廣汽豐田C-HR EV電驅動技術及動力電池主動式風冷散熱策略篇

廣汽豐田C-HR EV電驅動技術及動力電池主動式風冷散熱策略篇

2020年4月22日,廣汽豐田首款基於豐田TNGA架構的電動汽車C-HR EV上市。此次上市的C-HE EV電動汽車共有5款車型,售價區間為22.58萬元至24.98萬元(扣除補貼後)。

廣汽豐田C-HR EV採用與燃油版C-HE相同的外觀及內飾設定,然而基於豐田TNGA架構的設計思路(跨車型、車系和驅動方式的分系統通用化、低成本化以及可回收需求設定),並不能單純認作是“油改電”的產物。搭載1組能量密度131Wh/kg、適配主動式風冷散熱+低溫電加熱控制策略、裝載電量54.3度電的三元鋰動力電池總成(松下提供方形三元鋰電芯);集成1組前置最大輸出功率150千瓦、最大輸出扭矩300牛米的驅動電機;NEDC續航里程400公里的C-HR EV整車尺寸(長寬高4405/1795/1575mm、軸距2640mm)與燃油版幾乎沒有差別。

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對比豐田版C-HE EV和廣汽豐田版C-HE EV,兩款由不同生產商製造的車型技術狀態幾乎一致。根據此前官方發佈的相關預熱稿件細節研讀判定,由廣汽豐田C-HE EV“標配”1組前置最大輸出功率150千瓦驅動電機、由松下提供的方形三元鋰電芯及主動風冷散熱控制策略構成的動力電池總成。

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通過對廣汽豐田C-HE EV前部動力艙諸多分系統技術狀態綜合研判,依舊可以獲得太多沒有提及的技術設定。起碼,目前可以確定的是,廣汽豐田量產的C-HE EV採用“2合1”驅動電機總成(黃色箭頭)、品質穩定的G92A0系列“2合1”電控系統總成、“半鑲嵌”在車身焊接下端的主動式風冷散熱動力電池總成(藍色箭頭)。

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受疫情影響,或在未來相當一段時間不能原創實拍廣汽豐田C-HE EV動力艙及動力電池諸多技術細節,新能源情報分析網就廣汽豐田C-HR EV適配的動力電池熱管理策略進行“雲評測”。

1、廣汽豐田C-HE EV電驅動技術:

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廣汽豐田C-HE EV“標配”1組前置最大輸出功率150千瓦驅動電機、由松下提供的方形三元鋰電芯及主動風冷散熱控制策略構成的動力電池總成。不過,出現在豐田製造的諸多HEV和PHEV車型上的電機控制+DCDC“2合1”電控系統總成,仍然出現在廣汽豐田C-HE EV動力艙內,不夠根據電機功率的提升,技術細節將會相應改進。

白色箭頭:編號為G92A0-4XXXX的電機控制+DCDC的“2合1”電控系統總成

黃色箭頭:疑似驅動電機及控制模組和OBC

紅色箭頭:驅動電機、OBC、DCDC等分系統共用的高溫散熱循環管路補液壺

藍色箭頭:電液一體化的制動總泵

綠色箭頭:與電液一體化關聯的ABS閥體

通過目測識別,豐田C-HE EV的電驅動系統依舊是在以往量產的HEV車型和PHEV車型基礎上進行適應性配置而來。其中,從初代由日本製造的普銳斯(HEV),到在天津由一汽豐田製造的普銳斯(HEV)、卡羅拉雙擎(HEV)和廣汽豐田製造的雷凌雙擎(HEV),2017年量產的卡羅拉雙擎E+(PHEV)和雷凌雙擎E+(PHEV),以及同時期量產的豐田凌志HEV眾多車型,都在使用編號為G92A0-4XXXX的“2合1”電控系統總成(在豐田維修體系中標註為逆變器)。

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當然,這種將電機控制模組和DCDC進行“2合1”總成的分系統,會根據應對驅動模式、電機功率以及散熱需求進行重新適配。隨著豐田HEV車型發展與車系豐富,編號為G92A0-4XXXX的“2合1”電控系統總成內置的IGBT芯片反向導通絕緣柵雙極晶體管實現小型化和低損耗化、並使用雙面液冷散熱技術。

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豐田為不同年代製造的HEV車型搭載的DCDC控制模組,一直採用單獨的液冷散熱系統。例如廣汽豐田製造的雷凌雙擎,1.8排量的汽油機與DCDC控制模組單獨設定散熱管路及散熱器,為的是讓標定功率點不同、散熱溫度點不同的2組“動力源”始終運行在預設的大環境。

2、廣汽豐田C-HE EV動力電池主動式風冷散熱策略:

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豐田C-HE EV前部動力艙內各分系統技術狀態細節特寫-2。

黃色箭頭:由偉巴斯特提供的PTC控制模組(伺服駕駛艙空調製熱)

藍色箭頭:伺服PTC控制模組的散熱循環管路補液壺

紅色箭頭:固定在防火牆的空調系統膨脹閥體

豐田及廣汽豐田製造的C-HE EV的動力電池熱管理技術(策略),使用有別於當下主流車型適配的以冷卻液為傳導介質,基於車載空調壓縮機為製冷源+密封管路+空氣(冷熱交換介質)+風扇構成的主動式風冷散熱的解決方案。當然,駕駛艙空調製熱功能,由偉巴斯特提供的PTC控制模組+冷卻液(熱傳導介質)構成。

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上圖為廣汽豐田C-HE EV電動汽車的動力電池熱管理策略流程圖。

