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宋楠:研判比亞迪27米級4輪邊電機驅動電動客車3電技術

2019年4月1日,比亞迪在深圳坪山基地首發一款專為南美(哥倫比亞)研發並量產,總長27米、由4組輪邊電機驅動、2.5-3.5小時即可充滿電的BRT級K12A型電動客車。作為目前全球範圍最長的BRT電動客車,比亞迪K12A由2組鉸接系統關聯3組車廂,滿載乘客250人。

本文將對比亞迪K12A型BRT電動客車的3電系統技術狀態,進行“防止競爭對手窺竊的”有限技術研判。

1、比亞迪K12A電動客車搭載的輪邊驅動電機技術特點:

上圖為K12A電動客車側面狀態特寫。

黃色箭頭:第1轉向橋

白色箭頭:第2驅動橋

藍色箭頭:第3驅動橋

黑色箭頭:第4隨動橋

紅色箭頭:第1鉸接

綠色剪頭:第2鉸接

分布在K12A第1、2、3車廂下端,又布置了4組輪邊驅動電機控制艙、動力電池艙以及充電系統艙室。

K12A電動客車的第1轉向橋,不具備驅動能力,僅用於轉向用途(配置氣囊減震);第2驅動橋和第3驅動橋,各適配2組輪邊驅動電機,每組輪邊驅動電機最大輸出功率XXX千瓦、最高轉速10000轉/分(配置比亞迪自行研發的一體化氣囊減震驅動橋);第3隨動橋不具備轉向和驅動能力,僅用於承載第3組車廂用途(配置氣囊減震承載橋)。

2、比亞迪K12A電動客車2x2電驅動系統技術狀態研判:

從2009年8月立項開發,到2010年3月開始裝車路試,再到2011年7月搭載輪邊電驅橋的比亞迪第一批純電動大巴交付使用的時間裡。輪邊電驅橋共生產超過6萬輛,單車運營裡程超60萬公里。

至2019年,用於中國市場的比亞迪K9/K8電動客車,和用於美國、日本、歐洲及南美市場的比亞迪K系列電動客車,全部搭載90千瓦級輪邊驅動電機。只不過,在過去的7年間,這組TZ270XSB輪邊驅動電機,根據使用經驗的豐富以及分布全球終端用戶的需求進行了深度的進化。

2015年5月比亞迪承德工廠開工建設儀式上,王傳福介紹這套TZ270XSB輪邊驅動電機(含減速器)氣囊懸架及一體化程橋的電驅動總成。

紅色箭頭:TZ270XSB輪邊驅動電機沒有適配液冷或油冷散熱組件。

這組TZ270XSB型輪邊驅動電機最高轉速7500轉/分、最大輸出功率90千瓦、最大輸出扭矩450牛米。在2017年之前,並未適配油冷散熱系統的TZ270XSB型輪邊驅動電機,在公交運營背景下的綜合可靠性較為優秀。

以2組一套的形式出現的TZ270XS型輪邊驅動電機,隨著各種改型的K系列電動客車,適應了全球範圍高寒、高海拔及高溫地區,圓滿的完成了公交運輸任務。

上圖為比亞迪杭州工廠為出口以色列的K9U電動客車,適配的集成油冷散熱系統的新狀態TZ270XSB型輪邊驅動電機細節狀態特寫。

紅色箭頭:輪邊驅動電機(含減速器)本體

黃色箭頭;集成在輪邊驅動電機外殼體的油冷散熱系統(模塊)

新狀態的TZ270XSB輪邊驅動電機,與老狀態版本相比,最大轉速、最大輸出功率和扭矩,幾乎沒有差別(不排除扭矩曲線和功率點,為以色列公交市場運營特點進行重新適配的可能)。不過考慮到以色列地處高溫乾燥的中東地區,並綜合本地傳統動力公交客車運營效率,比亞迪為TZ270XSB輪邊驅動電機,增加了1組油冷散熱系統,保證全負載工況下的電機溫度處於更合理的範圍。

在此之前,國內使用及銷售國外市場的比亞迪K系列電動客車適配的輪邊驅動電機的殼體布設了液冷散熱管路,以連接外部循環管路。

筆者注意到,在比亞迪自行研發的輪邊驅動電機序列中,一款編號為TZ290TSA型輪邊驅動電機最高轉速10000轉/分、最大輸出功率180千瓦、最大輸出扭矩550牛米。相對新狀態的TZ270XSB輪邊驅動電機而言,通過改變電機內部的定子與轉子狀態前提下,保留了油冷散熱系統,並在外觀尺寸上幾乎做到相當(自重提升在可控範圍)。

