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深度:横评多款EV车型空调和电池PTC加热技术和策略

归档日期:11-29       文本归类:爆炸深度      文章编辑:爱尚语录

  临近冬季,中国的北方区域气温骤然下探至-5、-10甚至-20摄氏度。出行压力增大的同时,EV车型的续航里程和充放电效率的降低的幅度同比增加。不过,诸多整车厂为了应对因为气温的降低导致的动力电池充放电效率衰减,配置了包括保温和预热等主被动“恒温”技术。

  为动力电池总成铺设保温材料归属于被动技术(策略),虽然不占用动力电池宝贵的装载电量,却难以有效抵御低温和高温对电池电芯温度的影响(以至于电量衰减引发的续航里程缩短);与此同时,一些锐意进取的车厂,为了让动力电池电芯处于25-38摄氏度的“恒温”区间(充放电效率稳定且安全,不会引发热失控),引入了液态热管理系统(高温散热和低温预热)和策略。

  实际上,对于续航、充电、放电和安全设计需求的平衡,整车厂根据自身产品定位和技术储备,有着不同的理解和认知。然而,归作为EV车型唯一的储能单位,动力电池装载的电量如何分配,使得EV车型在极端气候环境下的续航、充放电及安全表现不尽相同。

  本文为新能源情报分析网,针对不同品牌车厂的不同EV车型的空调系统和动力电池热管理系统的PTC技术状态和控制策略横向比对。力争让更多潜在购车者和存量车主,分清PTC技术状态的不同,对EV车型的续航、充放电及整车安全的影响程度。

  2018年-2019年中国市场量产的主流EV车型,都配置了为驾驶舱和动力电池伺服的PTC技术系统。EV车型(PHEV)适用的PTC技术,指的是适用直流电驱动的陶瓷加热器。通过PTC模组,为流通的冷却液加热,经过电子水泵送至驾驶舱鼓风机提供制热伺服;经过电子水泵送至动力电池总成提供电芯低温预热伺服。

  上图是450型电动汽车为驾驶舱空调提供制暖伺服的PTC模组、电子水泵及管路结构简图。

  上图为6改型电动汽车,为动力电池提供低温预热伺服的PTC模组、电子水泵及管路结构简图。

  无论什么品牌的EV车型,驾驶舱空调制热系统对温度的需求,远高于动力电池电芯的低温预热系统温度需求。基本上伺服驾驶舱空调系统的PTC模组功率都在6-7千瓦,伺服动力电池总成的PTC模组功率普遍在3-5千瓦左右左右,也有动力电池装载电量较大而采用与驾驶舱空调系统相同功率的PTC模组。

  不论采用什么样的驾驶舱空调制热和动力电池低温预热D的PTC技术和策略,都需要使用动力电池装载电量用来驱动。而细分出来的多种不同PTC技术和控制策略,又作用于整车表现出不同的续航里程、充放电效率和整车安全性设定。

  2018年量产的450型电动汽车,配置了3套循环系统用于电驱动、驾驶舱空调制热、动力电池高温散热及低温预热功能的伺服。

  2016年、2017年和2018年,比亚迪先后推出秦EV秦EV300和秦EV450电动汽车秦EV先后配置了1、2、3套循环系统。为了应对续航里程的提升,换装密度更高的三元锂电池秦EV系列车型适配更完善控制策略更复杂的热管理系统。至秦EV450搭载3套循环系统,3组不可变流量电子水泵以及附属的管路,对整车可靠性要求更高了。

  2、3套循环管路、1+0.5组PTC模组伺服的北汽新能源EU5 R550:

  2018年量产的北汽新能源EU5R550电动汽车,在EU5 R500电动汽车适配1套用于电驱动的散热系统基础上,增加了2套循环系统用于驾驶舱空调制热、动力电池高温散热及低温预热功能的达成。

  配置3套循环系统的北汽新能源EU5R550电动汽车,EMD3.0电驱动系统单独伺服1套高温散热循环管路;驾驶舱空调制制热系统单独配置1组用于调节温度非电驱动PTC模组和1套循环管路;动力电池热管理系统的串联1组大功率PTC模组和1组水冷板模组并共享1套循环管路。

