宋楠：解析開沃電動客車1、2、3代動力電池技術和熱管理策略

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今日，筆者前往南京開沃汽車生產基地，對其電動客車1、2、3代動力電池技術及其旗下創源動力熱管理策略的研發和應用進行獨家報道。本文重點研判致力於新能源公交安全解決方案的開沃汽車，研發的1、2、3代動力電池技術及熱管理策略。其中，量產的電動客車裝備的1代動力電池技術+自然散熱系統；2代動力電池技術+內建液冷鋁板散熱方案（過渡用）；3代動力電池技術+整箱一體液冷鋁板散熱方案（即將量產）。

開沃電動客車搭載的1代動力電池技術+自然散熱熱管理策略，更多的是強調在全負荷運營模式的整車側面的安全性。開沃系2代動力電池技術+內建液冷鋁板散熱方案與雙模空調系統，用於安全方面的技術驗證。開沃系3代動力電池技術+整箱一體式液冷方案，將搭載至最新的電動客車於2019年量產並用於出口市場和國內公交運營。

1、公交安全和電動客車的主被動安全需要：

最近一段事件，在萬州、北京和武漢等城市發生多宗乘客搶奪公交車司機方向盤的惡性安全事件。這樣嚴重的交通事故一再發生，說明交通保障部門的公共交通安全意識淡漠，事故預防措施不力。隨著公共新能源市場發展，電動公交客車批量使用，源於技術方面的主被動安全，將成為全社會關注的重點。

2011年至今，某品牌新能源客車，發生10餘宗燃燒和自燃事故，事故原因涉及電池元件、整車控制以及第三方因素。2017年，因為天氣因素導致某品牌電動公交車電路疑似因大雨起火。

基於客觀規律看，越來越多的電動客車的全天候使用，就意味著燃燒或自然機率的成倍提升。但是，生產廠商還是可以通過核心技術的提升，將燃燒或自燃機率保持在科學合理的範圍。

無論新能源乘用車，還是電動客車，發生自燃或燃燒故障的根源，大多數源自電驅動系統、動力電池以及充電系統。這其中，動力電池及電芯因為熱失控，導致的燃燒或自燃事故最為突出。

因此，讓動力電池及電芯執行在最為合適的溫度（25-35攝氏度），將成為避免燃燒或自燃事故發生的重要解決方向。

2、開沃汽車動力電池研發平臺：

位於南京市的開沃汽車集團的中央研究院，擁有核心技術平臺、通用技術平臺、產品研發平臺等5大板塊。核心技術平臺又分為整車控制組、電池管理組、電機控制組、燃料電池組等模組。中央研究院憑藉強大的研發實力，與同屬開沃汽車旗下從事新能源汽車核心三電產品研發和生產的南京創源天地動力科技有限公司達成了互相支撐、共同發展的完美配合。

開沃汽車中央研究院，主要對不同種類的電芯，動力電池總成、多種策略的熱管理系統、燃料電池系統和電驅動及混動多檔位變速器等分系統進行預研、研發和量產前需要的所有技術支援，目前南京創源電池所有動力電池產品從開發設計，到產品試驗認證，再到產品定型量產設計均由南京創源研發團隊與中央研究院進行產品的全面評審和驗證，保障產品的優秀品質。作為電動客車最重要的動力電池發展方向，開沃汽車中央研究院，與南京創源電池技術團隊一起，始終對不同種類電芯及動力電池解決方案，進行行業層面的最前沿預測和研發，為客戶提供優質的動力電池系統解決方案。

3、開沃汽車複雜環境電池（電芯）極限測試：

上圖為開沃汽車設立於中央研究院公共技術服務平臺的動力電池快速溫變環境倉和電芯測試系統。

白色箭頭：正在對軟包三元鋰電芯進行常溫充放電迴圈測試

黃色箭頭：正在對18650型三元鋰電芯進行常溫充放電迴圈測試

紅色箭頭：正在對方形三元鋰電芯模擬高溫環境進行充放電迴圈測試（動力電池快速溫變環境倉）

動力電池快速溫變環境倉：

1.內部尺寸：3000×2000×2000mm

2.溫度調節範圍：-40℃～+150℃

3.溼度範圍：20%～98%R.H

4.溫度波動度：≦±0.3℃

5.溫度偏差：≦±2.0℃

6.升降溫速率：≧5℃/min(-40℃～+85℃，空載)