TZ290TSA型輪邊驅動電機,顯性的變化是最大功率和扭矩的提升;隱形的變化則是最高轉速提升至10000轉/分。最高轉速的提升,使得TZ290TSA型輪邊驅動電機的有效功率和扭矩輸出區域變得更寬泛。這意味著,搭載TZ290TSA型輪邊驅動電機的電動客車的經濟車速會更高,更加節約綜合電耗。

上圖為K12A型電動客車第3驅動橋搭載的輪邊驅動電機技術狀態特寫。

綠色剪頭:EQ13B型一體化驅動橋

紅色箭頭:BYD-291XXXXXX型輪邊驅動電機

然而這款編號為BYD-291XXXXXX型的輪邊驅動電機最高轉速10000轉/分、最大輸出功率並不是180千瓦、最大扭矩則是XXX牛米。

與比亞迪現有輪邊驅動電機編號不同可以理解為,細化產品需求的一種手段。然而保留相同的10000轉/分的轉速,但不同設定的最大功率和最大扭矩,則可以被看作是車型所在國家特殊氣候以及公交運營負載狀態的改變。

K12A型電動客車,第2、3驅動橋適配的最大輸出功率介於90千瓦和180千瓦、最大輸出功率XXX牛米的第3種型號的輪邊驅動電機,同樣是在TZ270XSB型輪邊驅動電機基礎上改型而來。

筆者可以確認的是,TZ270、TZ290以及BYD-291XXXXXX型輪邊驅動電機的整體尺寸幾乎等同,基本上可以模塊化換裝到不同型號的EQ系列輪邊驅動橋,並集成在K8\9系列電動客車。

2、比亞迪K12A電動客車搭載的2x2組輪邊驅動電機控制策略:

截止2019年4月,全球範圍僅有比亞迪一家車廠生產了搭載全新狀態的電四驅系統的電動客車並進行量產。早在2016年,比亞迪就推出了搭載第4種技術狀態的超級電四驅系統的宋EV技術驗證車。電四驅版宋EV,採用前後各一組最大輸出功率110千瓦的軸間驅動電機+中置三元鋰電池總成。

隨後的2018年,比亞迪又推出採用“e平台”的唐EV。唐EV搭載的第的電四驅系統,由前後各一組最大輸出功率180千瓦的軸間驅動電機構成。

而K12A型電動客車全車適配4組車橋,其中第2、3驅動橋由輪邊驅動電機構成。這與以往的K9/8系列2組輪邊驅動電機構成的單橋驅動模式、以及唐EV軸間驅動電機構成的第6種技術狀態超級電四驅系統,從技術構成控制策略層面完全不同。

上圖為比亞迪自行研發的3款驅動電機控制器技術參數匯總。

其中KTZ系列電機控制分為90千瓦級、XXX/180千瓦級,2個型號。需要注意的是第2個型號的驅動電機控制器,具備控制2種不同輸出功率的路邊驅動電機的能力。

綜合之前提及的K12A型電動客車適配的是最大輸出功率介於90千瓦級和180千瓦級第3種輪邊驅動電機。而比亞迪現有的輪邊驅動電機控制器也分為2個型號,而其中XXX千瓦和18千瓦級輪邊驅動電機共用1種控制系統。因此,可以綜合判定K12A型電動客車適配的4組相同輪邊驅動電機最大輸出功率靠近180千瓦,甚至硬體結構也都有著較大程度的共同點。

然而,K12A型電動客車第1轉向橋和第4隨動橋不負責驅動;再加上3組車廂和2組鉸接的設定,使得整車行駛、加速以及轉向環節,需要做到更加精準的控制策略。2x2組輪邊驅動電機,每組電機都有1套分布式控制器,全部4組輪邊驅動電機控制器,又由一組額外設定的控制器進行更高級別的控制。

