w88优德 - 为什么说新能源车的成本,一半都流向了电池?

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 本文是雅斯顿原创分享文章 

 撰文 ✎ 张抗抗


与传统燃油车相比··|,新能源汽车的动力系统多出了电机、电池等几个核心部件··|,于是消费者在选购新能源汽车时··|,电池技术也是一个值得关注的点··|,电池技术的强弱不仅直接影响节能效率、续航里程··|,而且还关乎着安全问题··|--。君不见··|,三星手机那小小电池的爆炸都能伤及人身··|,更何况成百上千倍大小的汽车动力系统电池|-··?

 

电池技术是一个很复杂的系统工程··|,当下主流新能源车型的电池包技术差异··|,主要体现在电池管理系统、高压安全管理和热管理三个方面··|--。为了便于理解··|,可以从目前主流的纯电动、串联式混动、功率分流(行星齿轮)式混动类别进行分析··|,其中最具代表性的车型有特斯拉、宝马i3与别克VELITE5··|--。



 

电池管理系统(BMS)是电池包的核心··|,承担着对电池所有参数的读取以及电池热、均衡方面的工作··|--。换句话说··|,电池管理系统的可靠性直接关系到整个电池包的可靠性以及安全性··|--。在BMS系统的技术差异主要在3个方面:骨骼(硬件电路板)、心脏(芯片)与神经网络(系统架构)··|--。

 

大概是出于IT公司背景··|,特斯拉的硬件电路板所采用的接插件并非汽车级··|,两个插排更像是调试接口··|,这种接口在IT产品上经常使用··|,但在粉尘、振动等恶劣的汽车运行环境中使用··|,是否会产生问题··|,那仍是一个未知数··|--。如果不是亲眼看到这块来自于拆车实拍的板子··|,很难让人相信特斯拉的心如此之大··|,敢用这样不满足汽车级安全要求标准的电路板··|--。

 

(特斯拉的硬件电路板)

 

传统车企在这方面采用的是另一套思路··|,比如通用在别克VELITE5上用的BMS电路板··|,布局相对工整··|,使用的接插件也都是汽车级··|,可以满足车辆使用和运输过程中震动、温度、腐蚀等苛刻环境··|--。


(通用BMS)

 

而对于BMS的“心脏”——一芯片··|,特斯拉的IT基因同样促使他们使用了一些IT行业的芯片··|,比如DSP、ARM、FPGA等··|--。这些工业级芯片虽然速度很快··|,性能很强··|,但由于没有汽车级的试验认证··|,能否保证在各种恶劣的环境下稳定工作··|,这同样有待考证··|--。

 

通用和宝马则“保守”地使用传统汽车级芯片··|,单片机一般都是飞思卡尔或者Infineon这样的传统汽车芯片··|,硬件设计满足ISO26262的ASIL C等级以上··|--。另外··|,通用汽车做BMS的团队和原动力总成是同一个团队··|,使用的硬件平台也是动力总成平台··|,经过了发动机好几十年的经验积累··|,稳定可靠是非常有保障的··|--。



至于系统架构方面··|,通用和宝马都采用了分布式管理系统··|,通过主BMS对各个模组控制器(CSC)进行管理··|,一般有8个模组控制器··|,通过CAN总线进行连接··|--。

 

按照汽车行业的传统··|,为了保证CSC通讯不失效··|,通用和宝马都采用了菊花链式的总线布局··|--。通用则更为谨慎··|,VELITE 5为了防止CAN总线出现故障··|,使用了双路CAN总线备份的策略··|--。这样一来成本高出不少··|,但是确实起到了安全可靠的效果··|--。这种谨慎的设计方法··|,可以理解为相对保守··|,但这种把钱花在了消费者身上的做法··|,又有何不妥呢|-··?

 



相比之下··|,特斯拉就显得简单很多··|,16个模组仅通过一条CAN线连接··|,采用总线形式··|--。从实物图中可以看到··|,特斯拉的模块组控制器很简单··|,主芯片仅为一块8051··|--。非业内人士也许认为这一块电路板绿油油的挺好看··|,反正又不是戴在头上··|,但业内人士能看出来··|,这种使用低成本芯片、单条CAN总线的省成本做法··|,会使电路设计削弱了一定的安全性··|--。



 

出于维修保养、以及在紧急情况下切断高压、保护乘客安全的需要··|,每个电池包都要设计高压切断装置··|--。打个比方··|,汽车电池里的高压切断装置就像是家里的总闸保险丝··|--。而在这个设计上··|,不同车企也有不同的技术路线··|--。

 

特斯拉和宝马i3都采用了维修开关··|,通过断开电池高压继电器的供电··|,从而使得继电器无法保持结合··|--。这种方法虽然比较简单··|,通过断开低压的方式断开高压··|,但是在电池包继电器粘连的情况下··|,无法断开整车和高压之间的连接··|,在出现事故时无法从根本上杜绝高压触电的危险··|--。之所以选择该方案··|,主要是因为成本低廉(只是一个低压接插件的成本)··|,而且不用考虑开关的高压防护··|,机械设计上也比较简单··|--。

