作者：宋家婷
当好“课代表”，讲好常识课。
阳光映衬着白雪格外刺眼，呼呼的北风似要将头顶的铁皮掀翻，这使得工程师们不由自主地停下来，抬头看一眼，然后搓搓手笑着说：真是太冷了！
这一幕发生在北京三里屯太古里对面一个带着ID.GO字样的铁皮房子里。没有人会料到，这个突然冒出来的铁皮房子里，正在进行一场关于电动汽车的安全科普。
想想也不无道理。
无论任何时代安全都是汽车的核心要素，而相对于燃油车已经过百年检验，电动汽车依然存在太多未知——人类尚未能完全驾驭它。
即便是在新能源汽车累计保有量已经逼近2000万辆的中国市场，人们对它的了解又有多少呢？
比如电动汽车的心脏——动力电池的安全性和耐久性，就仍旧是汽车厂商用尽各种方法去力证却鲜有全胜的难题。
原因无它，动力电池的化学属性导致它有技术上的天花板，汽车安全与性能又绝非二选一的课题，二者必须共生并取得一个平衡点。这也意味着，性能但凡想要突破一点点，汽车制造商们就要在安全性上筑起更厚实的“防火墙”。
这也是大众汽车在年末展开“ID. GO安全实验室”北上广三城巡讲的要义。选择在这个节点开讲，我们认为主要原因是，作为跨国车企老大哥，大众汽车已经有了数十万辆ID.车型跑在路上，有了当“课代表”的底气。
那么，大众汽车是怎么解决电池安全问题的呢？
大众汽车的做法很传统。出于作为新赛道新选手的谨慎心理，大众ID.车型部分关键安全性能采用了高于通行标准的冗余设计和验证方法。
以电池设计为例，ID.车型电池包选择了铝合金材质，同时下壳体为蜂窝设计，并且采用了结合型材横梁及纵梁的焊接形式，既保障了电池包的高强度，也使得电池包兼备轻量化和高能量密度的特点，底部一体冲压成形的高强度铝质护板，则能保护电池包免受路面坑洼磕碰、飞石等冲击伤害。
电池包的边框应用的是旋转攻丝铆接技术（FDS），无需在壳体边框预制孔位，从而保证了壳体的稳定性和强度，减少了对电池包整体结构的影响。
除此之外，电池包还采用了精密的防腐蚀设计，密封圈、液体密封胶和蜡为电池包提供了三重防护，水冷板表面也做了防腐处理，由外及内防止电池包出现被腐蚀的情况，以有效抵御严苛气候和环境的侵蚀。
据大众汽车工程师介绍，ID.车型电池包达到了IPX8和IP6K9K级别的防尘和防水标准，适用于绝大部分的用车环境和气候条件。
这还不够。大众ID.对电池包的强度采用了严格测试，包括X/Y/Z三轴冗余碰撞冲击测试以及模拟真实环境和工况的超高频振动测试，确保电池包强度达到大众汽车所设定的更高标准，以应对更为苛刻的日常用车情况。
电池管理系统（BMS）同样重要。大众ID. 独立的热管理系统让电池在零下30℃至零上55℃的温度环境中均可保持正常的工作状态。位于电池包下方的液冷系统配合高效的导热胶，则可令电芯间的温度差异保持在3℃以内，提升电池安全性。
即使在极端温度下，电池温度也能保持在15℃至30℃的工作范围内，使车辆能够适应不同用车环境，确保了车辆的可靠性。
值得注意的是，当使用功率达100千瓦的直流快充时，该热管理系统能保证电池温度稳定，避免充电过热，确保在30分钟内即可从30%充至80%的电量。
大众ID.电池管理系统（BMS）还带有热扩散监测功能，可监控电池状态，并在遇到异常情况时及时向用户做出警示。在发生高压短路时，系统会主动切断高压系统电源，进一步降低热扩散的风险。
此外，高压配电系统结合整车碰撞信号监测，可在车辆发生碰撞时主动切断高压回路，尽可能避免高压电池短路带来的风险。可以看出，大众ID.要做的是实现电池包全生命周期内针对热扩散的监测与防护。
这样的电池包，全生命周期中的耐用性又如何？为此，大众汽车提供了一组详细的测试数据。其中：
国际常温电池组寿命测试条件下，经过500次循环充放电测试后，电池容量保持率为97%，高于国标90%的标准；
45℃高温循环寿命测试条件下，经过800次循环充放电测试后，电池容量保持率仍高于80%；
-10℃低温循环寿命测试条件下，经过400次循环充放电测试后，电池容量保持率仍高于80%。
除了以上测试，还有快充寿命测试和驾驶工况寿命测试等等。以后者为例，大众汽车的目标是确保8年或16万公里后电池容量保持率仍高于70%。
可以说，大众汽车已经考虑得非常周到了。不过，意犹未尽的它还为未来的车主提供了最后一道防线：8年/16万公里电池质保服务。
这就是传统车企的老派做法。作为历史和当下的汽车业巨头，它们对新事物抱持敬畏之心，一旦开启新业务，没有把握的事也一定要尽量做到有把握。
现在大众汽车将老经验带到了新赛道，包括并不限于曾经擅长的主被动安全。在智能化的语境下，大众汽车的主动安全，也更多体现在ID.家族搭载的智能驾驶辅助系统上。
以IQ. Drive智驾管家为例，其包含的Travel Assist全速域驾驶辅助系统、Lane Assist车道保持系统、Trigger Lane Change智能变道系统、Front Assist前部安全系统和Emergency Assist紧急辅助系统组成了一个“智驾全家桶”，日常驾驶中的疲劳、分神以及各种紧急情况都能自如应对，相当于身边多了一个机灵又不絮叨的“老司机”，可靠又安心。