上圖為K12A型電動客車駕駛員位置左側控制面板特寫。

紅色區域:ASR控制開關

最終,K12A型電動客車具備2輪驅動(經濟模式)和4輪驅動(最大負載模式)2種行駛模式。每種行駛模式中,又對加速、製動和轉向動作進行更精準的控制。

在4輪驅動(最大負載)模式下,通過比亞迪自行研發的ASR控制系統(有別於電子-液壓ABS系統的EBS系統),可以控制4組輪邊驅動電機的轉速和製動力再分配。對於轉速,通過對每組電機控制器限制/輸出電流而達到控制的目的;對於製動力再分配,則通過製動管路內的氣壓壓力大小,進行調節。

控制轉速的目的可以更主動、精準的保證車身姿態處於駕駛員的掌控下。4組輪邊驅動電機在直線行駛中,進行加速、勻速行駛以及製動時,4條輪邊驅動電不出現輪速差,不會導致車身擺動等危險動作。

在1(主)+4(副)驅動電機控制器管控下,行駛在複雜路況或者轉向時,4條輪邊驅動電機摩擦系數變化,無論同軸或對向驅動輪出現輪速差,就要通過ASR系統進行主動的輪速補償,以達到車身姿態處於可控範圍x

製動力再分配功能,是在整車控制系統和1(主)+4(副)輪邊驅動電機控制器的配合下共同進行。製動力再分配功能,可以單獨使用也可以與輪速控制控制功能共用使用。製動力再分配功能不僅具備調節製動力,還可以平衡4組製動分泵中的製動盤和製動盤的磨損程度,已達到養護成本效率最大化的目的(4條輪邊電機制動盤片同時更換)。

2、比亞迪K12A電動客車動力電池系統技術狀態研判:

從第1台比亞迪K9型電動客車承擔深圳公交運營,至K12A型電動客車交付哥倫比亞公交公司運營。比亞迪系電動客車始終適配自行研發、量產的磷酸鐵鋰動力電池總成。

隨著中國新能源補貼政策變化,無論乘用新能源車,還是商用新能源車的動力電池總成密度逐步提升。至2018年,商用車動力電池密度普遍突破140wh/kg。而逐年提升的磷酸鐵鋰動力電池總成密度,意味著熱管理策略的不斷提升。

2015年,筆者在深圳比亞迪坪山基地拍攝到,K9系列電動客車使用的鋼材質+塑料材質的磷酸鐵鋰動力電池總成。從2011年-2015年,比亞迪K9系列電動客車的動力電池總成熱管理策略,從簡單的風冷高溫散熱(不具備低溫預熱功能),向較為粗狂的液態高溫散熱和低溫預熱功能過度。

解決了動力電池液態熱管理策略有無之後,比亞迪將動力電池總成的發展路線,暫定在以客戶需求為準的定製化體系。儘管這種“點台”式的定製化路線,可以最大化滿足全球範圍不同客戶實際使用需求。但是,對比亞迪而言,無形中延長了研發、測試、量產和交付周期;增加了研發風險以及成本。

那麽,具備液態熱管理功能、且更堅固和安全的模塊化電池總成,將是比亞迪商用車發展的又一側重點。

2016年,筆者評測了適配液態高溫散熱和低溫預熱功能的磷酸鐵鋰電池總成模塊的K9U電動客車(出口以色列)。這款K9U電動客車,不僅標配了動力電池熱管路技術,更使用了鋁合金材質的動力電池下殼體和輕量化的電池上殼體,以達到被動安全、輕量化和更安全的技術需求。

然而,以安全為側重點的平衡之後,是電池系統及整車自重的持續提升。這似乎又回到了“增加電池電量已獲得續航,還是降低整車自重提升綜合電耗換取更真實的續航”的矛盾點。

2018年,筆者在最低溫度-52攝氏度的海拉爾,對比亞迪K8系列電動客車進行高寒評測。而這款參與了同年吐魯番高溫評測(地表溫度最高88攝氏度)、拉薩(洋湖)高海拔(最高海拔4882米)的高海拔評測的K8系列電動客車,適配了與K9系列電動客車相同的2組90千瓦級輪邊驅動電機合氣囊懸架。

根據不同終端客戶需求,K8系列電動客車具備200-300公里續航裡程。為此,適配了不同數量和不同裝載電量的動力電池總成。為K8系列電動客車,適配的動力電池總成具備更完善的恆溫液態熱管路系統(電芯溫度始終處於25-35攝氏度)。

但是,K8系列電動客車適配的動力電池總成,並沒有嚴格遵循可互換的標準化的模塊技術。對於能量密度始終提升已獲得最高額度的補貼需求,鋁材質的動力電池下殼體,也意味著更大的自重,對提高整體能量密度起著反作用。

