深度:研判350伏電壓平臺的日本豐田凌志UX300e充電效率

2021-01-07 網易

  

  2020年4月,日本豐田的凌志(雷克薩斯)UX300e電動SUV正式上市,共計兩款車型,售價為36.2-38.5萬元。該款車型也成為了豐田凌志旗下在中國市場銷售的首款電動汽車。豐田凌志UX300e電動SUV採用前置動力前輪驅動形式(沒有四驅版本),搭載的永磁同步電機最大輸出功率150牛米、最大輸出扭矩300牛米;匹配1套350伏電壓平臺的三元鋰動力電池總成(電芯由松下提供)、裝載電量54.35度電,NEDC續航裡程400公裡;長寬高4495/1840/1545mm,軸距2640mm。

  

  需要注意的是,此次進入中國市場的日本豐田凌志UX300e電動SUV,裝載的動力電池總成適配了1種全新熱管理技術和控制策略。即,將空氣作為承載「冷量」的媒介,通過空調電動壓縮機將被冷卻後的空氣通過鼓風機「泵」至動力電池總成內圍繞電池模組的風道,對電池模組(電芯)進行高溫散熱伺服。通過電加熱系統,為動力電池內部的模組(電芯)進行低溫預熱伺服。

  

  本文將著重對搭載動力電池「空冷」散熱和電加熱功能的日本豐田凌志UX300e電動汽車,在環境溫度降至最低-16攝氏度的低溫環境直流快充效率研讀和判定。

  1、日本豐田凌志UX300e電動SUV基礎技術狀態:

  

  在京承高速國家電網充電場站進行直流充電時,對處於「熄火」狀態的豐田凌志

  

  上圖為豐田凌志UX300e電動SUV的動力艙內部各分系統細節狀態特寫。

  藍色箭頭:DCDC+驅動電機控制「2合1」總成

  紅色箭頭:偉巴斯特提供的駕駛艙PTC控制模組

  白色箭頭:疑似OBC(充電機)

  黃色箭頭:駕駛艙PTC循環管路補液壺

  綠色箭頭:驅動電機、「2合1」電驅動控制總成、OBC專用的循環管路補液壺

  

  在豐田凌志UX300e進行直流快充時,用熱成像儀監測動力艙內各分系統的溫度變化。此時駕駛艙PTC控制模組(白色箭頭)和駕駛艙PTC循環管路補液壺(藍色箭頭)的溫度上升較為明顯,最高溫度為2攝氏度左右。

  需要說明的是,豐田凌志UX300e電動SUV進行快充時,處於「停車」、「熄火」、「鎖門」完全下電的狀態。此時,為駕駛艙提供空調製暖伺服的PTC控制模組(偉巴斯特提供)循環管路冷卻液溫度處於20攝氏度左右,源於駕駛員為了節省電量而近開啟風擋玻璃除霜功能並將溫度設定為26攝氏度。

  由於豐田凌志UX300e電動SUV的動力電池採用空氣作為製冷介質的「空冷」散熱模式和電加熱制熱模式,因而沒有在動力艙內單獨布設基於冷卻液的動力電池高溫散熱和低溫預熱循環管路。

  

  有意思的是,在這臺面向中國市場銷售的豐田凌志UX300e電動SUV上,用於駕駛艙空調製熱功能的PTC控制模組竟然是向偉巴斯特採購,而不是豐田系傳統的電裝供應商製造。還需要知道的是,這組偉巴斯特製造的PTC控制模組,也用於長安新能源製造的

  

  上圖為豐田凌志UX300e麥弗遜式前懸架細節狀態特寫。特寫。

  紅色箭頭:鋼製下擺臂

  藍色箭頭:減震器和彈簧

  黃色箭頭:鋼製前轉向節

  

  上圖為豐田凌志UX300e雙橫臂後懸架細節特寫:

  紅色箭頭:後多連杆鋼製下擺臂

  黃色箭頭:動力電池模組

  藍色箭頭:動力電池下護板

  豐田凌志UX300e採用了和燃油版車型同樣的前麥弗遜獨立懸架和後多連杆獨立懸架,且沒有進行任何針對電動汽車輕量化需求的鋁材質零件。

  

  豐田凌志UX300e並沒有採用專門的電動汽車平臺,而是在豐田凌志UX300燃油版車型的基礎進行了「油改電」的嘗試。上圖明顯可以看出紅色箭頭所指)的動力電池總成突出於車身焊接(黃色箭頭所指),導致車輛離地間隙進一步縮小,沒辦法實現全平的底盤設計。豐田凌志UX300e採用的「油改電」設計理念,為的是最小的成本換取更好的市場份額。

  2、日本豐田凌志UX300e電動SUV低溫直流快充效率:

  

  與漢EV(參數丨圖片)四驅版同樣從承德市區出發,沿京承高速向北京方向行駛一段時間,豐田凌志UX300e電動汽車以「熱車」狀態進入國家電網修建的120千瓦充電樁進行直流充電。

  

  充電4分鐘後,通過國家電網充電樁顯示信息比對,豐田凌志U300e電動SUV搭載的動力電池電芯溫度為1攝氏度,此時室外溫度為-16攝氏度右。

  

  充電5分鐘後,豐田凌志U300e電動SUV充電電流為49.3安,充電電壓為469.6伏,大致估算充電功率為23千瓦左右。

  

  充電23分鐘後,當豐田凌志UX300e適配的三元鋰動力電池總成內的電芯溫度上升1攝氏度至2攝氏度,充電電流徘徊不足50安,充電功率25千瓦左右波動。

  這臺最大充電功率50千瓦的豐田凌志UX300e電動汽車在低溫環境快充功率只有25千瓦左右,即便以「熱車」狀態進行大功率快充,也在20多分鐘的充電過程中電芯溫度也沒有明顯提升。