適用產品：汽車零部件、動力電池單體、模組及PACK箱

試驗能力：主要用於提供動力電池測試時所需的環境溫度、溼度。測試不同溫度及溼度的變化時，對應電池的各項資料，用於判斷電池是否符合協議或國標要求。

電芯測試系統：

1.電源處理系統：16通道5V 100A 16通道5V 200A

2.交流電源輸入（Power）：AC 200V 8000W

3.精準度（Definition）

電流（Current）：0.05%FD±0.05%RD

電壓（Voltage）：0.05%FD±0.05%RD

4.型號（Model）：CDS-5V 100A CDS-5V 200A

適用產品：三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池

試驗能力：用於動力電池或電池組的老化測試（Circle Life Testing）和質量控制

白色箭頭：連線軟包三元鋰電芯正負極，進行常溫環境充放電迴圈測試

黃色箭頭：連線方形三元鋰電芯（75安時）正負極，進行常溫環境充放電迴圈測試

紅色箭頭：連線方形磷酸鐵鋰電芯（105安時）正負極，進行常溫環境充放電迴圈測試

上圖：對18650型三元鋰電芯，進行常溫充放電迴圈測試

目前市面較為常見的幾種18650型電芯，多以鎳鈷錳比例為6：2：2為主，而811型高鎳三元鋰電池已少量投放市場，或將於2019年用於乘用車。2016年之前，也有不少適配三元電芯的電動客車量產。因為包括18650型電池在內的所有三元鋰電池，較磷酸鐵鋰電池能量密度更高，可是安全性更差。因此，主管部門對搭載三元鋰電池的電動客車補貼進行了一定的「限制」。不過，這並不能說明，三元鋰電池就不能搭載到電動客車，反而需要車廠在安全方面進行更深度的平衡。

上圖為進行高溫環境的方形105Ah磷酸鐵鋰電芯的充放電迴圈測試細節特寫。

在開沃汽車中央研究院實驗室中，高溫/低溫環境下的不同種類電芯的「極限」充放電迴圈測試十分重要。高溫環境電芯反覆大倍率充放電，將會增大熱失控的風險。低溫環境大倍率充放電，電芯執行的工況十分糟糕並且使用效率低下，導致「不可逆」的損傷。

而掌握電芯高溫和低溫極限的資料，也是包括開沃汽車在內的所有新能源整車製造廠所必需做到的。只不過，一些新能源車廠在不具備掌握核心技術以及動力電池製造能力的前提下，這種電池及電芯極限工作的技術儲備和應對能力，被電池或電芯供應商代工。

但是，一旦出現整車燃燒或自燃等惡性故障時，就電池或電芯極限工況的資料，將成為所在地區執政主管、公交公司、整車製造廠以及電池供應商之間扯皮的關鍵。

紅色箭頭：待檢測的方包105Ah磷酸鐵鋰電芯

白色箭頭：待檢測的方包280Ah磷酸鐵鋰電芯

對不同型別電芯進行常溫、高溫、低溫環境的充放電（1C或2C）迴圈測試，為的是掌握不同工況下的極限值。以18650型三元鋰電芯為例，在多少攝氏度（高溫），連續進行多少倍充放電迴圈，會突破熱失控安全極限導致燃燒或自燃是測試的內容之一。

18650型三元鋰電芯以及軟包型三元鋰電芯，有較高的質量能量密度和體積能量密度，有助於提升整車輕量化和續航里程。

但三元鋰電芯的活性大，相對安全性較磷酸鐵鋰電芯更差。其應用在乘用車不失一個性能、成本和安全折中解決方案。

上圖為開沃汽車中央研究院電池安全實驗室的動力電池擠壓針刺一體機。需要專業工程師操作，且不允許在臺架擱置待測或已測電芯，因此筆者以圖示替代電芯檢測位置。

無論三元鋰電芯還是磷酸鐵鋰電芯，都要進行浸水、碰撞、火燒以及穿刺安全性測試。在開沃汽車中央研究院的電池安全實驗室，首先要對市面銷售以及可能要使用的每一種類電芯進行「全套」的安全測試。

動力電池擠壓針刺一體機：

1.壓力範圍：≥1000KN

2.力值誤差：≤1%滿量程

3.擠壓速度：5-50mm/S

4.針刺速度：5.00-100.00mm/S

適用材質：1.動力電池單體 2.動力電池模組

試驗能力：模擬各類動力鋰電池組在使用過程中，電池遭受擠壓的情形。

上圖為經過針刺測試後，18650型三元鋰電芯特寫。

上圖為經過針刺試驗和正常18650型三元鋰電芯對位元寫。

在開沃汽車中央研究院的電池安全實驗室，筆者發現不少不同型別的電芯，其中就出現了不下X款即將在2019年、2020年量產的應用在開沃電動客車的電芯。

不同品牌的三元鋰電芯經過針刺後，或出現爆炸、或出現燃燒現象，也有僅發生產氣現象。而這些都是電芯內部的正負極被外界衝擊後發生短路，化學能轉換為熱能並瞬時釋放後的能量轉移現象。