配置了更精準的恆溫液態熱管路策略,更優質的主被動安全之後,比亞迪K系列電動客車磷酸鐵鋰動力電池總成的發展,將尋求更精準的輕量化、模塊化方面的平衡。

2019年3月,新能源情報分析網駐英國特派記者Eternity_馬大哈,在比亞迪西安基地拍攝最新狀態的K8系列電動客車動力電池總成細節狀態。在其中一個容納動力電池總成的艙室,布置4組完全標準化的電池模組總成。每套電池模組,都具備液態循環管路、“3通”閥體、動力線纜以及BMS控制線纜。

毫無疑問!2019年製造的K8系列電動客車,完成了全部標準化的動力電池模組的裝車並用於公交運營。與比亞迪及其他品牌高密度電池為基礎的電驅動乘用車輛遭遇的問題一樣,裸露在外的動力電池總成,頻繁遭受異物衝擊或第三方車輛撞擊的幾率很高。這就需要對動力電池總成外殼體,在主被動安全防護措施、輕量化甚至不同車型間的模塊化進行平衡。

然而,比亞迪K系列電動客車的動力電池總成,擱置在被鋼製車架保護封閉艙室內。從車型平台設計層面考慮脫離鋁合金外殼的總成後的動力電池模組,保留IP67防水、防塵的保護措施同時,最大化的降低自重。這樣的設計,將動力電池主被動安全交給車型平台,僅保留防水防塵及防火能力,並做增加或降低到標準化的電池模組數量,獲得不同續航裡程的技術狀態。

上圖為K12A型電動客車,其中1個承載動力電池系統的艙室細節特寫。

可以負責的說,K12A型電動客車的動力電池系統(不能再稱為總成)在2019年國內市場使用的最新狀態K8系列電動客車基礎上再次有所“針對終端用戶的實際需求進行調整”。而這種調整,並不是對電池模組基礎技術狀態進行改變。更多的是對整車適配的X組電池系統的可靠性、熱管理策略以及充電功率進行有針對性的適配。

至此,比亞迪經過近10年的探索、應用、改進,最終降K系列電動客車的動力電池總成的主被動安全、防護能力、熱管理技術、輕量化和模塊化等需求進行十分完美的平衡。

4、比亞迪K12A電動客車動力電池系統熱管理策略研判:

已經進行了3年研發的比亞迪K12A型電動客車,完成了國內全部測試並即將出口哥倫比亞。針對處於南美大陸的哥倫比亞的常年炎熱、潮濕、多雨的氣候,K12A型電動客車的動力電池系統熱管理策略,有別於國內公交市場使用的K系列電動客車。

在2017年,筆者跟隨比亞迪工程院測試車隊,分別在吐魯番、拉薩和海拉爾,對K8系列電動客車進行了高溫、高海拔及高寒評測。無論什麽溫度和海拔,適配動力電池液態恆溫熱管理技術(策略)的K8電動客車,順利的接受苛刻測試。實際上,比亞迪K系列電動客車,也是截止2019年4月,中國市場上唯一搭載液態恆溫動力電池熱管理技術(策略)的電動客車。

而K8系列電動客車的動力電池液態恆溫熱管理技術(策略),順理成章的被應用至全部比亞迪出口歐洲、日本及其他國家市場的K系列電動客車。與此同時,在包括中國的全球市場在運營的比亞迪K系列電動客車所積累的豐富經驗,又完善了了比亞迪K系列電動客車動力電池熱管路策略(全部分系統及整車)。

比亞迪K12A型電動客車取消了乘員艙空調製暖功能(PTC模塊),並增加了10余組頂置換氣窗(黃色箭頭)。由於氣候環境因素,終端用戶取消了空調製熱系統同時,製造方的比亞迪也取消了動力電池系統低溫預熱功能,保留並強化了高溫散熱效能及從新適配了熱管理策略。

上圖為K12A型電動客車連續行駛XX後,其中1組動力電池系統熱成像信號特寫。在地表溫度接近28攝氏度的深圳比亞迪坪山基地測試場上,動力電池電芯溫度並未超過XX攝氏度,動力電池模組殼體液態循環管路表面最高溫度不超過24攝氏度。

