【汽车拆解】比亚迪海豹-热管理系统

随着对中国比亚迪（BYD）的纯电动汽车（EV）“海豹（SEAL）”的拆解不断推进，前发动机罩下的马达舱中出现了一个格外引人注目的大型零部件（图1）。这个零部件连接着多个冷媒配管和冷却剂软管，这是海豹的热管理系统的中枢。在毫无浪费地利用纯电动汽车整体热量的同时，发挥把空调和电池温度保持在最佳状态的作用。

　　因为装有9个电磁阀，所以拆解小组将其命名为“Nonavalve”。“Nona”在拉丁语中意为9。这个叫法效仿了美国特斯拉作为“热量司令部”、定位为纯电动汽车核心零部件的八通阀“Octovalve”。日经BP将分3次对海豹的热量管理系统进行分析。

图1 从马达舱取出“Nonavalve”的情形
（摄影:加藤康）

　　在Nonavalve的9个电磁阀中，有6个是切换冷媒流路的切换阀（图2）。用于切换空调的制冷/制热和电池的加热/冷却功能，或者开关连接冷凝器和热交换器的回路。剩下的3个是调节（减压）冷媒压力的膨胀阀。发现它们分别用于制冷、制热和电池。

图2 各电磁阀的作用
（摄影:加藤康）

 
　　进一步进行拆解调查，海豹的热管理系统的全貌浮出水面。海豹采用了将冷媒回路和水回路统筹起来的热管理系统（图3），后面将详细介绍。通过Nonavalve的开关组合，可应对空调的制热/制冷、电池的加热/冷却组合起来的全部8种模式。

图3 海豹的热管理系统
灰色为冷媒回路，绿色为水回路。（来源:日经XTECH）   

　　首先，让我们看看Nonavalve周围的冷媒回路。

　　Nonavalve上连接着10根冷媒配管（图4）。分别是连接压缩机、车外冷凝器、空调系统（HVAC）内的冷凝器和蒸发器、以及电池这5个组件的往返管道。也就是说，海豹的空调和电池通过热泵系统来控制温度。要实现电池的加热/冷却，需使冷媒流入贴在电池底部的冷却板中（图5）。

图4 海豹的冷媒回路
10根管子从Nonavalve伸出来。分别是连接压缩机、车外冷凝器、HVAC内的冷凝器和蒸发器、电池等5个组件的往返管道。不过，与电池相连的管道隐藏在Nonavalve的下方。冷媒是R-134a。（摄影:加藤康）
 

图5 贴在电池底部的冷却板
自下往上看正在拆解的海豹的样子。（摄影:加藤康） 

　　在Nonavalve的底部，安装了一个板式换热器，从中伸出2根散热器软管（图6）。顺着软管观察，发现其与电动驱动桥相连。看起来，逆变器和马达等驱动系统是用独立的水（冷却剂）回路来冷却的。

图6 安装在Nonavalve底部的板式换热器
（摄影:加藤康） 

　　首先，在装有逆变器和控制基板等的外壳内放入冷却剂，使其冷却。然后通过安装在减速器外侧的板式换热器，使马达冷却用的油冷却（图7）。

图7 海豹的电动驱动桥
图为后轮处的电动驱动桥。海豹有两轮驱动和四轮驱动两种型号。在两轮驱动型号上，与照片相同的水回路仅在前轮处有。在四轮驱动型号上，前轮处和后轮处的水回路串联起来。（摄影:加藤康）

    　在冷却逆变器和马达之后，冷却剂的温度上升，再次通过Nonavalve的板式换热器和安装在汽车前部的散热器进行冷却。另一方面，从冷媒的角度来看，它获得了逆变器和马达的排热。也就是说，这些热量可以用于空调制暖和电池加热。

　　海豹的热管理系统把冷媒回路和水回路统筹起来。借助Nonavalve的开关的组合，支持仅对空调或电池进行加热/冷却的4种模式、以及同时对空调和电池进行加热/冷却的4种模式。不过，空调制暖时将并用冷媒的热（热泵）与HVAC内设置的PTC加热器。

　　例如，在“制热&电池加热”模式下，通过关闭冷凝器用和电池冷却用切换阀，形成如（图8）所示的冷媒回路。系统运行是这样的：用压缩机加热的冷媒区分为车内冷凝器和电池，分别加热。然后冷媒通过膨胀阀，温度下降，通过板式换热器使冷却剂降温。同时回收逆变器和马达的排热，重新返回压缩机。

图8“制热&电池加热”模式的冷媒回路
（来源:日经XTECH） 

　　可以说Nonavalve简直是海豹的“热量指挥部”。特斯拉的Octovalve也作为纯电动汽车中的热量司令部，发挥切换冷却剂的流路、控制纯电动汽车整体温度的作用。

