蘋果電動汽車熱管理技術解析

作者：胡志林 張?zhí)鞆?楊鈁 發(fā)布于：2021-03-08

本文以蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)專利為基礎，對其電動汽車熱管理系統(tǒng)技術新思路進行分析，為電動汽車熱管理系統(tǒng)設計提供參考。

一、熱管理系統(tǒng)拓撲結構分析

蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)包括1個制冷劑回路、加熱回路、冷卻回路、電池回路和電機回路。每1個回路都包含1個熱交換器與其他子系統(tǒng)回路進行耦合，實現(xiàn)加熱和冷卻的目的(圖1)。

制冷劑回路采用模塊化、獨立式系統(tǒng)設計，可封裝為1個組件，與其他車型進行集成，其冷媒采用R744（CO2）工質，可在-30℃環(huán)境溫度下穩(wěn)定運行。在結構布置上，相對于傳統(tǒng)空調回路，其沒有采用單獨的外置空調冷凝器，僅通過氣液熱交換器（Liquid Cooled Gas  Cooler, LCGC）和冷媒-水熱交換器（Chiller）分別實現(xiàn)與加熱回路和冷卻回路之間的熱量傳遞。通過三通閥的控制，加熱回路可與制冷劑回路經由氣液熱交換器（LCGC）進行熱量傳遞。根據(jù)需要可從冷媒自回路吸收熱量用于乘員艙加熱，或把多余的熱量經由加熱回路的低溫散熱器傳遞到外界環(huán)境。同時，加熱回路上也加裝了電加熱器，在回路加熱功率不足時，可采用電能對回路進行加熱。冷卻回路主要用于乘員艙、電池回路和電機回路的冷卻，借助于Chiller，通過冷媒的相變吸熱過程，把冷卻回路的熱量轉移到制冷劑回路。電池回路通過2個熱交換器分別與加熱回路和冷卻回路進行耦合，可實現(xiàn)電池回路的加熱或冷卻。引入四通閥控制，可對電池回路的不同熱管理模式進行控制。電機回路與冷卻回路經由熱交換器，可實現(xiàn)熱量傳遞過程，通過引入四通閥控制，可實現(xiàn)電機回路的低溫散熱器冷卻和冷卻回路冷卻2種冷卻方式的靈活控制。

二、熱管理系統(tǒng)工作模式分析

1、空調系統(tǒng)工作模式

①空調制冷模式

   當環(huán)境溫度較高，乘員艙有制冷需求，熱管理系統(tǒng)進入空調制冷模式，為乘員艙進行制冷，其工作過程如圖2所示。

制冷劑回路中的壓縮機對空調冷媒進行壓縮，通過氣液熱交換器（LCGC）把熱量傳遞到加熱回路，通過調節(jié)加熱回路的三通閥開啟狀態(tài)，把制冷劑回路中的熱量傳遞到低溫散熱器，與外界環(huán)境進行散熱。經氣液熱交換器（LCGC）冷卻后的氣態(tài)空調冷媒，相變?yōu)楦邏阂簯B(tài)工質，經由膨脹閥進行膨脹減壓，空調冷媒變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)，在冷媒-水熱交換器（Chiller）內進行蒸發(fā)吸熱，對冷卻回路進行制冷。冷卻回路通過冷卻芯體，對乘員艙進行制冷。

②熱泵采暖模式

當環(huán)境溫度較低，乘員艙有采暖需求，熱管理系統(tǒng)進入熱泵采暖模式，為乘員艙進行加熱，其工作過程如圖3所示。

制冷劑回路中的壓縮機對空調冷媒進行壓縮，通過氣液熱交換器（LCGC）把熱量傳遞到加熱回路，通過調節(jié)加熱回路的三通閥開啟狀態(tài)，把制冷劑回路中的熱量傳遞到加熱回路。經氣液熱交換器（LCGC）冷卻后的氣態(tài)空調冷媒，相變?yōu)楦邏阂簯B(tài)工質，經由膨脹閥進行減壓，空調冷媒變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)，在冷媒-水熱交換器（Chiller）內進行蒸發(fā)吸熱，實現(xiàn)冷卻回路中的熱量向加熱回路中轉移的目的。加熱回路通過加熱芯體，對乘員艙進行制熱。

2、電機系統(tǒng)工作模式

電機系統(tǒng)冷卻模式主要有自循環(huán)模式、散熱器冷卻模式和熱泵散熱模式3種。

①電機自循環(huán)模式

   在環(huán)境溫度較低，整車冷啟動工況下，電機本體溫度超過一定值，電機水泵開啟，同時調節(jié)電機回路的四通閥開啟狀態(tài)，控制電機回路冷卻液流動方向，對電機回路的低溫散熱器和冷卻回路進行旁通，通過電機回路各部件自身的發(fā)熱量為電機回路進行加熱，與其他回路無熱量交互，電機回路溫度可快速升高到合適的工作溫度，如圖4所示。

