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安全保证+驾趣之源:解密前途K50电池系统

收藏 评论 时间:2018-11-05 13:03 作者:史宝华 来源:EV世纪

在所有初创电动汽车公司中,前途汽车的气质迥异于其他所有公司。该公司具有浓厚的工程师文化,致力于打造充满驾趣的纯电动车型,其母公司——北京长城华冠汽车科技股份有限公司拥有15年汽车设计和工程开发经验,这让前途汽车获得了非常明显的竞争优势。它的首款车型——纯电动轿跑K50出色的驾驶性能和精准的操控让人印象深刻。

1.搭载华特电动三电系统的前途K50.jpg

10月31日,EV世纪参观了前途汽车位于苏州高新区的电池系统制造基地华特电动,并与华特电动的负责人进行了交流,深入了解前途K50的可再充电能量储存系统RESS的技术细节。

作为电动汽车的核心,电池系统直接决定了其续航、动力和安全性能。因此,很多OEM都将电池系统的研发和制造作为其核心能力。

早在2010年,前途汽车的母公司长城华冠就成立了电动车整车事业部,开始研究“三电”(电池、电机和电控)系统,当时中国政府刚刚启动新能源汽车推广的“十城千辆”项目,长城华冠介入电动汽车核心技术研发的时间早于大部分车企。

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2010年和2011年,长城华冠进行了基于三元18650电池和方型硬壳电池的电池系统研究,并最终于2013年确定了基于三元锂材料软包电芯的电池标准箱的技术路线,这在当时磷酸铁锂仍占主流的情况下是非常具有前瞻性的判断。2015年底试验成功了第一个电池标准箱,2017年开始在苏州建设生产线并于当年底实现量产。

前途K50的RESS系统由10个电池标准箱串联而成(总共600个电芯,每个标准箱的结构是6并10串),电压365V,电池包总容量为78.84kWh,能量密度134.35Wh/kg,电池包总质量为587kg。以目前国内主流纯电动汽车电池系统的性能来衡量,前途K50的RESS系统的轻量化做得不错,系统能量密度处于行业平均水平。

4.标准电池箱。.jpg

RESS系统的标准箱结构与很多车企的方案都不相同。目前,大部分纯电动汽车的电池包都是平铺在底盘上的,而前途K50的电池包采用了T型布局,这与K50的轿跑车身结构、前后轴配重有直接关系。相比而言,电池包平铺在底盘上可以获得更大的车内空间,标准箱的结构在安全性更胜一筹,发生碰撞时有一定的行程缓冲,在配置和空间排布上也更加灵活,售后阶段如果有电池出现问题也方便更换。

电芯是构建RESS系统的核心。前途K50采用了高性能的三元锂(NCM)软包电芯。

为什么采用软包电芯,而不是圆柱或者方壳电芯呢?华特电动技术副总经理孟涛表示,圆柱电芯的短板在于单芯容量小,比如松下的18650单芯容量为3.2Ah,这导致每个电池系统需要大量的电芯,对电芯的一致性要求极高,而且增加了电池管理的难度。比如,特斯拉Model S P100D使用了8256颗18650电芯,虽然其电池管理技术非常先进,但也频繁出现电池起火、燃烧等安全事故。

另外,圆柱电芯对于空间的利用率较低,同样容量电池包的体积比软包和方型电池要大。,圆柱电芯的循环寿命一般为500个循环,相比方壳和软包电池短。

软包电芯和方壳电芯相比,其安全性、能量密度和温度一致性表现较差。具体而言,软包电芯的内部压力过大需要泄压时是一个缓释的过程,而方壳电芯的泄压是爆发式的。软包电芯厚度小,有利于电芯散热,温度一致性好。

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在全球最顶尖的几家电池公司中,LG化学选择了软包电池路线,三星SDI和比亚迪选择了方壳路线,宁德时代原来只做方壳电池,目前也加入了软包路线阵营。

华特电动的电芯供应商——上海卡耐新能源有限公司也选择了软包路线,上海卡耐的控股股东是深圳市科陆电子股份有限公司,其技术来源是日本英耐时株式会社(Enax)。

3.RESS系统.png

围绕电芯这个核心,RESS系统的其他四个子系统——机械系统、热管理系统、电池管理系统和电气系统高效工作、密切配合,以实现该系统的五大目标:高安全、长寿命、高性能、轻量化和低能耗。下面进行详细介绍。

机械系统:电芯与电芯之间采用柔性物质连接,既可起到压紧电芯的作用,又可吸收“呼吸效应”产生的变形(约1.8%)。模组用金属带组合,具备合适的压紧力和柔韧度。模组的连接不采用螺栓,以避免螺接失效。

标准箱通过悬置装置固定,有效吸收路面振动,采用柔韧性金属带双重紧固,有效缓冲碰撞能量。

电池包的壳体采用了非导电体的高强度SMC复合材料,强度接近铝合金,重量比钢材(密度7.9g/cm3)轻40%-50%,绝缘性能优异,绝缘电阻(浸水24h)≥ 1.0x1013Ω

