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前沿拓展：

——《細說“通用換電方案”系列》之三

解決難題的方法，往往出乎意料但卻并不復雜。本篇要展開介紹的“通用換電方案”中的解決方案二，正是這樣一種方法。

現在我們周邊已經很少能看到“窗機空調”了，很多年經人已經不知“窗機”為何物，但很多香港人卻還愛用窗機空調，主要是窗機空調很適合香港的建筑特點，他們認可窗機空調節省室內外空間、不破壞建筑墻體等優點，而且認為窗機空調可靠性更高。

我們也將把電動汽車上原來液態溫控“中央空調”的做法，變身為通用換電電池上的“窗機”做法，本文將來介紹為什么要這樣做。

說明一下：《細說“通用換電方案”系列》中會有多篇文章采用附圖配合說明，圖號是統一編排的，前文中已出現過的附圖，再用到時仍用原來的圖號（上一篇中已出現過的圖：圖一～圖十六）。

一．電動汽車動力電池溫控現狀

現在主流的動力電池類型，對使用環境溫度是比較敏感的，一般會采用液態溫控。其它可用的溫控方式，控溫能力都較弱，如果采用的話，為防止溫度過高（電池在較高溫度下使用，性能減弱，衰減也會加快，還不安全），電池會限定較小的輸出功率，對應車型的加速能力、最高車速也較低，所以一般用在低性能車上。

采用液態溫控的動力電池，電池內部有熱交換管路，相當于中央空調的一個內機，液態溫控系統的其它部件大多在汽車上，實際上是汽車與電池共建液態溫控系統。

現在已有不少可以快速換電的車型，所用換電電池大多不采用液態溫控，但電池的性能無疑是被削弱了，車的動力相對也弱。近來出現的可以快速換電的車型中，電池也有采用液態溫控的，與不換電的車型相比，多了可快速拆接的管路接口。

二．通用換電電池采用液態溫控的方式

我們以前強調過，不能為了通用而削弱通用換電電池的性能。因此，現狀下，通用換電電池采用控溫能力強的液態溫控無可避免。那通用換電電池也與車之間共建液態溫控系統可以嗎？問題不少！簡單列出幾點：

①．各車型的條件不同，不一定能滿足要求。有些車型沒有液態溫控系統，不應把這些車型排除出去。如果需要車與電池共建液態溫控系統，并且換電時需要斷開和連接液體管路，有些車型設計時會對選用通用換電電池望而卻步。

②．有的車型用多塊電池，共建液態溫控系統會過于復雜。

③．不同車上制冷劑或冷卻液處于不同狀態，互換引起混亂。再說互換的話，制冷劑或冷卻液型號必須統一不變，不利于技術發展。

④．電池技術也是發展的，同一型號后續推出的電池，溫控要求可能出現較大變化，會配合不好。

除了上面幾點外，反過來看，如果電池與車之間不連接液體管路，就不會因連接出現問題而帶來麻煩，畢竟通用換電電池應用面極廣，在大面積互換中不因連接問題出現制冷劑或冷卻液泄漏，難度還是比較大的。

看來，采用液態溫控，但電池與車之間不連接管路，不需在換電時拆接管路，是通用換電電池的一種理想狀態了。別無他法，我們就來做與車之間無管路連接，但還會采用液態溫控的“快換型通用動力電池”。

（一）．底置型電池的“獨立液態溫控”

通用換電方案的總方案中初步設定了5款“快換型通用動力電池”（參見前一篇文章中的圖一），其中A、B、C、D四個型號是底置型電池。乘用車全部采用底置型電池，一些貨車、客車也會采用。

前一篇文章中曾以一款B級轎車作為例子，展示底置型電池的應用，這款B級轎車的兩個車型分別安裝了B型電池、D型電池，并配了圖三、四、五說明，下面把這三個圖縮小后放在一起，再展示一下：

電池安裝在車底，電池的底面與地面之間相隔一段間距。

1．基本思路

獨立液態溫控回路（獨立液態溫控系統）的思路發源于對底置型電池的分析：采用液態溫控，不管是采用單一回路還是多重回路，最終要把熱量通過對外熱交換器（冷凝器、蒸發器或散熱器）排出去或吸收進來，因此對外熱交換器需要放在空氣流通處，底置型電池正好有一個很大的面是對外的——底面，安裝后位于車底位置，汽車行駛時，車底空氣是流通的。我們就把對外熱交換器結合到電池的底面上。