更好更安全的電芯，可以將這個能量轉移現象控制在較長時間，而不是短時間釋放。電池總成或電芯單體，受到衝擊、碰撞、浸水或針刺後，將能量釋放的過程控制在合理的範圍，凸顯了電池廠商的技術實力。

選用本身更安全的電芯，自行組裝電池總成，適配至電動客車，反映了公交運營新能源車輛設計的「安全第一、效能其次、全壽命週期養護第三」的特性。

4、開沃系電動客車動力總成主被動安全技術設定：

上圖為開沃汽車製造的NJL6101EV型電動客車，與其他全國範圍銷售的公交運管和旅遊用途的電動客車一樣，在車身設定和電驅動系統和動力電池分系統在設計時就考慮了主被動安全需求。

上圖為開沃NJL6101EV型電動客車動力艙各分系統細節特寫。

白色箭頭：低壓用電分系統控制模組

粉色箭頭：ABS控制模組

橘色箭頭：整車控制模組

藍色箭頭：驅動電機控制模組

紅色箭頭：「4合1」控制模組

黃色箭頭：高壓用電分系統控制模組

開沃汽車製造的全系電驅動客車動力艙，適配的被動安全防護措施。其中「4合1」控制總成（紅色箭頭）和動力電池總成均達到IP68防護標準，而其他品牌在售的同類型車型普遍為IP67防護標準。

白色箭頭：動力艙內佈置的滅火器材

通過內建不同位置的溫度、明火感測器，可以檢測動力艙內出現發熱或明火故障源XX時間內自行啟動並滅火。實際上，這種被動安全防護措施，也被應用在人民解放軍99式主戰坦克炮塔內部。

5、開沃電動客車第1代動力電池技術和熱管理策略：

上圖為開沃汽車下屬的創源動力電池廠製造的第1代動力電池總成。前文提到了，開沃系電動客車全系車型適配的動力電池總成都符合IP68防護標準。第1代動力電池技術主要突出的低溫環境的電池總成預熱和保溫效能。

在創源動力電池廠生產線，筆者發現了3種完成合裝的電池PACK。

紅色箭頭：8串280Ah方包磷酸鐵鋰電芯串聯的PACK半成品

黃色箭頭：6串280Ah方包磷酸鐵鋰電芯串聯的PACK半成品

藍色箭頭：X串18650型三元鋰電芯串並聯PACK半成品

上圖為待合裝至PACK的6串280Ah方包磷酸鐵鋰電芯細節特寫。

每組電芯合裝PACK之前，都要對外表進行清潔，然後上傳資訊至資料庫留檔。根據裝車需求，不同安時電芯以不同串並聯形式整合至標準電池箱體。

上圖為18650型三元鋰電池PACK半成品細節特寫。

串聯的18650型三元鋰電芯層間，都佈設預熱用發熱材料。而間隔幾組電芯表面佈設了溫度檢測感測器。這組18650型三元鋰電池PACK，很有可能為開沃汽車的新能源乘用車適配（MPV）。

上圖為開沃系電動客車搭載第1代動力電池總成（上蓋開啟）細節特寫。

紅色箭頭：圍繞電芯四周和上下端包裹的防火和保溫材料

黃色箭頭：動力電池外殼上下殼體間的密封材料

根據最終搭載車型需求，標準的電池箱體可以適配90Ah、105Ah和280Ah電芯進行串並聯。由於第1代動力電池總成，主要適配磷酸鐵鋰電芯，主要針對低溫放電效能和防水、防火和防塵防護需求進行特殊設定。

由上圖可見，第1代動力電池總成內部，電芯被「立體」包裹防火和保溫材料（紅色箭頭），串並聯的電芯通過線纜將正負極關聯。自行研發和生產的BMS（白色箭頭），採用標準電路板及包裝殼體，根據整車需求寫入不同控制版本的軟體。

電池箱體上下殼體間設定的絕緣密封材料具備一定伸縮性，以便所有螺栓上緊後密封標準符合IP68。

上圖為創源電池生產線的電池總成容量檢測臺。

開沃汽車下屬的創源電池廠，可以生產包括PACK、模組、標準電池箱體、BMS以及高壓配電盒總成在內的全部分系統。隨著開沃電動客車銷量的攀升，創源電池廠也將與年底搬遷並提升產能。

目前創源廠製造的第1代動力電池總成為全封閉設定，熱管理策略以低溫環境下對磷酸鐵鋰電芯保溫需求為主。由於磷酸鐵鋰電芯，具備更好的耐高溫性，因此第1代動力電池總成和熱管理系統，對低溫環境的保溫需求進行額外補償。

