日经BP对中国比亚迪（BYD）的纯电动汽车（EV）“海豹（SEAL）”进行拆解调查，弄清了热管理系统的全貌。海豹的热管理系统中值得一提的是，电池的冷却/加热采用冷媒直冷方式。与日本丰田、德国大众、美国特斯拉采用的水冷方式有所不同。

  　　

　　冷媒直冷方式是指绕过空调的热泵系统、通过把冷媒注入贴在电池上的冷却板来对电池进行冷却/加热的方式。水冷方式是从热泵系统通过板式换热器等将热量从冷媒传递到水（冷却剂）、以水作为热介质调节电池温度。

 　　

　　如果单从电池来看，只不过是用冷媒冷却还是用水冷却的差异而已。但是，从纯电动汽车的整体热管理系统来看，两者的差异随处可见。

   　　

　　4家公司的热管理一举公开

   　　

　　下面比较一下各公司的热管理系统。图1～4分别显示出比亚迪“海豹”、丰田“bZ4X”、大众“ID.3”、特斯拉“Model Y”的热管理系统的概要。不过，这里省略了一些未弄清楚的零部件。

 　

图1 比亚迪海豹的热管理系统概要 （来源:日经XTECH）

　

图2 丰田bZ4X的热管理系统概要 （来源:日经XTECH）

　　

图3 大众ID.3的热管理系统概要 （来源:日经XTECH）

　

图4特斯拉Model Y的热管理系统概要　 （来源:日经XTECH）

　　 

　　

　　丰田、大众、特斯拉均采用了把空调以外的热管理全部集成到水回路中的“水集中型”系统。至于丰田，空调制热也采用水回路。相比之下，比亚迪只有逆变器和马达用水冷却，其他则使用冷媒进行冷却/加热。与3家公司不同的选择体现了比亚迪的个性。

 　　　

　　冷媒直冷重量轻、成本低

 　　

　　比较一下图1～4的回路图，水集中型看起来更加井井有条。但实际上，随着水泵和切换阀等零部件的增加，“冷媒回路可以更轻、更紧凑地整合系统”（某汽车零部件制造商的技术人员）。在成本方面，也存在“水回路价格更高”（同前）的趋势。  

 　　

　　另一方面，与冷媒相比热容更大的水具有可承受电池等突然发热的优势。“纯电动汽车搭载的电池容量逐年增加，水集中型正在成为主流”（同前）。

   

　　在使用冷媒的潜热（状态变化的能量、汽化热）进行冷却的冷媒直冷方式中，蒸发后的冷媒气体的温度大幅上升。因此，存在电池冷却板的冷媒入口附近充分冷却、但出口附近有时几乎不冷却的情况，容易产生冷却不均（图5）。

 　

图5 冷媒直冷方式的冷却不均的示意图 水冷方式（左）与冷媒直冷方式（右）的区别。从冷媒直冷方式来看，冷媒蒸发变为气体后温度大幅上升。（来源:日经XTECH）

　　　　 

　　由此可知，冷媒直冷方式适用于车辆的装载容积有限的紧凑型纯电动汽车等。例如，日产的轻型纯电动汽车“樱花”（Sakura、电池容量为20kWh）采用冷媒直冷方式。由于搭载的电池容量小，发热量少，因此不需要像水冷方式那样高的冷却性能。在成本方面也具有优势。

 　　

　　但是，调查上述对比的4款车型的电池容量后发现，虽然不同车型存在差异，但海豹的电池容量为82.5kWh、bZ4X约为71kWh、ID.3约为58kWh、Model Y约为75kWh，实际上海豹的电池容量最大。那么，为什么海豹能够采用冷媒直冷方式呢？有分析认为，原因与电池种类的不同有关。 

 　　

　　利用磷酸铁锂电池的温度特性设计热管理系统？

   　　

　　海豹采用磷酸铁锂（LFP）类的锂电池（图6）。而bZ4X和ID.3则搭载使用镍（Ni）、锰（Mn）、钴（Co）作为正极材料的三元类（NMC）锂电池。Model Y使用的是正极材料采用镍、钴、铝（Al）的NCA类锂电池*。

 　　

图6 从海豹上取出电池的情形 （摄影:加藤康）

 

* Model Y 的部分车型搭载磷酸铁锂电池。

   

　　对于海豹热管理系统的设计依据，一家汽车零部件制造商的技术人员提出看法称，“磷酸铁锂类电池与三元类（以及NCA类等高能量密度的锂电池）相比，温度特性优越。或许是由于不需要严格的温度管理而采用了冷媒直冷系统”。

   　　

　　温度特性是指电池在环境温度下不易降低性能的性质。当电池暴露在低温或高温环境中时，电压会发生变化，出现本来的性能无法发挥或加速老化等情况。

   　　

　　磷酸铁锂类电池“由于电解液难以分解”（电池专家），高温情况下的温度特性优异。具体来说，“三元类电池应控制在60℃以下，而磷酸铁锂类电池则可以承受到80℃左右”（同前）。因此，可以认为就算面临上述的冷却不均，磷酸铁锂类电池也不易出现老化。

    　　

　　比亚迪的海豹采用了以安全性高、价格低廉为卖点的磷酸铁锂电池。可以看出受益于高温特性卓越的磷酸铁锂电池，通过采用冷媒直冷方式的热管理系统，有进一步降低成本的意图。

 　　

　　石桥拓马  日经XTECH/日经制造

资料来源：日经XTECH

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/02462/060800009/

    

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