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前沿拓展：

——《细说“通用换电方案”系列》之三

 

解决难题的方法，往往出乎意料但却并不复杂。本篇要展开介绍的“通用换电方案”中的解决方案二，正是这样一种方法。

 

现在我们周边已经很少能看到“窗机空调”了，很多年经人已经不知“窗机”为何物，但很多香港人却还爱用窗机空调，主要是窗机空调很适合香港的建筑特点，他们认可窗机空调节省室内外空间、不破坏建筑墙体等优点，而且认为窗机空调可靠性更高。

 

我们也将把电动汽车上原来液态温控“中央空调”的做法，变身为通用换电电池上的“窗机”做法，本文将来介绍为什么要这样做。

 

说明一下：《细说“通用换电方案”系列》中会有多篇文章采用附图配合说明，图号是统一编排的，前文中已出现过的附图，再用到时仍用原来的图号（上一篇中已出现过的图：图一～图十六）。

一．电动汽车动力电池温控现状

现在主流的动力电池类型，对使用环境温度是比较敏感的，一般会采用液态温控。其它可用的温控方式，控温能力都较弱，如果采用的话，为防止温度过高（电池在较高温度下使用，性能减弱，衰减也会加快，还不安全），电池会限定较小的输出功率，对应车型的加速能力、最高车速也较低，所以一般用在低性能车上。

 

采用液态温控的动力电池，电池内部有热交换管路，相当于中央空调的一个内机，液态温控系统的其它部件大多在汽车上，实际上是汽车与电池共建液态温控系统。

 

现在已有不少可以快速换电的车型，所用换电电池大多不采用液态温控，但电池的性能无疑是被削弱了，车的动力相对也弱。近来出现的可以快速换电的车型中，电池也有采用液态温控的，与不换电的车型相比，多了可快速拆接的管路接口。

二．通用换电电池采用液态温控的方式

我们以前强调过，不能为了通用而削弱通用换电电池的性能。因此，现状下，通用换电电池采用控温能力强的液态温控无可避免。那通用换电电池也与车之间共建液态温控系统可以吗？问题不少！简单列出几点：

 

①．各车型的条件不同，不一定能满足要求。有些车型没有液态温控系统，不应把这些车型排除出去。如果需要车与电池共建液态温控系统，并且换电时需要断开和连接液体管路，有些车型设计时会对选用通用换电电池望而却步。

 

②．有的车型用多块电池，共建液态温控系统会过于复杂。

 

③．不同车上制冷剂或冷却液处于不同状态，互换引起混乱。再说互换的话，制冷剂或冷却液型号必须统一不变，不利于技术发展。

 

④．电池技术也是发展的，同一型号后续推出的电池，温控要求可能出现较大变化，会配合不好。

 

除了上面几点外，反过来看，如果电池与车之间不连接液体管路，就不会因连接出现问题而带来麻烦，毕竟通用换电电池应用面极广，在大面积互换中不因连接问题出现制冷剂或冷却液泄漏，难度还是比较大的。

 

看来，采用液态温控，但电池与车之间不连接管路，不需在换电时拆接管路，是通用换电电池的一种理想状态了。别无他法，我们就来做与车之间无管路连接，但还会采用液态温控的“快换型通用动力电池”。

 

（一）．底置型电池的“独立液态温控”

 

通用换电方案的总方案中初步设定了5款“快换型通用动力电池”（参见前一篇文章中的图一），其中A、B、C、D四个型号是底置型电池。乘用车全部采用底置型电池，一些货车、客车也会采用。

 

前一篇文章中曾以一款B级轿车作为例子，展示底置型电池的应用，这款B级轿车的两个车型分别安装了B型电池、D型电池，并配了图三、四、五说明，下面把这三个图缩小后放在一起，再展示一下：

 

 

电池安装在车底，电池的底面与地面之间相隔一段间距。

 

1．基本思路

 

独立液态温控回路（独立液态温控系统）的思路发源于对底置型电池的分析：采用液态温控，不管是采用单一回路还是多重回路，最终要把热量通过对外热交换器（冷凝器、蒸发器或散热器）排出去或吸收进来，因此对外热交换器需要放在空气流通处，底置型电池正好有一个很大的面是对外的——底面，安装后位于车底位置，汽车行驶时，车底空气是流通的。我们就把对外热交换器结合到电池的底面上。