　　但是，两家公司的热管理系统有很明显的不同。最大的不同是电池的冷却（和加热）方式。海豹采用冷媒直冷方式，特斯拉的车辆则采用冷却剂使电池降温。

　　实际上，像特斯拉那样把热管理整合到水回路、被称为“水集中型”的系统“正在成为纯电动汽车热管理的主流”（某汽车零部件制造商的技术人员）。实际上，丰田“bZ4X”和德国大众“ID.3”的热管理系统的构成均与特斯拉相似。

海豹的热管理系统中值得一提的是，电池的冷却/加热采用冷媒直冷方式。与日本丰田、德国大众、美国特斯拉采用的水冷方式有所不同。

　　冷媒直冷方式是指绕过空调的热泵系统、通过把冷媒注入贴在电池上的冷却板来对电池进行冷却/加热的方式。水冷方式是从热泵系统通过板式换热器等将热量从冷媒传递到水（冷却剂）、以水作为热介质调节电池温度。

　　如果单从电池来看，只不过是用冷媒冷却还是用水冷却的差异而已。但是，从纯电动汽车的整体热管理系统来看，两者的差异随处可见。

　　下面比较一下各公司的热管理系统。图1～4分别显示出比亚迪“海豹”、丰田“bZ4X”、大众“ID.3”、特斯拉“Model Y”的热管理系统的概要。不过，这里省略了一些未弄清楚的零部件。

图1 比亚迪海豹的热管理系统概要
（来源:日经XTECH）

图2 丰田bZ4X的热管理系统概要
（来源:日经XTECH）

图3 大众ID.3的热管理系统概要
（来源:日经XTECH）

图4特斯拉Model Y的热管理系统概要　
（来源:日经XTECH）　　

　　丰田、大众、特斯拉均采用了把空调以外的热管理全部集成到水回路中的“水集中型”系统。至于丰田，空调制热也采用水回路。相比之下，比亚迪只有逆变器和马达用水冷却，其他则使用冷媒进行冷却/加热。与3家公司不同的选择体现了比亚迪的个性。

　　比较一下图1～4的回路图，水集中型看起来更加井井有条。但实际上，随着水泵和切换阀等零部件的增加，“冷媒回路可以更轻、更紧凑地整合系统”（某汽车零部件制造商的技术人员）。在成本方面，也存在“水回路价格更高”（同前）的趋势。 

　　另一方面，与冷媒相比热容更大的水具有可承受电池等突然发热的优势。“纯电动汽车搭载的电池容量逐年增加，水集中型正在成为主流”（同前）。

　　在使用冷媒的潜热（状态变化的能量、汽化热）进行冷却的冷媒直冷方式中，蒸发后的冷媒气体的温度大幅上升。因此，存在电池冷却板的冷媒入口附近充分冷却、但出口附近有时几乎不冷却的情况，容易产生冷却不均（图5）。

图5 冷媒直冷方式的冷却不均的示意图
水冷方式（左）与冷媒直冷方式（右）的区别。从冷媒直冷方式来看，冷媒蒸发变为气体后温度大幅上升。
（来源:日经XTECH）

　　由此可知，冷媒直冷方式适用于车辆的装载容积有限的紧凑型纯电动汽车等。例如，日产的轻型纯电动汽车“樱花”（Sakura、电池容量为20kWh）采用冷媒直冷方式。由于搭载的电池容量小，发热量少，因此不需要像水冷方式那样高的冷却性能。在成本方面也具有优势。

　　但是，调查上述对比的4款车型的电池容量后发现，虽然不同车型存在差异，但海豹的电池容量为82.5kWh、bZ4X约为71kWh、ID.3约为58kWh、Model Y约为75kWh，实际上海豹的电池容量最大。那么，为什么海豹能够采用冷媒直冷方式呢？有分析认为，原因与电池种类的不同有关。 

　　海豹采用磷酸铁锂（LFP）类的锂电池（图6）。而bZ4X和ID.3则搭载使用镍（Ni）、锰（Mn）、钴（Co）作为正极材料的三元类（NMC）锂电池。Model Y使用的是正极材料采用镍、钴、铝（Al）的NCA类锂电池*。

图6 从海豹上取出电池的情形
（摄影:加藤康）

 * Model Y 的部分车型搭载磷酸铁锂电池。

　　对于海豹热管理系统的设计依据，一家汽车零部件制造商的技术人员提出看法称，“磷酸铁锂类电池与三元类（以及NCA类等高能量密度的锂电池）相比，温度特性优越。或许是由于不需要严格的温度管理而采用了冷媒直冷系统”。

　　温度特性是指电池在环境温度下不易降低性能的性质。当电池暴露在低温或高温环境中时，电压会发生变化，出现本来的性能无法发挥或加速老化等情况。

　　磷酸铁锂类电池“由于电解液难以分解”（电池专家），高温情况下的温度特性优异。具体来说，“三元类电池应控制在60℃以下，而磷酸铁锂类电池则可以承受到80℃左右”（同前）。因此，可以认为就算面临上述的冷却不均，磷酸铁锂类电池也不易出现老化。

