Honda e的热管理策略与冷板设计
Honda e是本田第一个意义上的量产纯电动,小巧、有颜值、有质感,面向欧洲市场,这款车推出的时间几乎和大众ID.3在同一个时期,依然不落下风,很受欧洲人的青睐,用二次元的语言说就是“欧洲人很吃它的颜”。
35.5kWh的电量,200公里的续航,30分钟内充满80%电量,妥妥的城市代步车,这些都是通过下面这个电池包来实现的。
为了维持整车良好的性能,Honda e需要对车上的几个主要电驱动系统部件进行温度管理,让每个部件都处在它最舒服的范围,即所谓的热管理设计。这几个部件是:电池、DCDC/OBC、电机、电控(PCU)。这几个部件所需要的温度区间,以及在什么工况下需要进行热管理,如下表所示。
表中可以看出,电池的工作温度区间最低,DCDC/OBC温度区间稍高,电机电控的温度最高,并且电池需要在所有场景下进行温度管理。识别这个温度区间的高低很重要,它关系到如何来进行水冷架构,很明显,假设这些部件在同一个回路,那么在冷却时,冷却液要先经过电池,再流向DCDC/OBC,最后再流到PCU(电控),再流到电机,因为越向后,冷却液的温度越高。
根据温度区间的高低,在划分热管理架构时:电池、DCDC/OBC作为一个回路,PCU作为一个回路,电机作为一个回路。整个动力系统的热管理架构图如下(看不懂直接PASS,后面会再细讲,然后你再回头来看这个总图):
我们重点来看下电池的热管理设计,分为三部分,一是总体的策略,二是电池水冷板的设计,三是加热策略的设计。
总体热管理策略:
(1)为避免电池过加热或是过冷却,将采用Battery-Bypass模式,即水冷回路不经过电池,这个模式通过三向阀EWV1开,三向阀EWV2关闭来实现。
(2)如果对电池进行,或是不用电加热器来加热电池的话,将采用Non-Bypass模式,此时阀1关闭,阀2也关闭,回路先流过电池,再流到DCDC和OBC。
(3)如果需要用电加热器来对电池进行加热,那就会采用Radiator –Bypass模式,即绕过散热器,此时阀1,阀2都关闭,电加热器EWH开启。
这样,根据电池的温度和冷却液的温度(通过温度传感器CTS获得)建立起的坐标,如下,将电池的温度区间划分为5个,分别为区 A/B/C/D/E/F。
A区:是电池最舒适的温度区间,不需要冷却或加热,所以冷却回路不经过电池;
B区:冷却液的温度太高,会伤到电池(高于温度上限),所以回路也要绕过电池;
C区:冷却液的温度太低,会让电池的温度低于下限,所以冷却回路也要绕过电池;
D区:电池的温度过高,需要冷却,所以切换到Non-Bypass模式;
E区:电池的温度过低,需要加热,所以切换到Non-Bypass模式。F:加热绕过散热器,可转向C/E区。
电池水冷板的设计
Honda e共有6个水冷板,布置在12个模组的底部,进出水口设置在冷板的中间,进出水管也布置在中间,相当于整车的中英通道位置。这个设计的优点在于水冷管路的结构安全性高,缺点在于与主回路高压在同一位置(上下),冷却液泄漏、冷凝水的风险较高。
水冷管为口琴管式,里面共有18个流道,流道的作用在于增加水冷管的强度、增加管内冷却液的均温性、增加管的可制造性;模组与水冷板之间设计有导热垫,以提高电池与冷却液之间的导热率,整个模组与水冷板结构的剖视图如下:
这个热界面(模组底部与水冷板)面临的主要挑战在于:如何用最简单的方案,保证热界面一直保持着良好的接触;冷板装配的公差。Honda e还是有不少的创新值借鉴,包括冷板的支撑弹簧、导热垫的粘弹特性、冷板的橡胶支撑(考虑橡胶的热特性、老化特性等),综合起来,不断优化。
另一个需要处理的是保证每个冷板的流量和流速,为了达到此,本田对进出不同位置水冷板的管道直径进行了差异化设计,如下表:
电池加热策略
加热的优先与否取决于以下几个方面:整车是否在充电(Plug in),是否预设了空调制暖,是否有远程加热需求等,总体的策略如下表:
结合表来看:
(1)在低温环境下,开车前会对电池进行预热,这样能够提电池的输出功率和电能,电池预热后再进行空调预加热。
(2)低温度下,充电,对电池的预热与充电同时启动。该种情况有些车企业的策略是先利用电网的电对电芯进行加热。
(3)低温度环境下,整车没有处于充电即充电器没有接入电网,此时,为了保护电池,会在电池降低至预定的温度时自行启动加热,当电池温度回升到一定的数值时,停止加热,随后如果电芯温度再次降低到低点,再次启动加热。
(4)低温行驶会进行边行驶边加热,以提高电芯的输出功率,电芯温度达到一定的数值时,停止加热,以节省电能。
从本田对Honda e这套热管理系统的测试与实际使用来看,效果还是不错,例如在低温下开车前预加热、和不预加热两种情况对比,采用预加热的可以多出26%的续航里程。
在此之前,日企对电池的热管理相对推崇自然冷却或风冷,更多强调电芯本体的安全,像丰田Prius、日产Leaf,但高比能电芯热稳定性差,水冷系统将是该类电芯的必然选择,本田是第一个尝试电动汽车水冷方案的日企。