②散熱器冷卻模式

另外，四通閥的控制可實現(xiàn)不同出口的流量控制，通過控制流經散熱器和旁通散熱器的流量，可增加對電機回路的溫度控制維度。③熱泵散熱模式圖6所示為，當環(huán)境溫度較低，乘員艙或動力電池有加熱需求，通過調節(jié)電機回路的四通閥開啟狀態(tài)，把電機回路冷卻液引入到與冷卻回路相耦合的熱交換器（HeatExchanger,HXR），把電機回路的熱量傳遞到冷卻回路。冷卻回路通過冷媒-水熱交換器（Chiller）與制冷劑回路實現(xiàn)熱量耦合，把冷卻回路中的熱量作為制冷劑回路的熱源，通過制冷劑回路的循環(huán)相變過程，最終把熱量經過氣液熱交換器（LCGC）轉移到加熱回路。根據(jù)需要，加熱回路可對乘員艙或電池回路進行加熱。

需要指出，當電機回路有冷卻需求時，可通過電機回路四通閥控制一部分流量，流經電機散熱器，實現(xiàn)電機回路的多余熱量向外界環(huán)境散熱的目的。當電機回路無冷卻需求時，電機回路也需要進入熱泵散熱模式，優(yōu)先對乘員艙或電池進行加熱，實現(xiàn)熱泵循環(huán)過程，如果電機回路冷卻液溫度低于環(huán)境溫度，可控制部分冷卻液流經電機散熱器，此時散熱器可實現(xiàn)對電機冷卻液的加熱作用，實現(xiàn)外界環(huán)境的熱量向制冷劑回路的轉移，一定程度上彌補了制冷劑回路無法通過外置冷凝器從外界環(huán)境吸熱的功能缺陷。

3、電池系統(tǒng)工作模式

電池系統(tǒng)熱管理模式主要有自循環(huán)模式、加熱模式和冷卻模式3種。

①電池自循環(huán)模式

   當電池沒有冷卻需求和加熱需求情況下，如果電池溫度不均勻，最大溫差超過一定范圍，或電池最大溫度超過一定范圍，電池水泵開啟，同時通過調節(jié)電池回路的四通閥開啟狀態(tài)，控制電池回路冷卻液流動方向，不流經與加熱回路和冷卻回路相耦合的熱交換器，與加熱回路和冷卻回路無熱量交互，實現(xiàn)電池回路自循環(huán)，如圖7所示。

②電池加熱模式

在該模式下，電池回路水泵開啟，調節(jié)電池回路四通閥開啟狀態(tài)，把電池冷卻液引入到與加熱回路相耦合的熱交換器，電池回路通過熱交換器與加熱回路進行熱交換，為了減少電量消耗，可采用制冷劑回路通過氣液熱交換器（LCGC）對加熱回路進行加熱，把熱量間接傳遞到電池回路，制冷劑回路可采用外界環(huán)境或電機回路作為熱源，實現(xiàn)熱量的轉移。如果不能滿足電池系統(tǒng)加熱功率需求，則采用加熱回路中的電加熱器對冷卻液進行加熱，通過熱交換器把熱量傳遞到電池回路。

③電池冷卻模式

   當動力電池溫度較高，為了保證動力電池的使用壽命和可靠性，電池系統(tǒng)發(fā)出冷卻請求，電池回路進入冷卻模式，如圖9所示。

在該模式下，電池回路水泵開啟，調節(jié)電池回路四通閥開啟狀態(tài)，把電池冷卻液引入到與冷卻回路相耦合的熱交換器，電池回路通過熱交換器與冷卻回路進行熱交換，把電池回路的多余熱量轉移到冷卻回路。

4、熱管理回路交互關系

采用R744作為冷媒工質的制冷劑回路，通過氣液熱交換器（LCGC）和冷媒-水熱交換器（Chiller）分別與加熱回路和冷卻回路進行直接交互，實現(xiàn)熱量傳遞過程。加熱回路和冷卻回路上分別布置加熱芯體和冷卻芯體，實現(xiàn)乘員艙的制冷和采暖目的。電池回路與加熱回路和冷卻回路通過熱交換器（HXR）進行直接交互，滿足電池系統(tǒng)的加熱和冷卻需求。電機回路與冷卻回路通過熱交換器（HXR）進行直接交互，以滿足電機回路的冷卻需求。

三、結  論