6、開沃電動客車第1代動力電池技術和熱管理策略：

在開沃汽車中央研究院實驗室內，筆者發現了一組處於測試狀態的2代動力電池總成和熱管理系統。

上圖為具備制熱和製冷雙重功能的車用空調系統（紅色箭頭）。需要注意的是，這組雙模空調具備液態熱管理系統冷卻液（高溫散熱和低溫預熱）輸入/輸出至動力電池總成埠。

白色箭頭：冷卻液至動力電池輸出埠

黃色箭頭：冷卻液至動力電池輸入埠

上圖為搭載XX型XXX安時磷酸鐵鋰電芯的2代動力電池總成技術細節特寫（上蓋被拆除）。在第2代動力電池總成內，圍繞電芯佈置液態管路以及外接鋁合金材質液冷散熱基板。

備註：馬賽克遮蔽的串並聯後的XXX安時電芯及溫度感測

上圖為創源動力電池廠研發的第2代動力電池總成外殼各介面細節特寫。高壓線纜正負極介面截面，設定了密封襯墊。冷卻液進水口和出水口靠近佈置有利於管路結構優化。

上圖為第2代動力電池總成內部液態管路和外接液冷鋁板佈設細節特寫。

紅色箭頭：與進出水口關聯的塑料冷卻液管路（與圍繞電芯的鋁合金液冷板連線）

藍色箭頭：圍繞電芯最大截面積兩端的鋁板

採用三層鋁合金基板焊接的液冷板，中間預設了「蛇形」管路，以保證冷卻液充分帶走熱量或冷卻電芯。

開沃第2代動力電池總成以及熱管理策略：

在極高或極寒外界溫度，滿負荷電流輸出/輸入情況下，為更大容量磷酸鐵鋰或三元鋰材質電芯提供15-35攝氏度散熱。這種內建液冷基板+塑料迴圈管路的方案，可以為電芯進行高溫散熱和低溫預熱支援。但是，增加了動力電池總成的自重，冷卻液管路內建安全性較差。使得，第2代動力電池總成的能量密度及安全性上仍有提高的空間。

因此，第2代動力電池技術和內建液冷基板熱管理策略，並未應用到2019年量產的電動客車，而作為第3代動力電池和熱管理策略的補充和支援。

7、開沃電動客車第3代動力電池技術和熱管理策略：

開沃汽車創源電池廠，開發的第3代動力電池技術和液冷基板解決方案，將搭載到2019年量產電動客車。很遺憾，搭載第3代動力電池技術和液冷基板熱管理策略的實物照片未能釋出。

不過，針對第2代動力電池技術和內建液冷基板熱管理策略的不足（重量大、管路複雜、總成能量密度低、內建安全性差）的問題，將通過外接液冷基板熱管理策略進行彌補。在使用280Ah或其他電量磷酸鐵鋰電芯前提下，將原本內建的液冷系統進行升級，並改為外接散熱管路。

基於第3代動力電池技術和液冷基板熱管理技術，不改變電池體積、箱體PACK的同時，降低了冷卻液洩露發生機率。而這種液冷基板技術，可以有效提升生產工藝及產品效能，保證電池總成及散熱系統與整車相同的全壽命週期。

第3代液冷技術充分考慮到熱交換效率與安全性雙重因素，一體化箱體液冷方案將液冷流道與箱體整合，接觸式的傳導方式保證了熱交換效率；同時也有效避免2代內建水冷板技術所存在的箱內漏液風險。其實這種技術在傳統的電機電控中早有應用，但在商用車電池中的應用尚是首例。

筆者有話說：

隨著中國新能源市場發展加速，包括商用車廠在內的本土整車製造廠，已經改變了以往「油改電」的設計思路。將正向研發的專用電驅動車型平臺為基礎，應用鋁合金材質車身輕量化，多種電驅動技術融為一體。尤其圍繞動力電池總成主被動安全技術，進行深入開發。

開沃汽車在過去幾年研發的第1代動力電池技術和自然冷卻策略，堅持安全性第一的較為保守研發策略。隨著國內新能源車補貼政策退坡的幅度變化，第2代動力電池技術和內建液冷基板熱管理策略，並不能滿足市場及客戶需求。但是，這種看似過度卻具備商業化應用的技術，為第3代動力電池和外接一體式液冷基板熱管理量產打下鑑定基礎。

本文，僅對開沃汽車第1、2、3代動力電池技術和不同的熱管理策略進行剖析。實際上，開沃電驅動客車全系標配4種牽引力控制模式、鋁車身輕量化設定以及氫燃料電池驅動技術，將會在後續稿件持續解讀。

文/新能源情報分析網（還給角度看車市）宋楠​​​​