2．底置型電池上的液態溫控系統

以上面圖中B型電池為例，把圖四中B型電池視圖、圖五中B型電池視圖結合在下面圖十七中，展示液態溫控回路中各部件的安裝位置：

圖十七（b）中2區指的是圖示相應位置（電池的上面）及以下部分，但不含最下面的對外熱交換器部位，電池內的電芯主要安裝在這個區域，其中包含內部熱交換管路（現在流行的一種做法是，內部熱交換管路通到液冷板內，液冷板通過導熱墊與電芯殼體接觸形成熱量傳遞途徑）。

圖十七（a）中1區就是電池底面上對外熱交換器的安裝部位，對外熱交換器的管路可在合適位置通入電池內部并連接其它部件形成整個液態溫控回路。

液態溫控回路的其它部件，大多可以安裝在圖十七（b）中3區（指圖示相應位置以下部分）。

這樣，在底置型電池上，建立了一個獨立的液態溫控回路，或者說有了自己獨立的液態溫控系統。電池的液態溫控從整車的“中央空調”中獨立出來，變身成為單獨的“窗機”。

3．對外熱交換器、其它溫控部件的一些特別要求

對于底置型電池，還可以有個類比：扁形的電冰箱。冰箱的對外熱交換器（一般是冷凝器）安裝在背后，底置型電池的對外熱交換器安裝在底面。現在很多冰箱的冷凝器已經不象以前一樣一排管子露在外面了。做在電池底面時，對外熱交換器不管是冷凝器還是蒸發器（熱泵回路），或者是散熱器（液冷回路），要求會更高：

①．薄是必須的要求，因為底置型電池厚度的尺寸是最寶貴的，可能會采用扁管、板管之類的。

②．要強度大，裝在車底容易被石子等打到，或有時直接碰到路面，所以要選用強度大一些的材料。不排除在管子以下再加一層散熱性好但強度大的板子，或者直接將管路裝在強度較大的散熱板中（類似于電池內部的液冷板）。

③．最好做成能拆卸式，雖然要求材料強度高，對外熱交換器損壞的情況還是難免，相對于電池的高價值，對外熱交換器成本不高，損壞后不能因小失大，能更換最好。

④．如果有其它要求，可評估其可行性、代價等，再考慮是否實施。比如是否可將對外熱交換器分為幾組，分布于電池底面不同區域，某一個區域出現破損，可單獨將這一部分的管路關閉，這樣的話，整個液態溫控不會當場就不能用了，車也還能繼續開，可到換電站后再去換電池（但這個方案可能會鼓勵車主濫用，從這個角度考量，技術和成本上可行也可能仍不采用）。

對外熱交換器與電池其它部分（底置型電池，對外熱交換器處于電池箱的底面之下）還要有適當的隔熱。不過這里有個小問題，如果是低溫環境下，電池還需加熱的話，隔熱可以節省能量；高溫情況下，上來就要對電池降溫，這個也沒問題；但如果是中間狀態，本來電池可以自然散熱的這段狀態下，有隔熱，電池溫度上升會加快，就要提前開始控溫。理想的來看，如果隔熱層可采用特殊設計，隔熱的效果可調，就更好了。但這樣做代價（空間的、成本的）可能比較大，開始時不一定要實施。正常的隔熱設計也不應占用太多空間（厚度），電池和冰箱要求還是不同的，內外溫差沒有那么大，隔熱要求不算很高。

對其它部件的一個主要要求是小型化，在合理的前提下，減小體積，少占用電池空間。可以為“快換型通用動力電池”專門設計部件，不能說是特制，可以說是專用。通用換電的目標是大多數車都可選用，形成一個大產業，生產量會很大。

液態溫控回路的有些輔件可能要放在通氣環境中，而電池大體上是密封的，如果最后確定的溫控系統中有這種部件，可以專門為它做一個隔開的空間，這個空間與外部是連通的，但與電池內部不相通，僅管路可通過密封通道連接內外相關部件。

考慮到安全性，制冷劑或冷卻液要盡量選用阻燃性好的。

4．充電時空氣不流通怎么辦？

夏天停車充電，無風，特別是快充時，液態溫控運轉，對外熱交換器表面的熱空氣不能向下對流，地面可能因太陽曬過暫時還有熱輻射，對外熱交換器會不會因熱量散發不掉而溫度過高？想些簡單的辦法來解決：