电气系统:满足高性能城市跑车超高充放电要求的高压电连接,瞬态放电承载电流可达1080A,持续放电承载电流可达450A,长时充电承载电流可达216A。

结构上,采用三维空间形状的软铜排连接,有效缓解xyz三方向的振动激励。同时,高压电连接满足整车IP67防护等级。

电池管理系统:分布式BMS软硬件架构可满足不同串并联模组和不同的电池布置型式,可以监控每一个电池箱全寿命周期内的电池数据;主动编址/加密系统防止未经授权认证的电池混入RESS系统中,从源头上提高了RESS系统的安全性和一致性;本地和云端数据双重监控/备份机制实时监控电池健康状态;高精度信号采集系统电流检测精度可达0.5%,为电池的状态估算提供坚实基础;多路碰撞冗余设计最大限度的保证了碰撞后的高压电安全性;出色的充电适应性匹配绝大多数规模化运营商充电桩,数量超24万个。

热管理系统:首先,电池包采用绝热设计理念,通过采用复合材料壳体、云母片、保温棉等,最大限度的减少环境与电芯之间的热交换,具备被动保温功能。在-20℃环境下,散热功率达到50W,仅为采用金属材料外壳的25%。

其次,采用主动液冷/液热温控系统。水路系统采用并联回路设计,保证每个标准箱都能够得到充分的热交换,最小化电芯之间的温度差,提升了温度一致性。

环境温度0~45℃下,系统温差小于3℃;环境温度-30~55℃下,系统温差小于5℃,-30℃环境下,静置24h,热管理开启20min,百公里加速时间提升50%;45℃环境下,静置12h,热管理开启20min,百公里加速时间达到最优。

未来,华特电动的电池包主动液冷/液热温控系统将采用双回路技术,以降低管路复杂程度、提高通用性,可快速匹配不同电池系统。

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如上图所示,RESS系统采用五阶段防控法进行影响安全与寿命的事件防控,具备主动干预和被动防护的功能。

BMS与电池热管理系统的配合价格极大提升电池组的可靠性及耐用性,前途K50五年内电池系统容量衰减可以控制在5%以内。

作为一辆主打驾驶性能的纯电动轿跑车,为保证高效的动力输出,前途K50搭载前后双电机四驱系统,0-100公里加速仅需4.6s,最高时速达200km/h。双电机总峰值输出达到280kW、580N.m;但Boost模式下总输出达到320 kW、680 N.m。

Boost模式下,前途K50的放电电流达到了5.5C(正常驾驶时的放电电流为4C左右),可在瞬间爆发强劲的驱动力,优异的加速性能配合精准的操控,带来轿跑车丰富的驾驶乐趣。

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如果频繁使用Boost模式对于电池性能会造成损害吗?华特电动所做的超大电流放电测试表明,5.5C放电经过两万次循环后没有导致电池寿命衰减,经过三万次循环后会导致电池寿命衰减。如果每天使用10次Boost模式、每年驾驶300天计算,可以支持10年使用。

另外,孟涛表示,在实际驾驶中,Boost模式取决于电池状态,比如电量(超过70%),电池温度等等,尤其是温度至关重要。如果电池状态不允许,则不会触发Boost模式,以最大限度的防止电池被滥用。

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除了大电流放电测试以外,快充性能测试表明,2C充电会导致电芯快速失效,1.5C充电会导致电芯寿命严重衰减,可以看作是过度使用和滥用的分界线,1.2C充电会导致电芯寿命稍许衰减,可以看作是正常与过度使用的分界线。前途K50的快充时间为45分钟充至80%,充电倍率控制在1C。

据华特电动总经理翟晟介绍,苏州工厂目前有一条生产线,年最大产能为52万个电池标准箱,能够满足5万辆前途K50的电池需求。明年中将建立第二条生产线。目前除了给前途汽车供应电池以外,也给一些传统车企好初创车企提供电池系统。

5.华特电动自动化生产线.jpg

为了保障电池产品的一致性,华特电动自主设计了电池系统生产线。80%的自动化产线,负责模组、自动化、焊接和加工四个阶段。其余20%产线工作,入壳和总装这两个阶段,采用半人工操作方式。可实现客户的不同尺寸、壳体要求。

36台智能机器人,5台激光焊机以及2台大功率充放电检测设备高效协同,使其一个标准电池箱的生产节拍仅需72秒。翟晟表示,目前华特电动的生产效率在全行业是最高的,自动化程度和生产效益也在国内名列前茅。

6.激光变频焊接工艺.jpg

华特电动还自主研发了铜镶铝焊接工艺和激光变频焊接工艺,极大提升了焊接效率及质量,保证了焊接一致性,从而提升电池系统的安全性和可靠性。

据翟晟介绍,中国北方车辆研究所动力电池实验室主任、国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬在考察了华特电动之后评价称“前途汽车是现在中国电动车行业中,动力电池设计最安全的,没有之一”。

王子冬是国家发改委和工信部负责审查前途汽车生产准入资质的专家组成员之一。他的评价具有一定代表性。

采访后记:我曾经参观采访过华晨宝马的高压动力电池中心,就生产线的自动化程度和品控而言,两家公司没有差异。

华特电动的RESS系统在安全、寿命、性能方面是比较均衡的。当然,这套系统的可靠性还需要通过大量车主的长期测试来检验。不过,在我们之前试驾K50时所感受到的出色性能和精准操控中,电池包的T型结构布局、轻量化设计、充放电性能设定功不可没。

在所有的初创电动车企中,前途汽车是我一直非常看好的一家公司,其扎实的技术积累、稳健的作风、严谨的工程师文化让它具备了成功的气质。电池系统是电动汽车的核心,此次参访更加增强了我对于前途汽车未来发展前景的信心。

作者:史宝华
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