  有意思的是,用于动力电池低温预热伺服的PTC模组,为上海奉天提供、最大输出功率7千瓦。在“3通”阀体的配合下,分流经过PTC模组加热至不同温度的冷却液,或单独或同步为驾驶舱空调系统和动力电池低温预热系统进行伺服。

  实际上,北汽新能源EU5R550\EX3\EU7共用相同电驱动技术的EV车型,仅由1组7千瓦功率PTC模组为驾驶舱空调制热系统和动力电池低温预热系统提供伺服。位于鼓风机内的这套“半功能”小型PTC模组不具备调剂温度的设定。

  2018年量产的GSe与2019年量产的几何 A电动汽车的电驱动系统和动力电池热管理系统,都源于帝豪EV450型电动汽车帝豪EV450、GSe和几何 A电动汽车,适配1组伺服电驱动系统高温散热循环管路、1组用于驾驶舱空调制热和动力电池液态热管理系统的循环管路。

  上图为吉利几何 A开启驾驶舱空调制热模式,动力舱内PTC模组运行时热成像特写。

  这套旨在伺服动力电池液态热管理系统的循环管路,串联了1组由伟巴斯特提供、最大输出功率7千瓦PTC模组与1组水冷板模组。在驾驶舱空调制热模式,PTC模组通过“三通”阀体切换至通往蒸发箱体管路;在动力电池低温预热功能开启,PTC模组通过“三通”阀体切换至通往动力电池循环管路;在两种模式同步开启时,“三通”阀体全部开启向驾驶擦和动力电池输出不同温度的冷却液。

  2016年量产的帝豪EV采用风冷被动散热动力电池策略,只有1套针对电驱动系统的热管理系统;2017年量产的帝豪EV300采用2套循环管路(1套用于电驱动、1套用于驾驶舱空调制热和动力电池热管理);2018年量产的帝豪EV450、GSe以及2019年量产的GSe400与几何 A,继承了2套循环系统技术。进化了驾驶舱空调制热系统和动力电池低温预热系统,两组技术状态和同为7千瓦功率的PTC模组及单独管路分别伺服的控制策略。

  2019年11月量产的北京奔驰EQC电动汽车,基于E级车型“油改电”而来。采用2组异步感应“3合1”电驱动总成+装载电量80度电的三元锂动力电池构成。作为合资品牌的北京奔驰EQC适配的电驱动技术,与2014年前后上市的特斯拉S的相差无几。不过125wh/kg的动力电池总成能量密度,却有助于降低热失控带来的燃烧几率,减少热管理系统的设计指标和运行压力。

  基于北京奔驰E“油改电”而来的EQC,将2组完全相同功率的PTC模组(红色箭头),搁置在前部动力舱并远离防蒸发箱体和动力电池总成。

  北京奔驰EQC采用2组输出功率同为5.2千瓦、德国艾贝尔提供的PTC模组,为驾驶舱空调制热以及动力电池低温预热系统提供伺服。结合北京奔驰EQC的车身尺寸和动力电池装载电量,采用相同中等功率的PTC模组,应对温度需求相差较大的伺服目标,颇有一种“刚刚够”的感觉。

  2018年上市的续航301公里6基型,适配2组循环系统(1组伺服电驱动系统、1组伺服驾驶舱空调制热系统)。2019年11月上市的续航410公里的6改型,在微蓝6的基础上增加了1套针对动力电池的高温散热和低温预热的液态循环系统。

  尽管6改型采用源于的分散式电驱动技术,但是在动力电池热管理技术和策略大幅领先。

  6改型EV的驾驶舱空调制热系统,由一组最大输出功率3.5千瓦的PTC模组伺服(标定最高温度超过100摄氏度)。6改型的动力电池液态热管理系统的低温预热系统,由1组最大输出功率5千瓦、由德国艾贝尔提供的PTC模组伺服(标定最高温度35摄氏度)并与水冷板模组串联在一个单独设定的循环管路。

