìn)行熱管理,如下表所示。
表中可以看出,電池的工作溫度區(qū)間最低,DCDC/OBC溫度區(qū)間稍高,電機(jī)電控的溫度最高,并且電池需要在所有場(chǎng)景下進(jìn)行溫度管理。識(shí)別這個(gè)溫度區(qū)間的高低很重要,它關(guān)系到如何來進(jìn)行水冷架構(gòu),很明顯,假設(shè)這些部件在同一個(gè)回路,那么在冷卻時(shí),冷卻液要先經(jīng)過電池,再流向DCDC/OBC,最后再流到PCU(電控),再流到電機(jī),因?yàn)樵较蚝螅鋮s液的溫度越高。
根據(jù)溫度區(qū)間的高低,在劃分熱管理架構(gòu)時(shí):電池、DCDC/OBC作為一個(gè)回路,PCU作為一個(gè)回路,電機(jī)作為一個(gè)回路。整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理架構(gòu)圖如下(看不懂直接PASS,后面會(huì)再細(xì)講,然后你再回頭來看這個(gè)總圖):
我們重點(diǎn)來看下電池的熱管理設(shè)計(jì),分為三部分,一是總體的策略,二是電池水冷板的設(shè)計(jì),三是加熱策略的設(shè)計(jì)。
總體熱管理策略:
(1)為避免電池過加熱或是過冷卻,將采用Battery-Bypass模式,即水冷回路不經(jīng)過電池,這個(gè)模式通過三向閥EWV1開,三向閥EWV2關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)。
(2)如果對(duì)電池進(jìn)行,或是不用電加熱器來加熱電池的話,將采用Non-Bypass模式,此時(shí)閥1關(guān)閉,閥2也關(guān)閉,回路先流過電池,再流到DCDC和OBC。
(3)如果需要用電加熱器來對(duì)電池進(jìn)行加熱,那就會(huì)采用Radiator –Bypass模式,即繞過散熱器,此時(shí)閥1,閥2都關(guān)閉,電加熱器EWH開啟。
這樣,根據(jù)電池的溫度和冷卻液的溫度(通過溫度傳感器CTS獲得)建立起的坐標(biāo),如下,將電池的溫度區(qū)間劃分為5個(gè),分別為區(qū)A/B/C/D/E/F。
A區(qū):是電池最舒適的溫度區(qū)間,不需要冷卻或加熱,所以冷卻回路不經(jīng)過電池;
B區(qū):冷卻液的溫度太高,會(huì)傷到電池(高于溫度上限),所以回路也要繞過電池;
C區(qū):冷卻液的溫度太低,會(huì)讓電池的溫度低于下限,所以冷卻回路也要繞過電池;
D區(qū):電池的溫度過高,需要冷卻,所以切換到Non-Bypass模式;
E區(qū):電池的溫度過低,需要加熱,所以切換到Non-Bypass模式。F:加熱繞過散熱器,可轉(zhuǎn)向C/E區(qū)。
電池水冷板的設(shè)計(jì)
Honda e共有6個(gè)水冷板,布置在12個(gè)模組的底部,進(jìn)出水口設(shè)置在冷板的中間,進(jìn)出水管也布置在中間,相當(dāng)于整車的中英通道位置。這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于水冷管路的結(jié)構(gòu)安全性高,缺點(diǎn)在于與主回路高壓在同一位置(上下),冷卻液泄漏、冷凝水的風(fēng)險(xiǎn)較高。
水冷管為口琴管式,里面共有18個(gè)流道,流道的作用在于增加水冷管的強(qiáng)度、增加管內(nèi)冷卻液的均溫性、增加管的可制造性;模組與水冷板之間設(shè)計(jì)有導(dǎo)熱墊,以提高電池與冷卻液之間的導(dǎo)熱率,整個(gè)模組與水冷板結(jié)構(gòu)的剖視圖如下:
這個(gè)熱界面(模組底部與水冷板)面臨的主要挑戰(zhàn)在于:如何用最簡(jiǎn)單的方案,保證熱界面一直保持著良好的接觸;冷板裝配的公差。Honda e還是有不少的創(chuàng)新值借鑒,包括冷板的支撐彈簧、導(dǎo)熱墊的粘彈特性、冷板的橡膠支撐(考慮橡膠的熱特性、老化特性等),綜合起來,不斷優(yōu)化。
另一個(gè)需要處理的是保證每個(gè)冷板的流量和流速,為了達(dá)到此,本田對(duì)進(jìn)出不同位置水冷板的管道直徑進(jìn)行了差異化設(shè)計(jì),如下表:
電池加熱策略
加熱的優(yōu)先與否取決于以下幾個(gè)方面:整車是否在充電(Plug in),是否預(yù)設(shè)了空調(diào)制暖,是否有遠(yuǎn)程加熱需求等,總體的策略如下表:
結(jié)合表來看:
(1)在低溫環(huán)境下,開車前會(huì)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱,這樣能夠提電池的輸出功率和電能,電池預(yù)熱后再進(jìn)行空調(diào)預(yù)加熱。
(2)低溫度下,充電,對(duì)電池的預(yù)熱與充電同時(shí)啟動(dòng)。該種情況有些車企業(yè)的策略是先利用電網(wǎng)的電對(duì)電芯進(jìn)行加熱。
(3)低溫度環(huán)境下,整車沒有處于充電即充電器沒有接入電網(wǎng),此時(shí),為了保護(hù)電池,會(huì)在電池降低至預(yù)定的溫度時(shí)自行啟動(dòng)加熱,當(dāng)電池溫度回升到一定的數(shù)值時(shí),停止加熱,隨后如果電芯溫度再次降低到低點(diǎn),再次啟動(dòng)加熱。
(4)低溫行駛會(huì)進(jìn)行邊行駛邊加熱,以提高電芯的輸出功率,電芯溫度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),停止加熱,以節(jié)省電能。
從本田對(duì)Honda e這套熱管理系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)際使用來看,效果還是不錯(cuò),例如在低溫下開車前預(yù)加熱、和不預(yù)加熱兩種情況對(duì)比,采用預(yù)加熱的可以多出26%的續(xù)航里程。
在此之前,日企對(duì)電池的熱管理相對(duì)推崇自然冷卻或風(fēng)冷,更多強(qiáng)調(diào)電芯本體的安全,像豐田Prius、日產(chǎn)Leaf,但高比能電芯熱穩(wěn)定性差,水冷系統(tǒng)將是該類電芯的必然選擇,本田是第一個(gè)嘗試電動(dòng)汽車水冷方案的日企。
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原文標(biāo)題:Honda e動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理與冷板設(shè)計(jì)解析
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