  由於豐田凌志UX300e動力電池採用通過鼓風機「泵入」來自空調系統製冷後的空氣進行直接散熱,以及電加熱的控制策略。即使在熱車狀態下,豐田凌志UX300e動力電池系統,首先不能有效的在低溫環境進行保溫;其次不能進行及時的預熱。因此,受環境溫度過低影響,即使在120千瓦直流充電樁進行快充,也難以有效的為電芯進行預熱已獲得標稱的50千瓦充電功率。

  

  上圖為豐田凌志UX300e電動SUV的動力電池結構特寫。

  紅色箭頭:固定在動力電池總成內部的鼓風機

  黃色箭頭:圍繞電芯模組外側布設的空氣風道

  綠色箭頭:電芯模組內端

  藍色箭頭:電芯模組外端

  實際上豐田凌志UX300e採用的「空冷」高溫散熱技術的動力電池熱管理控制策略,與廣汽

  

  日本豐田UX300e電動SUV適配的動力電池「空冷」散熱控制策略,可以有效的對橫向布置的模組外端進行散熱,而模組內側(縱向)的熱量不能很好的有效散發,容易形成電芯模組內外端的「溫度差」,對於夏天高溫環境的行車安全構成了一定隱患。不過,最高50千瓦的充電功率上限,可以有效的平衡54.35度電的裝載電量、最大充電時間和熱失控引發的行車安全之間進行了平衡。

  然而豐田凌志UX300e以及廣汽豐田CHR EV採用的「空冷」散熱和電加熱的動力電池控制策略,在低溫環境下的充電效率提升作用十分有限。結合整車層面的「油改電」設計思路,凌志UX300e的電加熱技術狀態,與中國本土品牌在2016年量產的採用風冷電池控制策略的電動汽車相當。

  3、日本豐田凌志UX300e與中國比亞迪漢EV四驅版充電效率對比:

  

  全系只有兩驅版、搭載的三元鋰電池系統裝載電量54.35度電、採用「空冷」散熱和電加熱控制策略的日本豐田凌志UX300e最高售價38.5萬元,設計充電功率最大50千瓦、在冬季低溫環境充電效率只有25千瓦。

  全系兩驅/四驅版、搭載的刀片電池系統裝載電量77度電、採用由低導電率專業冷卻液高溫散熱和低溫預熱控制策略的中國比亞迪漢EV最高售價27.95萬元,設計充電功率150千瓦、在冬季低溫環境充電效率可以達到55千瓦。

  

  比亞迪漢EV在與凌志UX300e同時進行低溫環境充電測試時,採用560伏電壓平臺、刀片電池系統的漢EV電芯溫度可以快速升至14攝氏度。採用350伏電壓平臺、三

  

  就在前幾日,豐田汽車的話事人豐田章南在在日本汽車製造商協會的年會表示,電動汽車被過度炒作了,政府沒有考慮到發電過程中產生的二氧化碳排放量;沒有考慮到電動車數量猛增造成的社會用電荒;沒有考慮到盲目向電動車轉型會損害消費者權益,因為電動車比燃油車貴;沒有考慮到興建大規模基礎設施需要投入的巨大成本;沒有考慮盲目禁售燃油車造成的傳統汽車行業的失業潮。

  

  實際上,全部資源依靠海上運輸的日本,一直堅持燃料電池和以節能為側重點的HEV技術,對於要徹底改變傳統汽車技術路線以及此前數十年積累的傳統汽車技術都要完全放棄的EV技術,都不是日本豐田、本田、三菱、富士重工以及馬自達等車廠的強項。

  通過比對日本豐田在中國建設的一汽豐田與廣汽豐田,推出基於廣汽新能源量產的Aion系列和iX系列換標車,在2020年量產與2016年本土品牌EV車型技術狀態等同的原汁原味兒豐田系EV車型等行徑,豐田確實不重視EV技術以及整車應用。起碼在2014-2020年中國新能源全產業鏈大爆發,且成為全球範圍EV車型保有量最大的市場發展動態把握上,日本豐田遠遠的落後了美國通用。

  豐田凌志即使作為豐田品牌的高端豪華車型,但是基於自身在新能源汽車領域發展的滯後,在目前推出的新能源產品整體競爭力相對國內其他品牌而言相對落後,不僅沒有自己專屬的新能源汽車專屬平臺,而且在整車熱管理系統方面採用的方式相對落後。在2020年即將結束的現在,依舊採用這種粗暴的「油改電」模式的新能源汽車其實可以體現出廠家對於新能源技術的儲備情況的缺乏。

  另外,筆者非常願意看到代表著日本汽車行業態度的豐田對電動汽車行業發展所持的反對態度。甚至極其希望看到,豐田、本田、三菱、日產、馬自達以五十鈴、富士重工以及小松製作所等全部日系車廠,都不會投入太多成本到這個中國大力堅持的新能源核心技術、整車平臺以及全產業鏈市場中。

  

  畢竟,現在的日本海軍裝備的蒼龍級「應龍號」鋰硫潛艇,搭載的由豐田、東芝、湯淺等廠商提供的增程混動技術、不依賴空氣艙段和鋰硫動力電池及控制策略;日本陸軍一直在對採用豐田、三菱和小松製作所聯合製造的搭載輪邊驅動電機、鋰電池系統構成的增程式混動技術的105mm口徑輪式突擊炮和履帶式技術驗證車進行測試。

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