鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：927次 | 2021年08月11日
本田燃料動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)小型化深度介紹
本田公司為了實(shí)現(xiàn)將燃料動(dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)置于Clarity燃料動(dòng)力鋰電池汽車引擎蓋下方，對(duì)燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了小型化(downsizing)設(shè)計(jì)。本田公司通過(guò)精確預(yù)估金屬雙極板的腐蝕電流大小、降低冷卻劑的電導(dǎo)率和取消電池隔離橡膠(insulationrubber)來(lái)減小電池尺寸。有關(guān)冷卻系統(tǒng)體積，調(diào)節(jié)冷卻劑的電導(dǎo)率以減少冷卻水泵等部件體積。此外，調(diào)節(jié)冷卻劑電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)有助于減小電堆和冷卻設(shè)備(如水泵)體積。為了減小冷卻劑電導(dǎo)率，本田建立一種燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以減少離子分析(iondissolution)、抑制冷卻劑衰減(degradationofcoolant)和繼續(xù)減少融解離子(dissolvedions)數(shù)目。以上措施使得本田Clarity燃料動(dòng)力鋰電池汽車的冷卻系統(tǒng)體積減少20%，成功實(shí)現(xiàn)前列輛五座燃料動(dòng)力鋰電池乘用車面世。
本田公司于2016年推出全球首輛五座燃料動(dòng)力鋰電池汽車-ClarityFuelCell。為了實(shí)現(xiàn)類似傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力布置辦法-將動(dòng)力裝置集成并放置在引擎蓋下方，本田公司在2009款燃料動(dòng)力鋰電池汽車基礎(chǔ)上大大減少了燃料動(dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)的體積。此外，動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下方亦可以戒備重新開(kāi)發(fā)全新的燃料動(dòng)力鋰電池車身(carbody)，降低燃料動(dòng)力鋰電池汽車成本(可以和混合動(dòng)力汽車或者傳統(tǒng)汽車共享車身)。
本田Clarity燃料動(dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)布置
1.燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)小型化背景
下圖為燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)原理圖，蘊(yùn)含燃料動(dòng)力鋰電池堆、水泵、散熱器、節(jié)溫器(三通閥)、去離子裝置和熱回路(heatrecoverycircuit)組成。冷卻系統(tǒng)的緊要用途為將電堆出現(xiàn)的熱量通過(guò)散熱器散掉。每個(gè)部件的功能如下：水泵對(duì)冷卻液增壓并向前輸送冷卻液；散熱器向外部環(huán)境散熱；節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)散熱(設(shè)置冷卻液是不是流經(jīng)散熱器散熱)；去離子裝置保證電安全和戒備電堆腐蝕(降低冷卻液中的離子數(shù)目)；熱回路通過(guò)冷卻液回收電堆產(chǎn)熱來(lái)提高低溫環(huán)境適應(yīng)性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)原理圖
下圖為本田燃料動(dòng)力鋰電池堆的結(jié)構(gòu)圖。為了滿足車用動(dòng)力性要求，電堆由幾百片單電池串聯(lián)形成。燃料動(dòng)力鋰電池堆氣體采用水平相向的流動(dòng)方式，2塊MEA與3塊雙極板構(gòu)成一個(gè)電池單元，組成神奇的冷卻結(jié)構(gòu)。質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力鋰電池中電化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)的熱量通過(guò)雙極板與冷卻流道中的冷卻劑進(jìn)行換熱。
單電池冷卻區(qū)域