①．在車底合適位置安裝掃風裝置，比如安裝在靠近前橋的位置，裝置中有小型風機，需要時（電池與車通信）在車底橫向吹風。這個應該不難，算是個不太大的代價。這個掃風裝置也可以做成上下伸縮式，下伸掃風，不用時回上，掃風口可以遮擋起來，以免行車時損傷。

②．充電樁底部都安裝掃風裝置，充電時可應電池的要求（電池與充電樁通信）啟動地面掃風。

③．電池自身安裝有掃風裝置，也可需要時下伸并轉動掃風，但這又要犧牲電池的能量密度，不是太可取。

幾種辦法中選用一種就可。

（二）．側置型電池的“獨立液態溫控”

目前總方案中只設定了一個型號側置型電池：E型電池（參見前一篇文章中的圖一）。

前一篇文章中我們展示了E型電池在客車、貨車中的應用：圖十二中的大型客車（4），圖十三中的輕型貨車（7）、重型半掛牽引車（8）、半掛車（9）都用到了E型電池。下面再展示一下圖十二和圖十三的局部：

從上面介紹中可看出，E型電池的應用面也很廣。

1．思路的變化

側置型電池安裝在電池艙內，沒有直接暴露在流通空氣中，思路應轉到對外熱交換器如何與外界交換熱量上，同時要選擇適合安裝對外熱交換器的面。根據電池結構，結合其安裝方式，選擇電池的上面和底面安裝對外熱交換器，都有條件為其找到與外界交換熱量的方法。

2．三種設置方式下對外熱交換器與外界交換熱量的方法

E型電池初步設定的尺寸是：長寬高為560*400*350mm，上面和底面都是560*400mm的長方形。相對于底置型電池的底面，這個長方形的面積比較小。我們預計對外熱交換器只設置在上面或底面已經能夠滿足液態溫控系統的需求，但還不能確認；上下兩個面都同時設置對外熱交換器則可能會有更好的控溫效果。

下面把三種設置方式下對外熱交換器如何與外界交換熱量都分析一下：

以圖十三（8）的重型半掛牽引車為例，圖中所示是電池艙門向上打開，E型電池取出或裝入前的狀態。E型電池裝入后的狀態、E型電池裝入并關閉電池艙門后的狀態分別參見下面圖十八示意圖中的圖（a）、圖（b）：

下面圖十九，是圖十八（b）中已裝入E型電池后電池艙的組合示意圖。在側向剖視圖中可見三個E型電池。

借用圖十九中的剖視圖來說明E型電池對外熱交換器三種不同設置方式下，如何與外界交換熱量。參見下面圖二十示意圖：

①．對外熱交換器只設置在電池的上面。圖二十（a）剖視示意圖中，把電池艙上部的一些線條隱去，可以看出整個電池艙上部能形成一個風道，裝入小型風機的話，就會形成空氣流通環境。E型電池對外熱交換器設置在上面，就用這個方法滿足與外界交換熱量的要求。實際應用中，風道需要有過濾空氣中塵土的裝置，特別是雨天，大型車上電池艙附近混濁水氣很重，可以考慮將風道的接入口引到車上的其它合適位置，以減少混濁水氣的吸入。過濾裝置還要按需清理，因此要便于拆裝。

②．對外熱交換器只設置在電池的底面。可以用圖二十（b）、圖二十（c）中的方式與外界交換熱量，圖二十（b）中，電池艙底面中間大面積向下敞開，即中間沒有底板，與外界是連通的，電池底面上的對外熱交換器直接與外界空氣交換熱量。圖二十（c）中電池艙底面采用散熱材料制造，E型電池的對外熱交換器與電池艙底面接觸并傳遞熱量，再由電池艙底面的外部與外界交換熱量。

③．對外熱交換器同時設置在電池的上面和底面。就是將圖二十（a）中方式與圖二十（b）中方式結合使用；或是圖二十（a）中方式與圖二十（c）中方式結合使用。我們先不去確定上下兩個對外熱交換器是串接式還是并列式，當然如果是并列式的話，有兩種做法：一起使用，或選擇使用。

3．其它說明

側置型電池上液態溫控部件也有小型化的要求，但由于其形狀不同于底置型電池的扁平狀，要求上會有所不同，可結合其特點來設計。設定各部件安裝位置則相對靈活。

圖二十（b）、圖二十（c）中的方式都存在一個停車充電時，電池艙下空氣流通不足的問題，這個解決方法可參見前面底置型電池的解決方法，會有些不同，但總體思路上大同小異，這里不細說了。另外，按圖二十（b）中的方式，電池底面污染時需要清理；按圖二十（c）中的方式，電池艙底部散熱材料（相當于散熱器）外部污染嚴重時也需要清理。