由於三元鋰電池的特性所致,在高溫工況長時間運行而得不到散熱時,電芯將會受到不可逆的損傷。一旦電芯溫度突破設定的極限(過沖、過放以及碰撞破裂)電極和電解液發生短路引發起火、燃燒或爆炸事故。因此,2020年在中國及全球範圍量產的主流新能源車,都為動力電池標配了液態熱管理系統。

豐田及廣汽豐田量產的C-HE EV電動汽車,採用了有別於其他車型適配的動力電池液態熱管理技術及控制策略。但是,C-HE EV電動汽車的動力電池主動式風冷散熱控制技術解決方案,卻可以獲得與動力電池液態熱管理技術相類似的散熱效果。

由車載電動壓縮機作為唯一的製冷源,通過閥體和管路將駕駛艙製冷與電池製冷循環管路設定在一個即可單獨運行又可同時運行的大循環架構下。

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在動力電池總成殼體內,蒸發器與承載冷量的空調管路關聯並進行“熱量交換”。電芯產生的熱量,通過圍繞模組設定的封閉管路內的空氣進行“冷量交換”並循環至駕駛艙內的冷凝器。以此往復,電芯產生的熱量,在動力電池總成殼體內的風扇、管路、承載冷量的空氣交互作用下,進行主動式風冷熱管理。根據廣汽豐田官方消息看,動力電池殼體內的“一進一出”的主風道,還具備承載側向撞擊的能力,提升“半懸置”的動力電池總成被動安全性。

對於動力電池低溫預熱功能的實現,沒有依託空氣管路進行加熱空氣的做法,而是額外在電芯和模組間鋪設加熱材料達到低溫預熱目的。

3、C-HE EV適配松下方形三元鋰電池:

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對於廣汽豐田C-HE EV車型搭載的松下提供的三元鋰電池系統更有意思。由日本松下製造的的圓柱形18650鈷酸鋰、18650型鎳鈷鋁和21700型鎳鈷鋁三元系電芯組成的動力電池總成,被用在特斯拉Model S、Model X以及特斯拉Model 3上。然而更早些的2000年代,松下製造的圓柱形18650型鋰電池成為東芝製造的手提電腦的標準動力源。

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從2012年-2020年,搭載松下圓柱形各系列三元鋰電芯的特斯拉各型電動車,在全球範圍發生近60宗因停放、行駛、碰撞和充電工況引發自燃、起火爆炸等事故(最近一宗事故在2020年4月的中國臺灣省,特斯拉Model 3碰撞後駕駛員燒成焦炭)。

需要注意的是,搭載松下提供的圓柱形18650三元鋰電芯的特斯拉各型電動車出現的爆炸事故,並不意味著18650或21700型電芯不安全,而是集4千-9千節圓柱電芯的動力電池本身存在安全隱患。特斯拉也一直在對BMS控制策略和電芯佈置技術進行升級,以降低爆炸事故發生幾率(上海製造的特斯拉Model 3選用更加安全、由寧德時代提供方形磷酸鐵鋰電芯)。

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然而與松下結成聯盟的豐田,並未引入成熟且成本更低的圓柱形電芯及動力電池系統,而是採用方形硬殼三元里電芯,並自行生產動力電池總成、適配獨具特色的基於空調系統的主動式風冷散熱策略。

採用更大單體的硬殼三元鋰電芯,意味著電芯及模組數量更少,電極觸電、高壓線纜以及附屬支持系統更少。需要特別注意的是,廣汽豐田C-HE EV電動汽車適配的主動式風冷散熱解決方案,空氣作為冷熱交換的唯一載體替代了冷卻液,從根本上杜絕了動力電池內部管路破裂冷卻液洩露的安全隱患。從根本上避免了裝載近萬餘節圓柱電芯帶來的電池系統技術缺陷與整車層面的安全隱患。

筆者有話說:

此次廣汽豐田推出的基於豐田同步輸出電驅動及動力電池熱管理策略解決方案的C-HE EV,體現了這一品牌對中國新能市場發展認可的態度。

在廣汽豐田現有的銷售體系中,HEV、PHEV車型和技術方案,全部來自豐田的普銳斯HEV和普銳斯PHEV車型。對於EV車型的缺失,廣汽豐田直接將廣汽集團下屬的廣汽新能源AION S車型以“不換標”的形式直接拿來銷售。這就出現了在廣汽豐田4S店中出現了懸掛豐田標識和廣汽標識的兩種新能源車共同存續的狀態。甚至,完全相同的廣汽豐田IA5與廣汽新能源AION S,以3-4萬元差價同時銷售狀態。現在,C-HE EV車型的推出,結束了豐田在中國市場缺失採用豐田技術的EV車型的空白。

2000年代以進口散件國內組裝形式量產的普銳斯(HEV+鎳氫電池);2010年代核心分系統國產化的雷凌雙擎(HEV+鎳氫電池)和雷凌雙擎E+(PHEV+外置風冷三元鋰電池);2020年代全部國產化的C-HEV EV(EV+內置主動風冷三元鋰電池)電驅動技術並未進行質的升級,而是逐步進行性能提升。

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2020年量產、或在2017年確定諸多技術參數的廣汽豐田C-HE EV電動汽車的動力電池能量密度設定為131Wh/kg,明顯不是為了獲得財政補貼。比能量密度131Wh/kg,與主動式風冷散熱技術(無冷卻液)及熱管理策略,以及動力電池外殼體的保護措施,構成了廣汽豐田C-HE EV主被動安全措施,在一定程度上彌補了使用燃油版車身焊接存在一些技術不足(動力電池下殼體裸露在車身焊接之外)。

對於廣汽豐田C-HE EV電動汽車實際的充放電效率和續航里程錶現,將會在後續持續報道。

文/新能源情報分析網宋楠


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