為了將動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下方，本田公司的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和V6發(fā)動(dòng)機(jī)體積相等的燃料動(dòng)力鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)。因此，有關(guān)燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)，要從結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面考慮減小其體積。本田在保持冷卻系統(tǒng)同樣散熱能力的前提下，優(yōu)化了電池冷卻流道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了燃料動(dòng)力鋰電池電堆體積減小20%(與本田2009款相比)。由于電堆由數(shù)百片單電池包成，減小單電池厚度將大大降低電堆體積。因此，本田將關(guān)注點(diǎn)放在隔離橡膠上(rubberinsulation)。下圖比較了本田公司09MY和16MY兩款燃料動(dòng)力鋰電池堆。從上到下依次展示的是：09MY和16MY兩款電堆的正視圖，冷卻流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高度變化，由于橡膠隔離引起的從歧管處冷卻流道的路徑變化。
冷卻流道細(xì)節(jié)
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
09MY電堆通過(guò)使用密封圈來(lái)包裹冷卻流場(chǎng)的四邊(上、下、左、右)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬雙極板的防腐解決。相反，16MY電堆冷卻流場(chǎng)降低了上下兩個(gè)密封圈的厚度，但h16MY和h09MY高度保持相同。因此，在沒(méi)有提高冷卻流道壓降的前提下，通過(guò)兩層密封圈設(shè)計(jì)降低了電池厚度。同樣，從歧管至被密封圈傾覆的金屬表面距離l16MY比09MY對(duì)應(yīng)的l09MY短，減少了電池面積。上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)燃料動(dòng)力鋰電池電堆體積減少20%。
2.燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)功能
下表展示了燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)的功能、影響這些功能的參數(shù)以及小型化涉及的問(wèn)題。電堆冷卻效果由進(jìn)入電堆的冷卻液流量、散熱器和向外界的散熱量決定。當(dāng)降低水泵和散熱器的體積，冷卻液流量和散熱量也隨之減少，降低了冷卻效果。因此，本田公司舍棄降低冷卻系統(tǒng)部件尺寸的做法，轉(zhuǎn)而選擇將冷卻系統(tǒng)管道長(zhǎng)度(pipinglength)變短。
燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)的三個(gè)功能
燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)要具備導(dǎo)電隔離以保證車輛的電安全(electricalsafety)，這取決于電堆到GND(ground)的長(zhǎng)度以及冷卻液的電導(dǎo)率。如上所述，小型化減少了管道長(zhǎng)度，這有利于降低絕緣電阻值(insulationresistance)。為了保證絕緣電阻值在一定范圍，新一代MY電堆系統(tǒng)中冷卻液電導(dǎo)率要比前一代09MY中小。
下圖表示冷卻流場(chǎng)的氧化還原反應(yīng)位置-冷卻流場(chǎng)的易腐蝕區(qū)域。燃料動(dòng)力鋰電池金屬雙極板一般會(huì)進(jìn)行表面改性解決，其耐腐蝕涂層一定程度上會(huì)抑制腐蝕。
冷卻流場(chǎng)的腐蝕區(qū)域
冷卻流場(chǎng)區(qū)域流經(jīng)冷卻劑，由于冷卻劑導(dǎo)電，不可能在物理上阻止電閉合電路的形成。如下圖所示，當(dāng)沿著冷卻流道方向不銹鋼金屬暴露在外，金屬雙極板腐蝕就會(huì)發(fā)生，緊要后果就是引起不銹鋼的緊要成分在高電位(公式1)側(cè)腐朽，同時(shí)在低電位(公式2)側(cè)由于氧化還原反應(yīng)出現(xiàn)氫氣。
當(dāng)冷卻流道區(qū)域的不銹鋼材料發(fā)生腐朽，材料的強(qiáng)度將大打折扣，此時(shí)壓差易使金屬材料變形，并且點(diǎn)腐蝕也可能發(fā)生(點(diǎn)腐蝕簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕，指金屬表面在腐蝕介質(zhì)中形成小孔的一種極為局部的腐蝕形態(tài))。當(dāng)電池厚度和導(dǎo)電隔離距離減少，各部分電阻也隨之降低，冷卻流道中的腐蝕電流值新增，進(jìn)一步加速了金屬雙極板的腐蝕。降低冷卻液電導(dǎo)率有利于減少電堆體積和金屬雙極板的耐腐蝕性。
下圖為精確計(jì)算燃料動(dòng)力鋰電池堆中腐蝕電流值的等效電流圖。假定冷卻流道歧管電流為IA，冷卻流道電流值為Ib，冷卻流道歧管電阻值為RA，冷卻流道電阻值為Rb。等效電流圖用來(lái)計(jì)算最大腐蝕電流Ib(n+1)。
電堆電路