三．“獨立液態溫控回路”的粗略設想

雖然確定具體回路設計不是本解決方案的任務，但也可以在這里做些設想。方法都是現成的，拿過來看看在通用電池上是否適用。

我們把采用液態介質或采用氣、液轉換介質的溫控回路都定義為液態溫控回路。

第一種回路，見圖二十一。這是一個直冷回路，有四通閥可反向制熱，變成熱泵回路，冷凝器與蒸發器的功能可互換。如果去掉四通閥則只有制冷功能。

如果只用這個液態溫控回路，電池主要適合在南方地區使用，比如在東南亞國家中使用。如果要在北方冬季中使用，還要另加加熱裝置為電池加熱（熱泵的加熱能力有限）。

第二種回路，見圖二十二。液冷回路，帶加熱器，有換向閥，散熱時走外循環，加熱時冷卻液可只走內循環。

與第一種回路相反，電池如果只用這個液態溫控回路，因為只有散熱沒有制冷，降溫能力有限，電池只適合在寒冷地帶使用。

第三種回路，見圖二十三。直冷回路與液冷回路耦合，兩個回路在冷卻器中交換熱量（兩個回路不相通，各走各的回路），這個溫控回路制冷和加熱能力都強，電池適合在各種環境下使用，但占用電池空間會多些，冷卻器也要盡量小型化。

左邊的直冷回路也可以有四通閥，要加熱電池時，左邊回路變成熱泵回路先為右邊液冷回路提供熱量，到一定溫度后再啟動加熱器繼續提升液冷回路溫度，這樣做可以節省能量。

第四種回路，見圖二十四。這個回路是第二種回路的簡化，只加熱，單獨用，適合寒冷地區。但如果電池同時安裝有第一種回路和第四種回路，其作用與第三種耦合回路相近，好處是省去了冷卻器，但內部熱交換管路有兩套，兩套管路可以安裝在同一套液冷板內。兩種做法的優劣要進一步分析或通過實做來驗證。

上述回路都是經過簡化的，一般來說回路上還會有一些其它輔件。

液態溫控回路的做法還會有很多變化。比如：電池也可同時安裝第一種回路和第二種回路；第三種回路也可因某種原因調換內外排列，即液冷回路在外，直冷回路在內；還可以用多重回路耦合等等。

四．采用或不采用液態溫控

不能絕對說“快換型通用動力電池”都要采用液態溫控。要綜合考慮一些因素，主要是看電池類型的特性，還要考慮電池形式、主要使用場合的環境等。

比如采用某些磷酸鐵鋰電芯的側置型電池，可以用風冷結合其它加熱方式，而不采用液態溫控。

五．“獨立液態溫控”的代價不小

“獨立液態溫控”在所有解決方案中付出的代價最大，主要是明顯拉低了電池的系統能量密度。成本的增加相對次要（通用換電能夠實施，電動汽車會有普及趨勢出來，大批量生產又會拉低成本）。

“通用換電方案”的總方案和幾個解決方案都會付出一些代價。因此，與其說這些方案有多巧妙，不如說更需要推行者在選擇和決斷上的明智。背景是，整個電動汽車行業已困在動力電池的充電焦慮和電池成本高且易貶值上了，而推行通用換電幾乎是解困的唯一可行途徑。

所有的解決方案，一旦提出來，看上去都很簡單，但又無一例外會給研發人員出些難題。“獨立液態溫控”也不例外，只是個腦筋急轉彎，但要針對具體問題分析其可行性，然后又要提出一些更具體的解決方法，形成解決方案的組成部分。通用換電方案的實施，可以考慮先從“獨立液態溫控”入手，理論計算通過，還可實際試做驗證。可行了，再考慮全面展開整個通用換電方案的實施。

與安裝連接相關的三個解決方案展開介紹完了：上一篇介紹總方案時，連帶介紹了解決方案一與三（這兩個方案相對比較直觀，大家很容易判斷其可行性），本篇介紹的是解決方案二：電池采用獨立液態溫控回路（獨立液態溫控系統）。其它解決方案后續也會作展開介紹。

拓展知識：