70 度电、620km 续航、还要确保安全,荣威是怎么做到的?

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文/吴鹏飞

今年 5 月,荣威 R 品牌发布旗下首款轿车荣威 R ER6,虽然新车还没有正式上市,但 ER6 已经公布了相关三电参数,结合不到 20 万的售价来看,荣威 R ER6 将是今年一部极具竞争力的纯电轿车。

ER6 最长拥有 620km 的续航,15 分钟即可充电 200km,最低百公里电耗可以做到 12.2kWh,在 20 万元以内这个价位的家轿里头难觅敌手。

近日的荣威三电解析会上,官方向我们解答了 ER6 高续航背后的秘密。三电系统的组成无非“电驱、电池、电控”三部分,要想“马儿跑又要马儿少吃草”,除了让车身减重瘦身,就得在三电系统上下功夫了。

电驱:8层Hair-pin绕组设计

如果你曾经看过拆开后的电机(包括四驱车的小马达),你会发现有一个定子,定子上面都会绕上密密麻麻的铜线,我们称之为绕组。

电机之所以产生动力推动车辆,其原理就是绕组通电之后产生磁场,磁力驱动同样“带磁”的转子高速选装。转子的磁力可以来自永磁体、也可以通过加绕组再通电产生磁场,前者就是永磁同步电机、后者则是异步交流电机。

正如前文所说,绕组这个东西上都是铜线,所以其本身在所难免会有电阻。大电流下,电动机开始大功率运行,看似不大的电阻也能带来不小的能量损失。

电阻这个初中物理概念大家一定不陌生,电阻越大呢,通电效率就会有影响,最直接的表现就是发热。

为了不让电阻搞事,上汽工程师从绕组的结构上想办法把截面积做大、长度做短,选用了 Hair-pin 扁线绕组。一般的 Hair-pin 扁线绕组是 2 层一组,从上到下是两组 4 层排布。

那么问题又来了,随着电动车动力需求的增加,电机的转速越来越高,通过绕组的交流电的频率也越来越高。这里的交流电有着明显的“趋肤效应”,导致中间的面积被浪费,周围的电流很大,发热明显,效率降低。

(趋肤效应:导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体表面。)

上汽工程师又想到了一个办法,做成 8 层 Hair-pin 绕组设计。改进之后,电机的最高效率提升了 1%;相比4层 Hair-pin 绕组电机,8 层 Hair-pin 绕组电机效率 ≥90% 的区间从 83% 提升到了 88%,提高了 5%。

与上一代电机相比,ER6电机的功率密度进一步提升53%,接近6kW/kg;扭矩密度进一步提升 12%,接近 12Nm/kg。

配合合理的齿比设计,新车 0-100km/h 加速成绩可以做到 7.8s,这个速度在电动车里头不算激进,但也可以秒杀马路上的一众燃油车了。值得一提的是,这部电机的最高转速可以做到 15000rpm,这样就保证了高速 120km/h 巡航时依然由足够的动力保障。

据荣威工程师介绍,最高效区间对应转速的范围不够合理是电动车跑高速能耗居高不下的重要原因,通过 8层Hair-pin绕组设计,电机得到了足够宽的转速范围,对应的去做匹配也变得容易了一些,整车能耗能够做到一个很好的优化。

电驱:同轴布置设计

荣威的第一代电驱和市面上很多纯电汽车一样,都是采用了平行轴布置的结构,这种结构在空间利用率上比较一般。

有人问了,既然空间利用率不行,为什么还有那么多车在用这个方案呢?好问题。

这里有必要引出一个电机转速和轮端转速差的概念,相比传统燃油机,电机动辄万转的转速是非常快的,这个转速和轮端往往有 10 倍之差。

为了把这个速度差降下来,一般纯电车型会使用两级传动,把一个中间轴做成两对齿轮,因此传动轴从两根变成了三根,这样下来空间就得不到充分利用了。

ER6 所搭载的上汽第二代电驱则改变思路,采用一种同轴的设计布局。简单来说就是把输出轴、半轴、电机轴布置在同一轴线上。具体操作方式是把电机输出轴做成空心的,在里面再嵌套一个轴承,然后在这根轴承里放一根细的轴,外面的空心轴和里面的实心轴以 10 倍左右的关系各自旋转,可以做到互不干涉。

