Yulong · 8月5日 · 北京市

面对新技术的快速迭代,通用汽车奥特能平台如何应对

随着中国动力电池和电驱动技术不断创新,其实在辩证的看问题,全球汽车企业所开发的电动汽车平台,特别是聚焦于三电技术的Ultium奥特能平台,有哪些比较优势,是否能承担通用汽车全面转型电动化的重任。7月底上汽通用举办了“奥特能电动车平台技术公开课”,烟烟也跑去现场看了,回来我们俩也就这个电动汽车平台的特点做了一些梳理。按照奥特能平台的Slogan,“更安全、更智能和更性能”这些特点与中国电池和电驱动系统新技术相比,它有哪些考虑的差异化?

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▲图1.探秘奥特能的奥秘之旅

我是这么看的:

●通用汽车的工程设计是“以我为主”的:和MEB一开始需要考虑更多的中国补贴和各种需求来比,通用汽车的奥特能平台一开始就是从标准电芯的方式开始去考虑,围绕安全和性能两个关键特性,去长周期考虑问题。而通用在中国的优势,就是可以在三电硬件的特性的验证做到非常极致,这就保证了这个系统平台的底线非常高。

●由于从BEV2的Bolt到BEV3的奥特能平台间隔时间比较久,所以通用汽车有机会导入有价值的新技术,比如无线BMS、电池和电气方面快充特性等等。

●在电驱动方面,通用也充分发挥自己在扁线电机和逆变器设计方面的优点,其实做了好多事情。

我们可以这么理解,抛开中国新技术的迭代周期和相互踩踏,通用汽车其实做到了对一些电动汽车关键特性的坚持。

Part 1 深入到电池里面去

在中国,是否能对电芯进行测试,是衡量一家汽车企业对电池懂多少的核心标准。在过往的开发中,龙头的电池企业是大包大揽的,就像以前的博世一样,给你个黑盒子。整个电池的特性,由这个龙头企业的品牌所背书。而通用汽车是少数不仅能对电芯进行测试,并且能够通过测试验证,参与电芯配方设计的汽车企业。

通用汽车中国电池实验室于2012年正式启动电芯样本研制与测试,由电池材料实验室、电池制造实验室、电池测试实验室组成,具有完整的电池研发、验证及测试能力。通过与电池供应商进行合作,在实验室对其进行3-5年的测试和验证,可以深度的了解整个特性。 

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▲图2.通用汽车的电芯试制线

上汽通用深度参与电芯化学体系设计和性能开发,主导了奥特能平台在中国的落地。整个电芯的设计开发与验证由通用汽车、上汽通用汽车、泛亚汽车技术中心和电芯供应商共同完成,设计开发中深入参与电芯材料体系制定、制造工艺、性能评估、安全滥用和成本控制五大方面。特别是基于整车使用环境、终端客户、产品定位等不同场景设定电芯的性能评价标准,电芯会经历电、热、化学、安全、耐久、振动、性能等全面考验,累计测试达320万小时以上。

●材料体系:材料体系的深入,是需要了解电池企业是通过什么搭配给你做电池,未来这些材料的发展方向是什么,知道这些就不太慌有突变。

●性能表现:就是多维度的电池特性测试。

●设计和制造工艺:主要还是从DFMEA和PFMEA入手,了解电池企业在设计电芯和制造电芯的差异做准备,通用想好了这个在美国就自己上手做电池了。

●安全滥用:围绕国标的要求是基本的,而围绕车主使用中对电池的特性的认知,建立全生命周期的需求是非常难的。

●成本控制:这个事是困扰中国2022年整个汽车企业的核心问题,怎么实现电池降本,研究是第一步。

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▲图3.深度进入整个电池的体系,是车企的必修课

通用汽车在中国的单体电池测试实验室可同时测试96颗电池样品,电池包测试实验室可以同时测试6个测试样品,单体电池的测试项目主要包括温度测试(零下40°C~85°C)和充放电测试。

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▲图4.通用汽车在中国的电芯测试实验室

根据电芯工程师白阳介绍,在奥特能电芯的正负极上都采用的专属(特殊)的配方。正极方面,上汽通用选用了高能量密度的NCM811体系电芯,通过原位涂层包裹形成核壳结构,并通过定向掺杂稀土元素铆定游离氧。原位涂层目的是防止内力外泄,降低氧的释放量;掺杂稀土元素也是为了减少氧的释放量。因此这个专属的设计,能否保证电芯工作寿命的延长,通过测试验证,能让奥特能电芯在全生命周期的快充,不会让电池寿命衰减或者出现热失控的问题,这种配方相比基础配方热稳定性提升10%。

负极采用了高容量快充石墨,增加电量;通过原位搭建快速离子导电环,增加电量的传输速率;颗粒级配消除电极阶梯浓度,可提升导电性,使锂离子脱嵌顺畅,不容易破坏材料的微观结构。