通過不同艙室內動力電池系統熱成像信號比對發現,所有電池系統溫度溫差相差無幾,散熱循環管路溫度超過電池箱系統表面溫度。K12A型電動客車動力電池系統也液態熱管理系統激活後散熱效果顯著,且電子水泵消耗的電量在一定範圍內。

5、比亞迪K12A電動客車動力超快充系統技術狀態研判:

在比亞迪官方發布的K12A型電動客車通稿中有這樣一段描述:“比亞迪K12A的充電方式更加靈活,可搭載直流和交流充電口,兩種方式能任意切換,最大程度滿足客戶需求,充電時間2.5-3.5小時”。

截止筆者發稿時,比亞迪官方並未給出K12A型電動客車的自重、裝載電池電量以及滿載250人綜合續航裡程等核心技術數據。那麽K12A型電動客車具備的“可任意切換的直流和交流充電能力,並在2.5-3.5小時充滿”的技術設定就值得推敲和玩味了。

根據量產的10米級K8系列電動客車最長續航裡程版本裝載電池電量為303.1度電比對。27米級、滿載250人的K12A電動客車,磷酸鐵鋰動力電池系統裝載電量將超過400度電、電壓維持在210-240伏之間。

上圖為比亞迪K12A型電動客車適配的2組不同模式工4個充電接口特寫。

左側充電接口為交流充電接口,具備雙槍同時充電,最大承受電流超100安的能力。

右側充電接口為即將於2020年(或更晚些時候)落地的360千瓦全新國標交流充電接口,同樣具備雙槍同時充電。

2019年早些時候,筆者跟隨對國家電網就360千瓦國標超快充技術及整車充電應用測試。其中某款配合360千瓦國標“超快充”測試車輛的充電接口、充電線纜額外增設了液態散熱循環系統,而適配的動力電池總成(電芯)也是特製型號。

然而,比亞迪K12A型電動客車,適配的磷酸鐵鋰動力電池(電芯)系統及恆溫液態熱管理技術(策略),與其出口或自用的K系列電動客車並未有本質上的差別。

當然,為了應對超過XXX安的“超快充”電流的衝擊,電池(電芯)系統以及散熱系統勢必會作出相應的調整。前文提及的K12A型電動車行駛時電芯溫度達到35攝氏度,熱管理系統自行啟動並進行降溫。同樣在在“超快充”時,電芯溫度達到35攝氏度依舊會進行更高效率的散熱私服。

筆者有話說:

就目前筆者掌握的關於K12A型電動客車技術狀態看,適配的4組輪邊驅動電機有別於量產的90千瓦級和180千瓦級2大類3個技術的TZ系列輪邊驅動電機;2x2組輪邊驅動電機控制策略有別於唐EV適配的第6種技術狀態超級電4驅系統;自行研發的ASR(EABS)系統針對2x2輪邊驅動系統,超越了博世等針對傳統車的ABS系統;模塊化的電池系統及熱管理策略,可以兼容360千瓦國標“超快充”技術。

筆者要強調的是,以上無論哪種3電系統和技術,都是源於比亞迪過去10余年,新能源核心技術、整車製造及全產業鏈的積累和發展。

但就沒有K12A型電動客車適配的沒有額外附屬分系統支持的“超快充”技術一項,就需要在電芯正負極、電解液、隔膜級別做到性能極限的徹底掌控,並將數百節電芯的一致性做到極致。另外,在車型平台正向開發層面,就考慮到陣列電池系統的主被動安全和散熱需求。

當然,還有更深度的技術數據和研判結果,筆者不能刊出。

需要特別注意的是:

比亞迪K12A型電動客車,具備的符合360千瓦國標“超快充”能力,經過不斷的技術加持,或者在充電系統冷卻層面進行持續改進。完全具備10米或12米甚至25米級別公交用途的電動客車,“15分鐘充電至80%續航裡程”的技術設定。並且,360千瓦國標“超快充”技術,也將同步應用在乘用電動汽車領域。

換句話說,在最新的360千瓦國標“超快充”技術的普及下,將首先乾掉董明珠堅持的與現有磷酸鐵鋰和三元鋰電池系統及充電標準完全不兼容的“鈦酸鋰+快充”系統。隨後,那些以長城為首,在高密度電池和+電驅動技術及應用不如意,轉向燃料電池技術的車廠,將再次被可以同步乘用車與商用的“超快充”技術拋棄,並最大程度的弱化中國新能源市場對燃料電池的需求。

文/新能源情報分析網宋楠

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