尤其实用的是，Front Assist前部安全系统带有自动紧急制动功能，当前方车辆突然减速、变道，或偶遇骑行者和行人突然进入车道时，若驾驶者没能及时做出反应，ID.会触发主动安全功能。
通过前部多功能摄像头和ACC毫米波雷达，ID.车型最高可在60公里/小时左右的速度探测到前方同方向减速或静止的车辆及行人，对驾驶者进行提示并及时介入制动，最大程度避免事故发生或减轻损害。
Emergency Assist紧急辅助系统也很实用。它能够在驾驶辅助开启的状态下监测驾驶者是否处在正常驾驶车辆的状态，并通过系统提示音和轻微点刹等方式来提醒驾驶者接管车辆。
一旦系统发现驾驶者仍未能恢复驾驶，车辆将通过车道保持系统和自适应巡航等驾驶辅助系统，控制车辆逐渐刹停在本车道内，点亮紧急情况警示灯并解锁车门，同时SOS紧急呼叫功能将主动联络呼叫中心以确保驾驶者安全。
被动安全就更无需多言。作为传统车企的脸面，高强度的车身是必选项，严苛的碰撞试验也是必修课，大众汽车ID.家族车型的安全性在中国权威碰撞测试中也都获得了不错的评价。
值得一提的倒是，大众汽车在电动汽车设计上的坚持。比如，电动汽车的拉风设计之一——隐藏式门把手，实际上这是个很鸡肋的设计，但电动时代的审美没人敢质疑，大众汽车做到了。
仍旧是传统车企的作风，它没有一棒子打死这个设计，而是将之改良为半隐藏式门把手，最直接的目的就是，一旦发生事故便于外部救援。这当然是道路上的血泪教训得到的启发，然而敢于挑战时代审美的仍旧是老家伙们。
因为，这些见惯风雨的巨头们深刻认识到，汽车无论如何发展，仍旧是人的驾驶工具，人类的生命才是重中之重。
因而我们也就理解了，这个在严冬里绽放的科普讲堂为何名为“ID.GO安全实验室”，大众汽车们想要表达的，不是动辄颠覆世界的狂热之心，而仅仅是在尊重常识的前提下努力突破——你可能认为它是保守的，然而，这才是务实且有用的。
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）
电池采用冷媒直冷
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）
驱动系统利用水冷，排热用于空调制暖
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。
这是海豹的热管理系统的全貌
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）
与特斯拉“Octovalve”看似相同实则不同的比亚迪“Nonavalve”
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。
4家公司的热管理一举公开
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。
冷媒直冷重量轻、成本低
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。
利用磷酸铁锂电池的温度特性设计热管理系统？
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NonavalveNonavalve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）
Nonavalve的全部8个模式如此运行
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。
（1）空调制热
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）
（2）空调制冷
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）
（3）电池加热
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）
（4）电池冷却
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）
（5）空调制热+电池加热
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）
（6）空调制热+电池冷却
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）
（7）空调制冷+电池加热
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）
（8）空调制冷+电池冷却
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）