也正是由于测试验证的完备性,这套奥特能平台电池的兼容性是很强的,在化学体系上可以兼容磷酸铁锂、三元锂电池,以及未来的锂金属电池、固态电池等。

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▲图5.电池的配方设计

Part 2 安全的设计

从刀片到麒麟,其实中国电池企业都是在说保证合理成本下做到电池热失控安全的事情。其实上汽通用一开始,在国标还没有5分钟之前,就提出了1个小时的要求,这折磨了很多工程师日日夜夜蹲着去做实验。在整个体系中,为了保证电池安全主要涵盖:

●电芯的入厂测试

车企要在电池的筛选阶段,做高标准的电芯选择和测试。通过对电芯加工以前的阶段,采取100%电芯DCR(直流内阻)检测,可以通过DCR全检确保电芯焊接制造、电芯性能、下线品质的一致性,从而减少电芯容量的木桶效应,提高电池安全性和寿命。图片 

●电池安全管理的7重防护 

在这个里面,其实已经聊过很多次了。

电芯间隔热墙:这已经演变成为行业的标准了,使用加厚设计的纳米级航天材料气凝胶,有效降低电芯间热量传递。 

抑制热扩散技术:当电芯单体热失控时,快速排气通道可快速排出高温气体。辅以集成到模组底部的液冷板系统,迅速释放包内热量,降低对相邻模组和电芯的影响,减少次生失效。外部的水泵的控制需要在车辆热失控报警之后继续加快工作,这里要改动很多的软件,弄起来很费劲 。

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▲图6.隔热设计和水冷板

集成式液冷系统:模组都配置了专利设计的集成式独立液冷板,通过底部的设计整合,换热效果提高约10%;液冷系统通过独特的流量控制,可以控制电芯间的温差在1摄氏度,提升了电池寿命;在BDU电池分断单元里也放置了液冷板,可以使BDU单元支持>1200A的峰值电流负载,发热最高温度<65°C,消除对周围零件热影响。

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▲图7.集成的水冷板设计

模组和整包的防火设计:上盖防火专利,电池上盖内置气凝胶防火毯,主要消除电芯喷射对上面的影响。 

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▲图8.模组防火盖板

大面积防爆阀:结合快速排气通道相结合,可以迅速排出高温气体。

电气防拉弧设计:高压元器件具备在电芯热失控后防止拉弧设计,可以防止对电池系统的二次防护。

车云两端相结合的电池健康监测系统:车端采用气压/温度/电压三重传感器, 24小时不间断、高频率的监测电池包和电芯状态,一旦检测到失控风险会主动采取快速冷却以控制热扩散,保障安全。

目前行业里面,也开始部署云端数据平台基于电池全生命周期数据,能够提前识别电池析锂、内短、鼓胀、漏液等热失控隐患,并提供周级别的电池健康异常预警,以防患于未然。 

Part 3 电驱动系统

奥特能的电驱动系统是平台化的,一共有三款电驱,产品分别是前驱主力电机、后驱主力电机和后驱辅助电机。

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▲图9.奥特能驱动系统

凯迪拉克LYRIQ锐歌后驱车型,采用3合1的电驱单元,峰值功率255kw,峰值扭矩440Nm,最大驱动电机系统效率可达96%。逆变器IGBT模块采用的是双面水冷,所以在有限的空间内,可以发挥更好的散热效果,从而提高了功率的密度。智能油温管理模块热交换器,可以储存变速箱油热量,通过电机的废热利用提升系统综合效率,在低温启动快速加热驱动单元。 

其实通用汽车早在第一代纯电动就使用了电机扁线技术,在奥特能上不断迭代,导入了电机自粘铁芯和全油冷电机和减速箱上。 

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▲图10.奥特能技术平台

电机扁线技术可以有效降低绕组电阻进而降低铜损耗,输出更高的功率和扭矩。扁线在定子槽内紧密贴合,与定子铁芯齿部和轭部更好接触,热传导效率更高,进一步提升电机峰值和持续性能。电机自粘铁芯不会出现铆接方式所造成的材料拉伤,减少涡电流的发生。固定强度大大提高,减少旋转时的振动,减少风噪,散热性优异,进一步提升电机效率和NVH水平。 

所有奥特能平台电驱单元的电机和减速箱均采用油冷方式,采用内置油泵,可主动喷油进行润滑与冷却,提升了系统综合效率。电机采用定子喷淋冷却结合转子甩油,无需设计冷却水套,外径尺寸小,可以带来更大的体积功率密度。 

这块有机会我们再来仔细进行解读。

小结:随着全球都在推动电动汽车的技术发展,围绕快速开发和围绕安全性能的两种理念会有碰撞,抛开EE架构和智能化不说,其实电驱动和电池的底色是非常确定的。

作者:朱玉龙
来源:汽车电子设计
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