  2019年11月上市的北京现代昂希诺EV,续航里程标定在500公里级、搭载能量密度146.6Wh/kg、装载电量64.2度电、适配完整液态热管理系统的动力电池总成。需要特别注意的是,北京现代制造的昂希诺EV,并不是简单的同步欧美市场上市的现代KONA原型车“照搬”。而是,换装了宁德时代提供的方形NCM电芯,并将原有的电驱动和动力电池液态热管理系统共用的循环系统一分为二。

  昂希诺EV适配的PTC模块通过长度不超过150mm管路,前置于动力电池总成前部,用最少管路长度、最短时间将加热的冷却液“泵”入动力电池总成内部,达到在低温工况运行的电芯进行预热伺服的目的。

  上图为北京现代昂希诺EV驾驶舱鼓风机内设定的电驱动PTC芯体总成结构简图。这组用于驾驶舱空调制热的电驱动暖风箱体类PTC模组总成(绿色框体),由芯体(红色区域)和电驱动壳体(蓝色箭头)构成。

  伺服驾驶舱空调制热系统的电驱动暖风箱体类PTC模组,被布置在仪表台后部的暖风机总成内。伺服动力电池热管理系统的PTC模组,被布置在动力电池总成前端。这种有利于节省热(电)量的设定,与基于正向研发的车型平台不可分割。

  1、2套循环管路、1套全新电驱动PTC模组+可变流量水泵+电池用PTC模组伺服的唐EV:

  2019年比亚迪推出了基于“e平台”电驱动技术解决方案的秦Pro EV元EV、e1、宋Pro EV和唐EV等新车系。适配了“3合1”电驱动总成以及“622”配比的NCM锂电池同时,对PTC系统性能的提升“静悄悄”的进行了。

  售价从7万元-30万元适配“e平台”的EV车型,在2018年量产的秦EV450和宋EV500车型使用两组不同功率PTC模组的基础上,更换了电耗更小的驾驶舱空调制热PTC,简化了相关伺服管路数量和制造成本。

  通过查询比亚迪配件系统,唐EV甚至唐DM等2019年比亚迪量产新能源车型,全部采用这种有别于其他品牌车型适配的电(非店)驱动(加热)暖风箱体类PTC模组(技术)。这种采非电加热冷却液技术,省去了冷却液、管路、电子水泵、相关线缆以及控制模组。这种不算先进的PTC技术,最大优势就是节能了源自动力电池非驱动用电量(最大输出功率1.5千瓦-3千瓦不等)。

  在比亚迪系高端EV和DM车型上,通过可变流量电子水泵的配合,为装载不同电量的动力电池配置不同功率的PTC模组,用于精准控制低温预热(高温散热)的温度范围。

  2018年量产的,根据客户需求可以灵活的配置不同热管理系统(策略)。在南方市场,标配用于动力电池高温散热用水冷板模组,并可以去掉用于动力电池低温预热PTC模组。在北方市场,标配用于动力电池低温预热PTC模组,还可以额外购买一组柴油机用于动力电池极低温预热。

  就在前不久造车新势力的威马,还推出EX5的改款车型。在诸多改进项目中,尤其增加了燃油箱容易,旨在为柴油发动机提供更长使用周期。然而,无论早些时候上市的威马EX5老款车型,还是新上市的威马EX5改款车型,只要配置用于动力电池低温预热的柴油发动机系统,都没有安装在尿素配合下的尾气净化装置。

  此前威马官方发布了EX5动力电池热管理策略,基于水冷板模组的高温散热功能开启后温度保留在38摄氏度;基于PTC模组的低温预热功能开启点在5摄氏度;基于柴油发动机的低温预热功能开启点在0摄氏度。

  2018年早些时候量产的上汽荣威ei5 400电动汽车,在300车型基础上增加了动力电池装载电量(52.5度电)并延长了续航里程(400公里级)以及分布式电驱动系统。唯独重要技术升级在增加了旨在伺服动力电池高温散热液态热管理系统。

  荣威ei5 400电动汽车适配2套循环系统,1套伺服分散式电驱动系统、1套伺服动力电池高温散热系统。标配的热泵空调系统只具备驾驶舱空调制热功能,单独设定的动力电池循环管路,串联1组水冷板模组而没有配置PTC模组。

