通用汽车电气化体验日后记:复兴电动车之荣光

  • 2017/12/15
  • 车云网

天道好轮回,苍天饶过谁?

当历史照进现实

说到电动车,我们可能首先会想到这样一个场景:在道路上行驶的车辆中,有三分之一是电动汽车,并且电动车的销量是燃油车的十倍之多……

这是不是听起来像是发生在未来的故事?其实并不是,这个场景曾切切实实发生过。在十九世纪末期,美国汽车工业刚刚起步,电动汽车是当时率先面向消费者推出的车型之一。

第一代的电动汽车,怎么样,看起来是不是很好看?第一代的电动汽车,怎么样,看起来是不是很好看?

在1895-1905的十年间,当时电动汽车的市场销量一度占据了30%到50%的市场份额,甚至于在1900年的美国,当燃油汽车生产了936辆的时候,电动汽车的产量便达到了15755辆。以至于美国著名的发明家和企业家爱迪生,都是安静又没有尾气的电动车的拥趸。

爱迪生为他的电动汽车“带盐”爱迪生为他的电动汽车“带盐”

后来,随着燃油发动机的技术成熟、石油价格下降,续航里程更长、使用成本更低的燃油车才逐渐把电动车从市场中“挤兑”出去。

不过,随着眼下因为使用化石燃料导致的空气污染问题日益严重,对环境更加友好的电动汽车大有卷土重来的势头,以至于在电动车曾经兴盛的美国,像通用这样的企业一直与电动车保持“藕断丝连”的关系。

1996年的EV11996年的EV1

Tips:其在1996年曾经推出续航能力达120公里的EV1双人座电动车,并在不久前推出过续航能力达380公里的雪佛兰Bolt纯电动车。

在本月初于上海举行的“通用汽车中国电气化技术探秘体验日”上,这个来自于那片电动车曾经兴盛一时土地上的美国汽车制造商,信心满满地推出了自己一系列面向中国的电气化战略——中国将成为通用汽车实现纯电动未来的最前沿,大有喊出一个激奋人心的口号之势:

“Make Electric Great Again!”

复兴不易

不过,想实现电动汽车的“复兴”,还真不是那么一件容易的事情,在通用看来,这至少需要包括零部件以及系统供应商在内的整个行业,不断在实际应用中证明他们的产品价值。但是,对于某些关键的电动汽车组件,比如电池或者电机,无论它们在技术上如何先进,都无法直接拿来就用,更不可能被独立使用。因此,如何让不同组件完美地协同工作,变成了一个必须解决的艰难课题。

因此,通用不单单在美国,也在中国市场选择了一条相对更加“自力更生”的电动车复兴之路——自行测试所有零部件和系统,包括电池、电池管理系统、发动机和驱动单元,确保它们的安全、可靠和耐久性,并通过一步步对设计、材料选择和生产工艺的优化,来降低成本,提高产品性能、质量、可靠性和可制造性。

Tips:通用汽车眼下拥有北美最大的电池系统实验室(上图),并且于2011年在上海成立了一个姊妹实验室,负责电池系统的设计、研发、测试和生产的技术优化和推进。

不懂电池技术的汽车制造商不是好厨子

大家日常生活中都经常接触到电池。电子设备发展到今天,照相机、电脑、录音笔、蓝牙耳机都已经成为我们生活中不可或缺的一部分,而支撑这一切电子设备正常工作的最基本前提,就是电池。电动汽车,同样如此,最基本的供电单元也是我们日常生活中随处可见的电池。

目前,市场上比较常见的电池包括碱性电池和锂离子电池。我们常见的南孚5号电池、7号电池,就属于碱性电池。而我们的手机、电脑、相机中使用的电池,就是锂离子电池。碱性电池不可充电,成本低,储电量相对少,一般用于儿童玩具等便携生活用品中。而通用汽车的电气化车型中,则统一采用能量密度更高,可以循环使用的锂离子电池。

通用汽车中国科学研究院的电池工程师孔德文分享了通用汽车的电池开发策略通用汽车中国科学研究院的电池工程师孔德文分享了通用汽车的电池开发策略

虽然锂离子电池是一个技术相当成熟、应用极其普遍的产品,目前市场上也有“一抓一大把”的车用锂离子电池供应商,但是对通用来说,考虑到以下三个原因,这些现成的电池并不能拿来就用。

首先,电动车的量产前提是电池在安全性和性能之间达到平衡,其中,安全性是所有目标的最基本条件,在通用看来,只有自己掌握全套的电池技术,全程参与电池的研发、设计、生产与验证,才能真正意义上确保电池的安全性。

其次,考虑到通用汽车旗下现在有诸多采用了电驱技术的车型,其涵盖了混动、插电混动、增程式混动和纯电动等技术流派,因此面向不同车型设计的电池也是有具体需求的

譬如说,混合动力车型需要超高倍率性能的电池设计,纯电动车型更多需要考虑高能量密度的电池,而插电式车型更多需要倍率和能量的平衡。所以为每一种型号的车型提供最合适的电池,最好的办法就是量体裁衣,这就要求通用汽车有针对性地和供应商一起开发相应的电池体系,成为该领域的专家。

最后,电池将成为未来电动车打造自身竞争力的一个有力武器,因此掌握了整个电池的生产环节,得到更多数据,确立更为精确的数学模型,就意味着能不断地从基础技术层面领先竞争对手,也就保证了汽车制造商的领先地位。