 

2．底置型电池上的液态温控系统

 

以上面图中B型电池为例，把图四中B型电池视图、图五中B型电池视图结合在下面图十七中，展示液态温控回路中各部件的安装位置：

 

 

图十七（b）中2区指的是图示相应位置（电池的上面）及以下部分，但不含最下面的对外热交换器部位，电池内的电芯主要安装在这个区域，其中包含内部热交换管路（现在流行的一种做法是，内部热交换管路通到液冷板内，液冷板通过导热垫与电芯壳体接触形成热量传递途径）。

 

图十七（a）中1区就是电池底面上对外热交换器的安装部位，对外热交换器的管路可在合适位置通入电池内部并连接其它部件形成整个液态温控回路。

 

液态温控回路的其它部件，大多可以安装在图十七（b）中3区（指图示相应位置以下部分）。

 

这样，在底置型电池上，建立了一个独立的液态温控回路，或者说有了自己独立的液态温控系统。电池的液态温控从整车的“中央空调”中独立出来，变身成为单独的“窗机”。

 

3．对外热交换器、其它温控部件的一些特别要求

 

对于底置型电池，还可以有个类比：扁形的电冰箱。冰箱的对外热交换器（一般是冷凝器）安装在背后，底置型电池的对外热交换器安装在底面。现在很多冰箱的冷凝器已经不象以前一样一排管子露在外面了。做在电池底面时，对外热交换器不管是冷凝器还是蒸发器（热泵回路），或者是散热器（液冷回路），要求会更高：

 

①．薄是必须的要求，因为底置型电池厚度的尺寸是最宝贵的，可能会采用扁管、板管之类的。

 

②．要强度大，装在车底容易被石子等打到，或有时直接碰到路面，所以要选用强度大一些的材料。不排除在管子以下再加一层散热性好但强度大的板子，或者直接将管路装在强度较大的散热板中（类似于电池内部的液冷板）。

 

③．最好做成能拆卸式，虽然要求材料强度高，对外热交换器损坏的情况还是难免，相对于电池的高价值，对外热交换器成本不高，损坏后不能因小失大，能更换最好。

 

④．如果有其它要求，可评估其可行性、代价等，再考虑是否实施。比如是否可将对外热交换器分为几组，分布于电池底面不同区域，某一个区域出现破损，可单独将这一部分的管路关闭，这样的话，整个液态温控不会当场就不能用了，车也还能继续开，可到换电站后再去换电池（但这个方案可能会鼓励车主滥用，从这个角度考量，技术和成本上可行也可能仍不采用）。

 

对外热交换器与电池其它部分（底置型电池，对外热交换器处于电池箱的底面之下）还要有适当的隔热。不过这里有个小问题，如果是低温环境下，电池还需加热的话，隔热可以节省能量；高温情况下，上来就要对电池降温，这个也没问题；但如果是中间状态，本来电池可以自然散热的这段状态下，有隔热，电池温度上升会加快，就要提前开始控温。理想的来看，如果隔热层可采用特殊设计，隔热的效果可调，就更好了。但这样做代价（空间的、成本的）可能比较大，开始时不一定要实施。正常的隔热设计也不应占用太多空间（厚度），电池和冰箱要求还是不同的，内外温差没有那么大，隔热要求不算很高。

 

对其它部件的一个主要要求是小型化，在合理的前提下，减小体积，少占用电池空间。可以为“快换型通用动力电池”专门设计部件，不能说是特制，可以说是专用。通用换电的目标是大多数车都可选用，形成一个大产业，生产量会很大。

 

液态温控回路的有些辅件可能要放在通气环境中，而电池大体上是密封的，如果最后确定的温控系统中有这种部件，可以专门为它做一个隔开的空间，这个空间与外部是连通的，但与电池内部不相通，仅管路可通过密封通道连接内外相关部件。

 

考虑到安全性，制冷剂或冷却液要尽量选用阻燃性好的。

 

4．充电时空气不流通怎么办？

 

夏天停车充电，无风，特别是快充时，液态温控运转，对外热交换器表面的热空气不能向下对流，地面可能因太阳晒过暂时还有热辐射，对外热交换器会不会因热量散发不掉而温度过高？想些简单的办法来解决：

