導(dǎo)讀：隨著中國動(dòng)力電池和電驅(qū)動(dòng)技術(shù)不斷創(chuàng)新，其實(shí)在辯證的看問題，全球汽車企業(yè)所開發(fā)的電動(dòng)汽車平臺(tái)，特別是聚焦于三電技術(shù)的Ultium奧特能平臺(tái)，有哪些比較優(yōu)勢，是否能承擔(dān)通用汽車全面轉(zhuǎn)型電動(dòng)化的重任。7月底上汽通用舉辦了“奧特能電動(dòng)車平臺(tái)技術(shù)公開課”，煙煙也跑去現(xiàn)場看了，回來我們倆也就這個(gè)電動(dòng)汽車平臺(tái)的特點(diǎn)做了一些梳理。按照奧特能平臺(tái)的Slogan，“更安全、更智能和更性能”這些特點(diǎn)與中國電池和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新技術(shù)相比，它有哪些考慮的差異化？
▲圖1.探秘奧特能的奧秘之旅
我是這么看的：
●通用汽車的工程設(shè)計(jì)是“以我為主”的：和MEB一開始需要考慮更多的中國補(bǔ)貼和各種需求來比，通用汽車的奧特能平臺(tái)一開始就是從標(biāo)準(zhǔn)電芯的方式開始去考慮，圍繞安全和性能兩個(gè)關(guān)鍵特性，去長周期考慮問題。而通用在中國的優(yōu)勢，就是可以在三電硬件的特性的驗(yàn)證做到非常極致，這就保證了這個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的底線非常高。
●由于從BEV2的Bolt到BEV3的奧特能平臺(tái)間隔時(shí)間比較久，所以通用汽車有機(jī)會(huì)導(dǎo)入有價(jià)值的新技術(shù)，比如無線BMS、電池和電氣方面快充特性等等。
●在電驅(qū)動(dòng)方面，通用也充分發(fā)揮自己在扁線電機(jī)和逆變器設(shè)計(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)做了好多事情。
我們可以這么理解，拋開中國新技術(shù)的迭代周期和相互踩踏，通用汽車其實(shí)做到了對(duì)一些電動(dòng)汽車關(guān)鍵特性的堅(jiān)持。
一、深入到電池里面去
在中國，是否能對(duì)電芯進(jìn)行測試，是衡量一家汽車企業(yè)對(duì)電池懂多少的核心標(biāo)準(zhǔn)。在過往的開發(fā)中，龍頭的電池企業(yè)是大包大攬的，就像以前的博世一樣，給你個(gè)黑盒子。整個(gè)電池的特性，由這個(gè)龍頭企業(yè)的品牌所背書。而通用汽車是少數(shù)不僅能對(duì)電芯進(jìn)行測試，并且能夠通過測試驗(yàn)證，參與電芯配方設(shè)計(jì)的汽車企業(yè)。
通用汽車中國電池實(shí)驗(yàn)室于2012年正式啟動(dòng)電芯樣本研制與測試，由電池材料實(shí)驗(yàn)室、電池制造實(shí)驗(yàn)室、電池測試實(shí)驗(yàn)室組成，具有完整的電池研發(fā)、驗(yàn)證及測試能力。通過與電池供應(yīng)商進(jìn)行合作，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行3-5年的測試和驗(yàn)證，可以深度的了解整個(gè)特性。
▲圖2.通用汽車的電芯試制線
上汽通用深度參與電芯化學(xué)體系設(shè)計(jì)和性能開發(fā)，主導(dǎo)了奧特能平臺(tái)在中國的落地。整個(gè)電芯的設(shè)計(jì)開發(fā)與驗(yàn)證由通用汽車、上汽通用汽車、泛亞汽車技術(shù)中心和電芯供應(yīng)商共同完成，設(shè)計(jì)開發(fā)中深入?yún)⑴c電芯材料體系制定、制造工藝、性能評(píng)估、安全濫用和成本控制五大方面。特別是基于整車使用環(huán)境、終端客戶、產(chǎn)品定位等不同場景設(shè)定電芯的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，電芯會(huì)經(jīng)歷電、熱、化學(xué)、安全、耐久、振動(dòng)、性能等全面考驗(yàn)，累計(jì)測試達(dá)320萬小時(shí)以上。