 


通用的方案则比较符合安全至上的传统··|,一直使用电池包内MSD(Manual Service Disconnect)的方案··|--。这种原理上是直接断开高压电池和外界的连接··|,即使高压继电器粘连了··|,也能通过MSD断开连接··|,较为可靠··|--。但是因为MSD直接切断高压··|,所需要的防护等级很高··|,机械锁止机构也比较复杂··|,因而大大增加了成本··|--。

 

高压电池包的继电器诊断是一个很关键的问题··|,在这方面不同的整车厂也有不同的策略··|--。特斯拉采用的是双触电继电器··|,即实际为一大一小两个继电器··|,同步运行··|--。大的继电器用于导通电池包高压··|,而小的继电器直接接回BMS做诊断··|--。这种思想很简单··|,两个同步的继电器状态应该一致··|--。更重要的是··|,这种方案结构简单··|,节约了成本··|--。但是在实际使用中··|,无法避免两个继电器不同步的失效模式··|,可能会触发误诊断或者漏诊断··|--。

 

 

别克VELITE5使用的继电器诊断方案则比较严谨··|,通过测量继电器内、外端对地的电压··|,结合主动放电状态··|,计算当前每个继电器的状态··|--。这种方案可以确保稳定可靠··|--。

 

安全问题就是汽车企业的黑天鹅··|--。忽视安全问题··|,也许像是挣脱了枷锁··|,可以发展得更快··|,但也面临着发展道路戛然而止的风险(也可能风险未爆发··|,从而取得先机··|,这叫“机会主义路线”)··|--。特斯拉在这方面··|,未免有些冒进了··|--。


  

电池的性能很大程度上取决于一致性:一方面是电池本体的一致性··|,另一方面是工作环境(主要是温度)的一致性··|--。换句话说··|,即使电池本体一致性非常好··|,但如果工作在不同的温度环境中··|,其性能也会显著下降··|,因此··|,热管理是电池技术中非常重要的一方面··|--。在热管理方面··|,不同的厂家也有不同的思路··|--。


 

通俗点说··|,电池的原理符合木桶原理··|,也就是说性能取决于温度环境最差的那个单体··|,所以电池的温度均衡性在很大程度上决定了电池包的性能··|,而电池热均衡性向来是电池包热管理设计的难点··|--。


通用的VELITE5电池集成技术来源于第二代Volt电池管理的技术基础··|,是目前电池集成与管理方面的较高水平:由3段96S2P电池(96个电芯Cell··|,每个电芯包含2个电芯对Cell Pair)组成··|,外部由高压压铸铝板进行相应的保护··|,内部还包含必须的高低压线束以及散热管Thermal Plumbing··|,并在电芯间加入了水冷散热鳍片··|,模块化设计使得可以灵活配置电池组的外形与容量··|--。另外也设计了多种模式的热管理系统··|,可以用废热给电池加热··|,也可以用空调给电池冷却··|,设计非常节能和精妙··|,有效地增加了电池寿命和性能··|--。

 

VELITE5独创的水冷散热鳍片设计··|,可以保证各个单体的均衡性··|,从而使得电池能够在-30~60度的范围内正常工作··|--。使电池组内的温度差可控制在2°C以内··|,支持8年的电池组寿命保证期··|--。

 

(电芯间水冷散热鳍片的示意图)

 

宝马的电池技术相对比较保守··|,采用了传统的片状设计··|,热管理仅仅通过底层的管路进行··|--。这样导致的后果就是靠近底层的单体热交换较多··|,而远离底层的单体热交换较少··|,同时进水口和出水口附近单体温度偏差较大··|--。所以i3的电池包正常工作范围只能到40度··|--。不过整个电池包被分成了三组冷却··|,一定程度上解决了温度均衡问题··|--。


(宝马电池包冷却技术三维图)

 

再来看特斯拉的冷却系统··|,整个16个模组被分成两组··|,冷却水只有两进两出··|,经过8个电池组之后温差可能有5度以上··|,而且无散热鳞片设计··|,纵向的温差更加无法控制··|--。这样的设计··|,时间长了电池性能会受到很大影响··|--。作为一名工程师··|,在我看来··|,特斯拉独创性地管理几千节18650水平··|,已经是巨大的创新··|,电池管理水平已不低;但在通用这种“老司机”炫技一般的工程水平看来··|,还是略显稚嫩··|--。


 (特斯拉电池包冷却技术架构图)

 

雅斯顿小结

  

特斯拉是纯电动汽车··|,宝马i3、别克VELTE 5属于增程式插电混动(EREV)··|,其电池容量都比较大··|,电池技术对整车技术水平的影响也比较大··|--。

 

三者的电池技术比较而言··|,特斯拉是初生牛犊不怕虎··|,什么技术都敢用;宝马i3在电池管理系统、高压管理、热管理方面都中规中矩··|,没用太多创新的技术;别克VELITE 5则像一个非要和自己产品较劲的老工程师··|,有一颗炫技的心、也有充足的技术兵力··|,特别是在电池热管理方面··|,应该是代表了当下的最高水平··|--。


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