 

①．在车底合适位置安装扫风装置，比如安装在靠近前桥的位置，装置中有小型风机，需要时（电池与车通信）在车底横向吹风。这个应该不难，算是个不太大的代价。这个扫风装置也可以做成上下伸缩式，下伸扫风，不用时回上，扫风口可以遮挡起来，以免行车时损伤。

 

②．充电桩底部都安装扫风装置，充电时可应电池的要求（电池与充电桩通信）启动地面扫风。

 

③．电池自身安装有扫风装置，也可需要时下伸并转动扫风，但这又要牺牲电池的能量密度，不是太可取。

 

几种办法中选用一种就可。

 

（二）．侧置型电池的“独立液态温控”

 

目前总方案中只设定了一个型号侧置型电池：E型电池（参见前一篇文章中的图一）。

 

前一篇文章中我们展示了E型电池在客车、货车中的应用：图十二中的大型客车（4），图十三中的轻型货车（7）、重型半挂牵引车（8）、半挂车（9）都用到了E型电池。下面再展示一下图十二和图十三的局部：

 

 

从上面介绍中可看出，E型电池的应用面也很广。

 

1．思路的变化

 

侧置型电池安装在电池舱内，没有直接暴露在流通空气中，思路应转到对外热交换器如何与外界交换热量上，同时要选择适合安装对外热交换器的面。根据电池结构，结合其安装方式，选择电池的上面和底面安装对外热交换器，都有条件为其找到与外界交换热量的方法。

 

2．三种设置方式下对外热交换器与外界交换热量的方法

 

E型电池初步设定的尺寸是：长宽高为560*400*350mm，上面和底面都是560*400mm的长方形。相对于底置型电池的底面，这个长方形的面积比较小。我们预计对外热交换器只设置在上面或底面已经能够满足液态温控系统的需求，但还不能确认；上下两个面都同时设置对外热交换器则可能会有更好的控温效果。

 

下面把三种设置方式下对外热交换器如何与外界交换热量都分析一下：

 

以图十三（8）的重型半挂牵引车为例，图中所示是电池舱门向上打开，E型电池取出或装入前的状态。E型电池装入后的状态、E型电池装入并关闭电池舱门后的状态分别参见下面图十八示意图中的图（a）、图（b）：

 

 

下面图十九，是图十八（b）中已装入E型电池后电池舱的组合示意图。在侧向剖视图中可见三个E型电池。

 

 

借用图十九中的剖视图来说明E型电池对外热交换器三种不同设置方式下，如何与外界交换热量。参见下面图二十示意图：

 

 

①．对外热交换器只设置在电池的上面。图二十（a）剖视示意图中，把电池舱上部的一些线条隐去，可以看出整个电池舱上部能形成一个风道，装入小型风机的话，就会形成空气流通环境。E型电池对外热交换器设置在上面，就用这个方法满足与外界交换热量的要求。实际应用中，风道需要有过滤空气中尘土的装置，特别是雨天，大型车上电池舱附近混浊水气很重，可以考虑将风道的接入口引到车上的其它合适位置，以减少混浊水气的吸入。过滤装置还要按需清理，因此要便于拆装。

 

②．对外热交换器只设置在电池的底面。可以用图二十（b）、图二十（c）中的方式与外界交换热量，图二十（b）中，电池舱底面中间大面积向下敞开，即中间没有底板，与外界是连通的，电池底面上的对外热交换器直接与外界空气交换热量。图二十（c）中电池舱底面采用散热材料制造，E型电池的对外热交换器与电池舱底面接触并传递热量，再由电池舱底面的外部与外界交换热量。

 

③．对外热交换器同时设置在电池的上面和底面。就是将图二十（a）中方式与图二十（b）中方式结合使用；或是图二十（a）中方式与图二十（c）中方式结合使用。我们先不去确定上下两个对外热交换器是串接式还是并列式，当然如果是并列式的话，有两种做法：一起使用，或选择使用。

 

3．其它说明

 

侧置型电池上液态温控部件也有小型化的要求，但由于其形状不同于底置型电池的扁平状，要求上会有所不同，可结合其特点来设计。设定各部件安装位置则相对灵活。

 