  结合上汽荣威系MARRVL X和ERX5电动汽车依旧配置风冷被动散热动力电池总成,ei5 400只配置动力电池高温散热功能,看来上汽荣威是彻底放弃北方市场。

  基本上这种A0级售价7万元区间的入门级电动汽车,仅有1套伺服电驱动系统的循环系统。驾驶舱空调制暖系统采用电加热PTC模组、动力电池没有配置液态高温散热和低温预热功能。如果长期在高温工况下高负载使用,动力电池热失控引发的燃烧几率较高;低温工况下使用,充放电效率降低,且有效续航里程大幅缩短。

  长城欧拉R1使用的风冷被动散热动力电池总成密度160wh/kg,相对雷诺e和启辰e30使用的被动式风冷散热动力电池总成密度分别为142Wh/kg和148.5Wh/kg高得多。无形中,在高温工况下,长城欧拉R1的整车安全性弱于雷诺e和启辰e30。

  在以上提及的EV车型中,北汽新能源适配上海奉天提供的PTC模组;比亚迪使用自行研发和量产的PTC模组;吉利帝豪EV450、GSe400和几何 A使用伟巴斯特提供的PTC模组;北京奔驰、上汽通用别克微蓝6 400、上汽荣威ei5 400、威马EX5都采用艾贝尔提供的PTC模组。

  售价50万元起得北京奔驰EQC的电驱动技术最为落后、整车及动力电池热管理系统布置被源自燃油车的车型平台牵制效率较低,相同功率的PTC模组能耗较大。

  450、GSe400、几何 A三款车型适配完全相同的热管理系统,可靠性很高几乎没有因质量而更换(通过吉利新能源瑞意达4S店售后部门反馈,这三款车型的PTC系统没有出现因为质量原因索赔更换案例)。

  6 400与上汽荣威ei5 400使用几乎相同的分散式电驱动技术,但是微蓝6 400配置适用全国南北方完整的动力电池热管理系统(配置2组不同功率PTC模组的高温散热系统和由1组水冷板模组构成的低温预热系统),对全气候环境的充放电效率、续航里程表现,完全超过了放弃北方市场没有动力电池低温预热功能的荣威ei5 400。

  造车新势力的威马EX5,虽然配置用于动力电池低温预热工鞥的PTC模组,可是需要客户额外购买的柴油机预热系统确实有助于提升低温工况动力电池表现能力,却没有安装任何尾气净化装置。基于造车新势力严重依赖融资续命的客观存在,以及动力电池高温散热功能开启后依旧保持在38摄氏度的技术设定,威马EX5及后续的EX6等车型不建议购买。

  北汽新能源EU5R550和EX3适配的驾驶舱空调制热系统的非电驱动PTC模组能耗低,伺服动力电池低温预热系统的7千瓦PTC模组使用效率高。

  作为合资品牌的北京现代同步引入的昂希诺EV,单独设定的动力电池热管理系统使得安全性设定上超过了海外市场同步上市的原型车。集成在驾驶舱空调系统内的电加热冷却液的小功率PTC模组,靠近动力电池前端的PTC模组的设定,在制热效率和低能耗层面碾压北京奔驰EQC将2组相同功率PTC模组设定在动力舱受制于“油改电”的技术状态。

  2018年上市的基于上一代“4合1”电驱动技术+设定在动力舱内2组PTC模组的比亚迪EV450,几乎与北京奔驰EQC技术状态相当。

  2019年上市的基于最新“e平台”电驱动技术解决方案的唐EV(秦Pro EV、e1和宋Pro EV)等车型,将伺服驾驶舱空调制热的PTC模组,从动力舱转入空调系统内并采用更结构简单耗电量低的电驱动非冷却液PTC技术。

  长城欧拉R1、雷诺e诺和启辰e30这种没有装备完整的液态热管理系统的入门级电动汽车,出于最基本的安全考量就别买了。威马、小鹏、蔚来理想这些个依赖融资过日子的造车新势力们存在太多不确定因素,即便技术表现得十分出色,可靠性和安全性都值得怀疑。一旦破产,已购车主们的利益难以保障。

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