下圖表示電池厚度、導(dǎo)電隔離距離、水平方向冷卻劑電導(dǎo)率和垂直方向腐蝕電流對(duì)最大腐蝕電流Ib(n+1)的影響情況(基于09MY電堆為基礎(chǔ)且假設(shè)09MY為100%)?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池厚度在Y方向上降低20%時(shí)，冷卻流道歧管電阻值RA變小，最大腐蝕電流Ib(n+1)新增了14%。為了降低Z方向長(zhǎng)度取消密封圈且導(dǎo)電隔離距離減少79%，最大腐蝕電流提高了113%。因此，電池厚度和導(dǎo)電隔離距離減小會(huì)引起最大腐蝕電流提高。
燃料動(dòng)力鋰電池電堆中組件層數(shù)、冷卻流道歧管橫截面積和工作環(huán)境也會(huì)引起最大腐蝕電流升高。從下圖可以看出，降低冷卻劑的電導(dǎo)率大大降低了最大腐蝕電流Ib(n+1)。因此，16MY電堆的目標(biāo)是在09MY基礎(chǔ)上冷卻劑電導(dǎo)率降低59%，通過(guò)降低電池厚度和導(dǎo)電隔離距離提高腐蝕電流。
可以確定的是，冷卻劑電導(dǎo)率影響電堆和冷卻系統(tǒng)部件的體積。下面兩張圖橫坐標(biāo)表示冷卻劑電導(dǎo)率比值(與09MY相比，09MY為100%)，縱坐標(biāo)分別表示冷卻系統(tǒng)部件體積比值和電堆體積比值。有關(guān)冷卻系統(tǒng)部件，當(dāng)冷卻劑電導(dǎo)率降低，絕緣電阻值升高，因此冷卻系統(tǒng)管路長(zhǎng)度減少，冷卻系統(tǒng)部件體積也隨之減少。為了建立電導(dǎo)率比值小于4%的冷卻系統(tǒng)(如圖中2)，有必要在電堆入口安裝去離子裝置。然而，去離子裝置的存在引起冷卻系統(tǒng)中壓降新增，水泵體積新增，即冷卻系統(tǒng)部件體積新增。
有關(guān)電堆，當(dāng)冷卻劑電導(dǎo)率從100%降到4%時(shí)(下圖中3)，受電池厚度和導(dǎo)電隔離距離影響的絕緣電阻值會(huì)升高，意味著，導(dǎo)電隔離用的橡膠數(shù)目和電堆體積會(huì)減小。當(dāng)冷卻劑電導(dǎo)率低于4%甚至更低，僅雙極板腐蝕現(xiàn)象減緩，體積減小的效果微乎其微。綜上所述，可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻劑的電導(dǎo)率在一定范圍，實(shí)現(xiàn)燃料電磁冷卻系統(tǒng)的小型化。
3.低電導(dǎo)率燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)的構(gòu)建
冷卻劑中離子融解(iondissolution)緊要來(lái)源于冷卻系統(tǒng)零部件、熱回路(heatersystem)零部件和冷卻劑降解出現(xiàn)的離子。即使采取措施減少冷卻劑中的離子數(shù)目，來(lái)自于冷卻系統(tǒng)中零部件和冷卻劑降解的離子也會(huì)隨之發(fā)生。為了維持燃料動(dòng)力鋰電池冷卻回路中較低的離子電導(dǎo)率，有必要處理兩個(gè)問(wèn)題：1.減少來(lái)自于零部件的離子融解，抑制冷卻劑的降低；2.建立可以繼續(xù)不斷消除融解離子的燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)。
本田公司09MY中已經(jīng)采取了相關(guān)措施抑制來(lái)自于冷卻系統(tǒng)中零部件的離子融解，如下表所示。其中，制造散熱器過(guò)程中已考慮了降低離子融解的效應(yīng)。選擇低離子融解率的材料制造管路、樹(shù)脂部件和橡膠管(rubberhose)。此外，還在冷卻劑中添加氧化抑制劑限制熱分析引起的離子融解。
相比于09MY，16MY新增了一個(gè)可從燃料動(dòng)力鋰電池堆吸收廢熱的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來(lái)加熱冷卻液。同樣，有關(guān)熱回路系統(tǒng)(heatersystem)也要降低電導(dǎo)率。辦法如下表所示。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同，加熱線圈在制造過(guò)程中考慮低離子融解效應(yīng)，同時(shí)管路的材料、樹(shù)脂部件和橡膠管也采用低離子融解的材料。
通過(guò)上述措施，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)中的熱回路部件，經(jīng)受離子融解的部件成功在16MY中降低了75%。燃料動(dòng)力鋰電池冷卻系統(tǒng)中離子融解數(shù)目和09MY中保持相同水平，如下圖所示。
僅僅采取上述抑制離子融解的材料來(lái)保持較低的離子電導(dǎo)率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不，尤其有關(guān)長(zhǎng)期不使用的車輛，因?yàn)槿诮獾碾x子會(huì)在每個(gè)零部件里面慢慢積累，積少成多。當(dāng)車輛啟動(dòng)，短時(shí)間表現(xiàn)高離子電導(dǎo)率的冷卻劑就會(huì)流入電堆，有必要主動(dòng)消除離子。因此，
