編者按
Honda e共有6個水冷板,布置在12個模組的底部,進出水口設置在冷板的中間,進出水管也布置在中間,相當于整車的中英通道位置。
Honda e是本田第一個意義上的量產純電動,小巧、有顏值、有質感,面向歐洲市場,這款車推出的時間幾乎和大眾ID.3在同一個時期,依然不落下風,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公里的續航,30分鐘內充滿80%電量,妥妥的城市代步車,這些都是通過下面這個電池包來實現的。
為了維持整車良好的性能,Honda e需要對車上的幾個主要電驅動系統部件進行溫度管理,讓每個部件都處在它最舒服的范圍,即所謂的熱管理設計。這幾個部件是:電池、DCDC/OBC、電機、電控(PCU)。這幾個部件所需要的溫度區間,以及在什么工況下需要進行熱管理,如下表所示。
表中可以看出,電池的工作溫度區間最低,DCDC/OBC溫度區間稍高,電機電控的溫度最高,并且電池需要在所有場景下進行溫度管理。識別這個溫度區間的高低很重要,它關系到如何來進行水冷架構,很明顯,假設這些部件在同一個回路,那么在冷卻時,冷卻液要先經過電池,再流向DCDC/OBC,最后再流到PCU(電控),再流到電機,因為越向后,冷卻液的溫度越高。
根據溫度區間的高低,在劃分熱管理架構時:電池、DCDC/OBC作為一個回路,PCU作為一個回路,電機作為一個回路。整個動力系統的熱管理架構圖如下(看不懂直接PASS,后面會再細講,然后你再回頭來看這個總圖):
我們重點來看下電池的熱管理設計,分為三部分,一是總體的策略,二是電池水冷板的設計,三是加熱策略的設計。
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,即水冷回路不經過電池,這個模式通過三向閥EWV1開,三向閥EWV2關閉來實現。
(2)如果對電池進行,或是不用電加熱器來加熱電池的話,將采用Non-Bypass模式,此時閥1關閉,閥2也關閉,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電池進行加熱,那就會采用Radiator –Bypass模式,即繞過散熱器,此時閥1,閥2都關閉,電加熱器EWH開啟。
這樣,根據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,如下,將電池的溫度區間劃分為5個,分別為區A/B/C/D/E/F。
A區:是電池最舒適的溫度區間,不需要冷卻或加熱,所以冷卻回路不經過電池;
B區:冷卻液的溫度太高,會傷到電池(高于溫度上限),所以回路也要繞過電池;
C區:冷卻液的溫度太低,會讓電池的溫度低于下限,所以冷卻回路也要繞過電池;
D區:電池的溫度過高,需要冷卻,所以切換到Non-Bypass模式;
E區: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,可轉向C/E區。
電池水冷板的設計
Honda e共有6個水冷板,布置在12個模組的底部,進出水口設置在冷板的中間,進出水管也布置在中間,相當于整車的中英通道位置。這個設計的優點在于水冷管路的結構安全性高,缺點在于與主回路高壓在同一位置(上下),冷卻液泄漏、冷凝水的風險較高。
水冷管為口琴管式,里面共有18個流道,流道的作用在于增加水冷管的強度、增加管內冷卻液的均溫性、增加管的可制造性;模組與水冷板之間設計有導熱墊,以提高電池與冷卻液之間的導熱率,整個模組與水冷板結構的剖視圖如下:
這個熱界面(模組底部與水冷板)面臨的主要挑戰在于:如何用最簡單的方案,保證熱界面一直保持著良好的接觸;冷板裝配的公差。Honda e還是有不少的創新值借鑒,包括冷板的支撐彈簧、導熱墊的粘彈特性、冷板的橡膠支撐(考慮橡膠的熱特性、老化特性等),綜合起來,不斷優化。
另一個需要處理的是保證每個冷板的流量和流速,為了達到此,本田對進出不同位置水冷板的管道直徑進行了差異化設計,如下表:
電池加熱策略
加熱的優先與否取決于以下幾個方面:整車是否在充電(Plug in),是否預設了空調制暖,是否有遠程加熱需求等,總體的策略如下表:
結合表來看:
(1)在低溫環境下,開車前會對電池進行預熱,這樣能夠提電池的輸出功率和電能,電池預熱后再進行空調預加熱。
(2)低溫度下,充電,對電池的預熱與充電同時啟動。該種情況有些車企業的策略是先利用電網的電對電芯進行加熱。
(3)低溫度環境下,整車沒有處于充電即充電器沒有接入電網,此時,為了保護電池,會在電池降低至預定的溫度時自行啟動加熱,當電池溫度回升到一定的數值時,停止加熱,隨后如果電芯溫度再次降低到低點,再次啟動加熱。
(4)低溫行駛會進行邊行駛邊加熱,以提高電芯的輸出功率,電芯溫度達到一定的數值時,停止加熱,以節省電能。
從本田對Honda e這套熱管理系統的測試與實際使用來看,效果還是不錯,例如在低溫下開車前預加熱、和不預加熱兩種情況對比,采用預加熱的可以多出26%的續航里程。
在此之前,日企對電池的熱管理相對推崇自然冷卻或風冷,更多強調電芯本體的安全,像豐田Prius、日產Leaf,但高比能電芯熱穩定性差,水冷系統將是該類電芯的必然選擇,本田是第一個嘗試電動汽車水冷方案的日企。
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原文標題:Honda e動力電池系統熱管理與冷板設計解析
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