●材料體系：材料體系的深入，是需要了解電池企業(yè)是通過什么搭配給你做電池，未來這些材料的發(fā)展方向是什么，知道這些就不太慌有突變。
●性能表現(xiàn)：就是多維度的電池特性測試。
●設(shè)計(jì)和制造工藝：主要還是從DFMEA和PFMEA入手，了解電池企業(yè)在設(shè)計(jì)電芯和制造電芯的差異做準(zhǔn)備，通用想好了這個(gè)在美國就自己上手做電池了。
●安全濫用：圍繞國標(biāo)的要求是基本的，而圍繞車主使用中對(duì)電池的特性的認(rèn)知，建立全生命周期的需求是非常難的。
●成本控制：這個(gè)事是困擾中國2022年整個(gè)汽車企業(yè)的核心問題，怎么實(shí)現(xiàn)電池降本，研究是第一步。
▲圖3.深度進(jìn)入整個(gè)電池的體系，是車企的必修課
通用汽車在中國的單體電池測試實(shí)驗(yàn)室可同時(shí)測試96顆電池樣品，電池包測試實(shí)驗(yàn)室可以同時(shí)測試6個(gè)測試樣品，單體電池的測試項(xiàng)目主要包括溫度測試（零下40°C~85°C）和充放電測試。
▲圖4.通用汽車在中國的電芯測試實(shí)驗(yàn)室
根據(jù)電芯工程師白陽介紹，在奧特能電芯的正負(fù)極上都采用的專屬（特殊）的配方。正極方面，上汽通用選用了高能量密度的NCM811體系電芯，通過原位涂層包裹形成核殼結(jié)構(gòu)，并通過定向摻雜稀土元素鉚定游離氧。原位涂層目的是防止內(nèi)力外泄，降低氧的釋放量；摻雜稀土元素也是為了減少氧的釋放量。因此這個(gè)專屬的設(shè)計(jì)，能否保證電芯工作壽命的延長，通過測試驗(yàn)證，能讓奧特能電芯在全生命周期的快充，不會(huì)讓電池壽命衰減或者出現(xiàn)熱失控的問題，這種配方相比基礎(chǔ)配方熱穩(wěn)定性提升10%。
負(fù)極采用了高容量快充石墨，增加電量；通過原位搭建快速離子導(dǎo)電環(huán)，增加電量的傳輸速率；顆粒級(jí)配消除電極階梯濃度，可提升導(dǎo)電性，使鋰離子脫嵌順暢，不容易破壞材料的微觀結(jié)構(gòu)。
也正是由于測試驗(yàn)證的完備性，這套奧特能平臺(tái)電池的兼容性是很強(qiáng)的，在化學(xué)體系上可以兼容磷酸鐵鋰、三元鋰電池，以及未來的鋰金屬電池、固態(tài)電池等。
▲圖5.電池的配方設(shè)計(jì)
二、安全的設(shè)計(jì)
從刀片到麒麟，其實(shí)中國電池企業(yè)都是在說保證合理成本下做到電池?zé)崾Э匕踩氖虑?。其?shí)上汽通用一開始，在國標(biāo)還沒有5分鐘之前，就提出了1個(gè)小時(shí)的要求，這折磨了很多工程師日日夜夜蹲著去做實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)體系中，為了保證電池安全主要涵蓋：
●電芯的入廠測試
車企要在電池的篩選階段，做高標(biāo)準(zhǔn)的電芯選擇和測試。通過對(duì)電芯加工以前的階段，采取100%電芯DCR（直流內(nèi)阻）檢測，可以通過DCR全檢確保電芯焊接制造、電芯性能、下線品質(zhì)的一致性，從而減少電芯容量的木桶效應(yīng)，提高電池安全性和壽命。圖片
●電池安全管理的7重防護(hù)
在這個(gè)里面，其實(shí)已經(jīng)聊過很多次了。
◎電芯間隔熱墻：這已經(jīng)演變成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)了，使用加厚設(shè)計(jì)的納米級(jí)航天材料氣凝膠，有效降低電芯間熱量傳遞。
◎抑制熱擴(kuò)散技術(shù)：當(dāng)電芯單體熱失控時(shí)，快速排氣通道可快速排出高溫氣體。輔以集成到模組底部的液冷板系統(tǒng)，迅速釋放包內(nèi)熱量，降低對(duì)相鄰模組和電芯的影響，減少次生失效。外部的水泵的控制需要在車輛熱失控報(bào)警之后繼續(xù)加快工作，這里要改動(dòng)很多的軟件，弄起來很費(fèi)勁 。
▲圖6.隔熱設(shè)計(jì)和水冷板