这样设计之后,车辆高度和前后方向上的尺寸就能更宽裕,直接效果就是车内乘坐空间更宽敞。

电池:大模组

经验告诉我们,盲目堆电池是无法有效提高续航的。一方面,电池成本居高不下,另一方面,和手机不一样,电池加大之后整车质量会水涨船高,电量提高所增加的续航很容易被这部分额外的质量 cover 掉。

再三权衡成本和效率之后,ER6 把电池容量标定在了 70kWh,电芯配方依旧是现阶段成本最亲民的 NCM 523。

配方不变,度数不加,要想再增加能量密度就只能在电池包的结构上做文章了。

传统电池包一般采用单体—模组—电池包的组成方式,如果能省掉模组这一层,把单体电芯直接集成到电池包,这就能省掉很多的连接部件,那么电池包的空间利用率就能得到可观的提升。

宁德时代的 CTP 方案就是这种思路,上汽的做法和 CTP 异曲同工,但他们采用的大模组方案没有 CTP 那么激进,并没有把模组全部干掉,而是采用了 6 个模组的方案,通过尽可能地减少模组,提高空间利用率。

之所以选择 6 个模组,上汽工程师说,这是他们反复验证之后的最优解,高集成度固然好,但也会影响整个电池包的整体强度, 6 模组刚刚好。

通过这种集成化设计,上汽的电池包相比同尺寸电池包能够多塞下近 20kWh 的电池,电池包的能量密度可以达到 180Wh/kg ,这对于 NCM 523 的电芯来说已经相当不容易了,几乎接近极限。

电池包一些安全上的小细节

电车自燃频发,电池包的安全性成为摆在供应商和主机厂面前的重要课题。

为了保护电池包,ER6 先是采用了一体式铸铝托盘,设计上把冷却板与框架集成为一体,并对整车安装点的结构形式、四周侧壁各种加强结构以及托盘内部加强结构进行了优化。所以这个托盘有两大优点:集成度高、强度硬。

另外,上汽还通过给电池包加“套件”的方式进行保护。

比如双层的防火罩设计,一层硅胶复合材料、一层玻纤材料。这种硅胶为主的复合材料不会燃烧,但是会在高温下陶瓷化一种质地坚硬的半无机材料,防止电芯喷出物引燃或熔穿电池包上盖。玻纤材料则是保证强度,防止复合材料在未陶瓷化之前提供保护。

平衡阀:电芯一旦出现热失控,势必会有大量的气体释放,即便火烧不穿电池壳体,但强大的气压会给电池造成极大的威胁,所以 ER6的电池包上设置了“只通气不过水”的平衡阀,用于平衡电池包内外压差。

防爆阀:气压是平衡好了,但还是需要一条通畅的管道把气体排出去,于是防爆阀应运而生。

它的工作原理是这样的,高温烟气先通过内部的排气通道游走,再通过防爆阀排出。在防爆阀的内侧有一层薄钢片,这个钢片带走一定的热量,并会阻挡高温烟气直接冲击防爆阀,烟气会通过钢片与电池托盘的间隙,这时候已经失去一部分热量的烟气再从防爆阀排出。

我简单梳理了一下 ER6 电池包极端情况下的工作场景,串联起来就很好理解了。

一旦电芯发生热失控,这个时候不出意外的话实时监测的 BMS 电池管理系统肯定感知到了,于是电池水泵开始全力工作进行散热,把局部过多的热量转移到其他位置。一旦发生失火,防火层阻挡住电池包内部的火势,平衡阀开始为电池包释压,高压烟气通过排烟通道一路奔向防爆阀进行排出。

理想状态下,ER6 的电池包可以做到火烧不出、气炸不了状态,至少一段时间内是这样的,那么乘客就有充足的时间进行逃生。

说起来容易,但这对电池的热管理提出了非常高的要求,BMS 系统需要精确监控,及时报警并向各部件发出指令,任何一个环节掉链子都有可能导致防护不到位。

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