　　比亚迪的海豹采用了以安全性高、价格低廉为卖点的磷酸铁锂电池。可以看出受益于高温特性卓越的磷酸铁锂电池，通过采用冷媒直冷方式的热管理系统，有进一步降低成本的意图。

　Nonavalve是一个由9个电磁阀组成的热泵系统的冷媒配管零部件（图1）。借助电磁阀开关的组合，可以在空调制热和制冷、电池加热和冷却、或者同时让空调与电池加热/冷却全部8种模式之间切换。简直就是海豹的“热量司令部”。

图1 从发动机罩下的马达舱拆下的Nonavalve
Nonavalve的名称由拆解团队参考美国特斯拉定位为纯电动汽车热管理司令部的八通阀“Octovalve”命名。“Nona”在拉丁语中意为9
（照片:日经XTECH） 

　　关于Nonavalve的9个电磁阀的详细作用，请参考之前的《拆解比亚迪海豹（7）》。下面将就海豹的热管理系统的全部8种模式，具体介绍各模式启动的条件和Nonavalve的运行情况。 

　　在空调制热模式下，用于冷凝器、电池加热和电池冷却的切换阀、以及制冷用膨胀阀关闭（开度为零）（图2）。压缩机产生的高温、高压冷媒被输送到车内的冷凝器中，使车内的空气变暖。但是，如车内温度仍未达到设定的温度，将同时启动PTC加热器。

　　然后，通过制热用膨胀阀减压、降温的冷媒，通过板式换热器冷却水回路中的水（冷却剂）。此时，水通过逆变器和马达的排热加热，然后把热量转移到冷媒中，作为制热的热源实现再利用。

图2 空调制热模式的系统概要
冷媒回路的颜色表示冷媒的温度，其中红色为高温，黄色为中温，蓝色为低温。下面，图3～9也是如此。
（来源:日经XTECH）　

　　在空调制冷模式下，用于板式换热器、电池加热、电池冷却、空调制热的切换阀关闭（图3）。此外，为了使制热用膨胀阀不起作用，开度变为全开。

　　压缩机产生的高温、高压冷媒在前格栅内侧的车外冷凝器中冷却。然后，通过制冷用膨胀阀减压、降温的冷媒经过蒸发器来冷却车内空气。

图3 空调制冷模式的系统概要
（来源:日经XTECH）

　　锂电池通常会随着温度的降低而出现内部电阻增加，结果放电容量将缩小。在纯电动汽车上，这直接关系到续航距离，因此在低温环境下需要对电池进行加热，以发挥原有的性能。根据海豹的服务手册，当电池温度低于6℃时，将进入电池加热模式。当温度升至10℃以上时，电池加热会停止。

　　在电池加热模式下，通过打开用于电池加热的切换阀，使高温、高压冷媒流向电池，为电池加热（图4）。用于空调制冷、冷凝器、电池冷却的切换阀和制冷用膨胀阀关闭。

图4 电池加热模式的系统概要
（来源:日经XTECH）

　　电池冷却模式是为了防止高温导致电池劣化而准备的。当电池的温度超过38℃时启动，冷却到33℃以下时关闭。用于电池加热、板式换热器、制热的切换阀和制冷用膨胀阀关闭。与空调制冷模式相同，制热用膨胀阀的开度为全开（图5）。

图5 电池冷却模式的系统概要
（来源:日经XTECH）

　　作为同时启动空调制热和电池加热的场景，冬季行驶开始之前应该是最多的。用于冷凝器和电池冷却的切换阀和制冷用膨胀阀关闭（图6）。压缩机产生的高温、高压冷媒经过连接车内冷凝器和电池的并联回路。在板式换热器之前汇合，回收逆变器和马达的排热后，再返回压缩机。

图6空调制热+电池加热模式的系统概要
（来源:日经XTECH）  

　　同时启动空调制热和电池冷却的场景，可以想到冬季持续行驶时和快速充电时。要关闭用于电池加热、冷凝器和空调制热的切换阀，以及制冷用膨胀阀（图7）。把电池的排热用于空调制热。

图7 空调制热+电池冷却模式的系统概要
（来源:日经XTECH） 　　

　　用于电池冷却、空调制冷、冷凝器、空调制热的切换阀关闭（图8）。虽然这种模式在系统上是可行的，但实际上几乎没有机会使用。这是因为如前所述，进入电池加热模式的条件是电池温度低于6℃。在这样的环境中无需使用空调制冷。

图8 空调制冷+电池加热模式的系统概要
（来源:日经XTECH）    

　　同时启动空调制冷和电池冷却，主要集中在车外气温较高的夏季。用于电池加热、板式换热器以及空调制热的切换阀关闭（图9）。经过车外冷凝器的冷媒流向蒸发器和电池，分别冷却车内的空气和电池。

图9 空调制冷+电池冷却模式的系统概要
（来源:日经XTECH）