◎集成式液冷系統(tǒng)：模組都配置了專利設(shè)計(jì)的集成式獨(dú)立液冷板，通過底部的設(shè)計(jì)整合，換熱效果提高約10%；液冷系統(tǒng)通過獨(dú)特的流量控制，可以控制電芯間的溫差在1攝氏度，提升了電池壽命；在BDU電池分?jǐn)鄦卧镆卜胖昧艘豪浒澹梢允笲DU單元支持>1200A的峰值電流負(fù)載，發(fā)熱最高溫度<65°C，消除對(duì)周圍零件熱影響。
▲圖7.集成的水冷板設(shè)計(jì)
◎模組和整包的防火設(shè)計(jì)：上蓋防火專利，電池上蓋內(nèi)置氣凝膠防火毯，主要消除電芯噴射對(duì)上面的影響。
▲圖8.模組防火蓋板
◎大面積防爆閥：結(jié)合快速排氣通道相結(jié)合，可以迅速排出高溫氣體。
◎電氣防拉弧設(shè)計(jì)：高壓元器件具備在電芯熱失控后防止拉弧設(shè)計(jì)，可以防止對(duì)電池系統(tǒng)的二次防護(hù)。
◎車云兩端相結(jié)合的電池健康監(jiān)測系統(tǒng)：車端采用氣壓/溫度/電壓三重傳感器， 24小時(shí)不間斷、高頻率的監(jiān)測電池包和電芯狀態(tài)，一旦檢測到失控風(fēng)險(xiǎn)會(huì)主動(dòng)采取快速冷卻以控制熱擴(kuò)散，保障安全。
目前行業(yè)里面，也開始部署云端數(shù)據(jù)平臺(tái)基于電池全生命周期數(shù)據(jù)，能夠提前識(shí)別電池析鋰、內(nèi)短、鼓脹、漏液等熱失控隱患，并提供周級(jí)別的電池健康異常預(yù)警，以防患于未然。
三、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
奧特能的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是平臺(tái)化的，一共有三款電驅(qū)，產(chǎn)品分別是前驅(qū)主力電機(jī)、后驅(qū)主力電機(jī)和后驅(qū)輔助電機(jī)。
▲圖9.奧特能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
凱迪拉克LYRIQ銳歌后驅(qū)車型，采用3合1的電驅(qū)單元，峰值功率255kw，峰值扭矩440Nm，最大驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)96%。逆變器IGBT模塊采用的是雙面水冷，所以在有限的空間內(nèi)，可以發(fā)揮更好的散熱效果，從而提高了功率的密度。智能油溫管理模塊熱交換器，可以儲(chǔ)存變速箱油熱量，通過電機(jī)的廢熱利用提升系統(tǒng)綜合效率，在低溫啟動(dòng)快速加熱驅(qū)動(dòng)單元。
其實(shí)通用汽車早在第一代純電動(dòng)就使用了電機(jī)扁線技術(shù)，在奧特能上不斷迭代，導(dǎo)入了電機(jī)自粘鐵芯和全油冷電機(jī)和減速箱上。
▲圖10.奧特能技術(shù)平臺(tái)
電機(jī)扁線技術(shù)可以有效降低繞組電阻進(jìn)而降低銅損耗，輸出更高的功率和扭矩。扁線在定子槽內(nèi)緊密貼合，與定子鐵芯齒部和軛部更好接觸，熱傳導(dǎo)效率更高，進(jìn)一步提升電機(jī)峰值和持續(xù)性能。電機(jī)自粘鐵芯不會(huì)出現(xiàn)鉚接方式所造成的材料拉傷，減少渦電流的發(fā)生。固定強(qiáng)度大大提高，減少旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，減少風(fēng)噪，散熱性優(yōu)異，進(jìn)一步提升電機(jī)效率和NVH水平。
所有奧特能平臺(tái)電驅(qū)單元的電機(jī)和減速箱均采用油冷方式，采用內(nèi)置油泵，可主動(dòng)噴油進(jìn)行潤滑與冷卻，提升了系統(tǒng)綜合效率。電機(jī)采用定子噴淋冷卻結(jié)合轉(zhuǎn)子甩油，無需設(shè)計(jì)冷卻水套，外徑尺寸小，可以帶來更大的體積功率密度。
這塊有機(jī)會(huì)我們?cè)賮碜屑?xì)進(jìn)行解讀。
小結(jié)：隨著全球都在推動(dòng)電動(dòng)汽車的技術(shù)發(fā)展，圍繞快速開發(fā)和圍繞安全性能的兩種理念會(huì)有碰撞，拋開EE架構(gòu)和智能化不說，其實(shí)電驅(qū)動(dòng)和電池的底色是非常確定的。
作者：汽車電子設(shè)計(jì) 朱玉龍
相關(guān)閱讀：