以上的考量,意味着通用必须走一条更接近独立开发的电池研发道路,可考虑到其面对的全球竞争对手以及整体市场的体量,这个汽车巨人做出的这个决策依然可以称之为“顾全大局”,事实上,根据车云菌之前对凯迪拉克CT6及若干通用旗下混动车型的接触,其电气化车型的电池系统在至少以下两个方面都具有很强的优势。

A、电芯的封装形式,也就是电池最后的呈现形态。

通常情况下,电芯的封装形式有以下几种,圆铝壳、方形硬壳和软包。通用汽车除了采用硬壳封装之外,也会采用软包设计这一封装形式。

软包电池使用铝塑膜通过焊接封装,轻便的铝塑膜,加上叠片工艺制作的电芯可以获得较高的电芯能量密度,软包的封装可以使得电芯和散热片完美贴合,同时大幅度降低电池系统的重量负载,并方便电池包在车身内部的灵活布局。

B、叠片式电池模块设计

通用汽车采用独创的叠片式电池模块设计,每个电池模块,由电芯、换热片、隔热片等组成。这样的设计,使得电池模块的热管理效率得到大大的提高。

嵌入式换热片设计相当于在电池系统内构建了一套可以与每个电池充分接触的“毛细血管”。冷却液在遍布系统全身的“毛细血管”中流淌。该种设计可以将热量均匀的在电池系统中置换,防止出现部分区域过热、部分区域过冷的情况。

同时,电池单元与电池单元之间不会直接接触,这样即便某些电池单元间歇性地出现过冷或者过热的情况,也不会将温度传到给其它电池单元。相比其他的换热方案,这样的设计能更充分、更均匀对电池进行冷却或加热,使其始终处于最佳的温度区间。

除此之外,通用在车用电池的材料选定、电极设计和生产优化等方面,也拥有程度不同的技术领先优势。考虑到造出好电池只是生产出安全、高性能电动车的第一步,那么让这些电池高效协同地工作,就是电池管理系统的工作了。

在通用,电池管理系统的研发是其“自力更生”策略的重要组成部分。

这辆“月球漫步者”,肯定是通用公司生产的最有名的电动车了。这辆“月球漫步者”,肯定是通用公司生产的最有名的电动车了。

把几千碗水端平

我们知道电动汽车的电池组系统往往是由成百甚至上千节电池组成的,例如雪佛兰的电动车Bolt就拥有288节电池(特斯拉的Model S有超过7000节电池),管理这么多的电池必须依靠一个出色的电池管理系统。

由于电池组系统符合木桶效应,也就是说电池系统的性能是由最差的那节电芯所决定的。所以确保所有电池保持一致的良好状态,就像同时把几千碗的水给端平,才能够实现系统的高性能、长寿命且安全的运行,而这也是每一个电动车的电池管理系统的核心要务。

在电池组工作过程中,两个例子特别明显地可以说明电池管理系统的重要性。

当电池组在充电的过程中,如果有一节电池即将充满,荷电状态接近100%,那么其他电池的充电也必须停止,否则充满电的电池将被过充电;但一旦充电停止,意味着整个电池组的电并没有充满,电池组的系统容量就不能完全发挥。因此在这种情况下,如何保证所有的电池能同时充满电,就显得非常重要。

除去荷电状态的一致性之外,电池组的温度一致性也非常重要。电池在不同温度下老化的速率是不同的,如果不能维护温度的一致性,那么一段时间之后电池间的差异将显现出来,并且这种不一致是无论怎么均衡都不可能修复的。

所以,合格的电池管理系统必须准确监测到每一节电池、精确评估到每一节电池、并且高效的管理到每一节电池。

通用汽车中国公司新能源汽车动力技术工程师叶磊分享了通用汽车在电池管理系统方面的策略通用汽车中国公司新能源汽车动力技术工程师叶磊分享了通用汽车在电池管理系统方面的策略

在通用的电池管理系统中,电池电压仅仅1mv的微小变化便可被系统识别到;系统在每个电池包里都设置了温度传感器,使电池系统内热场分布情况能被充分感知。基于叠片式的电池模块设计,整体电池组的温度分布会更加均匀。

同时,电池管理系统还会实时监测电池的绝缘特性和充放电过程中的电池表现,充分确保电池高压与车身的充分隔离并为电池状态的评估提供有效依据。如果系统发现了监测系统故障,还将会启动冗余方案,确保电池管理系统的感知能力始终处于灵敏的状态。

正是基于以上独立研发技术,通用才能拥有一套“量身定制”的电气化技术体系,这是保证其拥有眼下数量足够多的电气化车型的前提,也是满足未来更复杂消费者需求和政府政策导向的基础。

眼下,混合动力和插电式混合动力技术旨在帮助通用从纯燃油车过渡到纯电动车,在未来的18个月之内,后者基于雪佛兰Bolt纯电动车研发经验打造的2款全新电动车型将陆续亮相,而这一数字在截止到2030年之前,将达到至少20款。

可以说,通用的电动复兴计划相当宏伟,而且其已经在这条道路上做好的充足的准备,比较让人感到惊讶的是,在电动计划之外,通用并没有放弃氢燃料电池计划,在通用战略高层的言语中,电动和氢燃料电池仿佛是通用为零排放未来做好的双保险。

早期电动车在通过一个妇女演示如何操作当时的“充电桩”早期电动车在通过一个妇女演示如何操作当时的“充电桩”

说到最后,车云菌想起一个同行跟我描述的日系汽车制造商,这些从岛屿上出发的汽车企业,正是凭借对一件事物或者一个方向孜孜不倦的追求,才赢得了世界的尊重;那么在通用面前,当这个拥有巨大市场体量和极强背景实力的汽车巨人决定向未来全线出击的时候,世界再次拥抱百年前的电动车时代,还远么?

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