图二十（b）、图二十（c）中的方式都存在一个停车充电时，电池舱下空气流通不足的问题，这个解决方法可参见前面底置型电池的解决方法，会有些不同，但总体思路上大同小异，这里不细说了。另外，按图二十（b）中的方式，电池底面污染时需要清理；按图二十（c）中的方式，电池舱底部散热材料（相当于散热器）外部污染严重时也需要清理。

三．“独立液态温控回路”的粗略设想

虽然确定具体回路设计不是本解决方案的任务，但也可以在这里做些设想。方法都是现成的，拿过来看看在通用电池上是否适用。

 

我们把采用液态介质或采用气、液转换介质的温控回路都定义为液态温控回路。

 

第一种回路，见图二十一。这是一个直冷回路，有四通阀可反向制热，变成热泵回路，冷凝器与蒸发器的功能可互换。如果去掉四通阀则只有制冷功能。

 

如果只用这个液态温控回路，电池主要适合在南方地区使用，比如在东南亚国家中使用。如果要在北方冬季中使用，还要另加加热装置为电池加热（热泵的加热能力有限）。

 

 

第二种回路，见图二十二。液冷回路，带加热器，有换向阀，散热时走外循环，加热时冷却液可只走内循环。

 

与第一种回路相反，电池如果只用这个液态温控回路，因为只有散热没有制冷，降温能力有限，电池只适合在寒冷地带使用。

 

 

第三种回路，见图二十三。直冷回路与液冷回路耦合，两个回路在冷却器中交换热量（两个回路不相通，各走各的回路），这个温控回路制冷和加热能力都强，电池适合在各种环境下使用，但占用电池空间会多些，冷却器也要尽量小型化。

 

左边的直冷回路也可以有四通阀，要加热电池时，左边回路变成热泵回路先为右边液冷回路提供热量，到一定温度后再启动加热器继续提升液冷回路温度，这样做可以节省能量。

 

 

第四种回路，见图二十四。这个回路是第二种回路的简化，只加热，单独用，适合寒冷地区。但如果电池同时安装有第一种回路和第四种回路，其作用与第三种耦合回路相近，好处是省去了冷却器，但内部热交换管路有两套，两套管路可以安装在同一套液冷板内。两种做法的优劣要进一步分析或通过实做来验证。

 

 

上述回路都是经过简化的，一般来说回路上还会有一些其它辅件。

 

液态温控回路的做法还会有很多变化。比如：电池也可同时安装第一种回路和第二种回路；第三种回路也可因某种原因调换内外排列，即液冷回路在外，直冷回路在内；还可以用多重回路耦合等等。

四．采用或不采用液态温控

不能绝对说“快换型通用动力电池”都要采用液态温控。要综合考虑一些因素，主要是看电池类型的特性，还要考虑电池形式、主要使用场合的环境等。

 

比如采用某些磷酸铁锂电芯的侧置型电池，可以用风冷结合其它加热方式，而不采用液态温控。

五．“独立液态温控”的代价不小

“独立液态温控”在所有解决方案中付出的代价最大，主要是明显拉低了电池的系统能量密度。成本的增加相对次要（通用换电能够实施，电动汽车会有普及趋势出来，大批量生产又会拉低成本）。

 

“通用换电方案”的总方案和几个解决方案都会付出一些代价。因此，与其说这些方案有多巧妙，不如说更需要推行者在选择和决断上的明智。背景是，整个电动汽车行业已困在动力电池的充电焦虑和电池成本高且易贬值上了，而推行通用换电几乎是解困的唯一可行途径。

 

所有的解决方案，一旦提出来，看上去都很简单，但又无一例外会给研发人员出些难题。“独立液态温控”也不例外，只是个脑筋急转弯，但要针对具体问题分析其可行性，然后又要提出一些更具体的解决方法，形成解决方案的组成部分。通用换电方案的实施，可以考虑先从“独立液态温控”入手，理论计算通过，还可实际试做验证。可行了，再考虑全面展开整个通用换电方案的实施。

 

与安装连接相关的三个解决方案展开介绍完了：上一篇介绍总方案时，连带介绍了解决方案一与三（这两个方案相对比较直观，大家很容易判断其可行性），本篇介绍的是解决方案二：电池采用独立液态温控回路（独立液态温控系统）。其它解决方案后续也会作展开介绍。

拓展知识：