楊鈁 胡志林 張昶 付磊

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：新能源汽車 熱管理 控制系統(tǒng) 工作模式

1 前言

隨著汽車的電動(dòng)化和智能化發(fā)展，電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)也向著集成化、可控化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)控制精度要求也越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車能量的合理利用，提升電動(dòng)汽車高低溫環(huán)境下的續(xù)駛里程，電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)成為電動(dòng)汽車整車能量開發(fā)的重點(diǎn)。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，熱管理系統(tǒng)不僅影響乘用車駕乘舒適性，而且也牽涉到安全性和能耗問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車實(shí)際環(huán)境下的續(xù)駛里程和舒適性之間的平衡，是電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)急需解決的問(wèn)題[1][2]。本文以捷豹I-Pace車型為研究對(duì)象，對(duì)其先進(jìn)熱管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特征工作模式進(jìn)行分析，為電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 整車技術(shù)參數(shù)

I-Pace基于捷豹的全新eDM電動(dòng)汽車模塊化平臺(tái)打造，前后軸各布置一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)前后軸50：50的重量分配。另外電池組布置于車輛地板下的前后軸中間，有助于降低車輛重心，改善整車駕駛特性。車前部采用可控開度的主動(dòng)進(jìn)氣格柵，為I-Pace熱管理系統(tǒng)提供進(jìn)氣氣流，配合機(jī)前蓋上方的氣流開孔，可提供更好的下壓力和空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，減少進(jìn)氣風(fēng)阻，提升整車性能。整車技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 熱管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

I-Pace整車熱管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括空調(diào)系統(tǒng)回路、電機(jī)系統(tǒng)回路、電池系統(tǒng)回路和暖風(fēng)芯體回路[4]。

表1 整車技術(shù)參數(shù)[3]

圖1 I-Pace熱管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]

空調(diào)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)乘員艙溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用目前較為先進(jìn)的噴氣增焓熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的夏季制冷需求和冬季制熱需求。

在夏季環(huán)境下，空調(diào)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)空調(diào)循環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)空調(diào)冷媒的相變過(guò)程，實(shí)現(xiàn)乘員艙制冷作用，同時(shí)可通過(guò)電池回路的Chiller(熱交換器)與電池回路進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)電池回路的主動(dòng)冷卻過(guò)程。在冬季寒冷環(huán)境下，乘員艙有加熱需求，空調(diào)系統(tǒng)可通過(guò)閥門的控制，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)熱泵循環(huán)過(guò)程。空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)外界冷凝器或電機(jī)回路的Chiller進(jìn)行相變吸熱過(guò)程，空調(diào)冷媒再經(jīng)由壓縮機(jī)壓縮后變成高溫高壓氣體，流入內(nèi)置冷凝器發(fā)生相變放熱過(guò)程，與暖風(fēng)芯體回路進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境熱量或電機(jī)回路廢熱向乘員艙的轉(zhuǎn)移。

電機(jī)回路主要負(fù)責(zé)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電控單元、車載充電機(jī)和DC/DC進(jìn)行冷卻。在電機(jī)回路溫度較高，有散熱需求時(shí)，經(jīng)由低溫散熱器對(duì)電機(jī)回路進(jìn)行散熱。

電池回路主要負(fù)責(zé)動(dòng)力電池的熱管理，由于動(dòng)力電池對(duì)溫度需求范圍比較敏感，要求電池回路具有加熱和冷卻功能。在寒冷環(huán)境下，動(dòng)力電池有加熱需求，可通過(guò)熱交換器，與暖風(fēng)芯體回路之間進(jìn)行熱交換。在高溫環(huán)境下，動(dòng)力電池有冷卻需求，可通過(guò)低溫散熱器或Chiller對(duì)電池回路進(jìn)行冷卻。

暖風(fēng)芯體回路主要負(fù)責(zé)對(duì)乘員艙和電池回路進(jìn)行加熱，在寒冷環(huán)境下，乘員艙有加熱需求，可通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)置冷凝器，實(shí)現(xiàn)熱量向乘員艙內(nèi)轉(zhuǎn)移，當(dāng)熱泵制熱功率不足時(shí)，可采用高壓PTC進(jìn)行輔助；同時(shí)通過(guò)控制比例閥的開啟，控制流經(jīng)電池回路熱交換器的水流量，實(shí)現(xiàn)電池回路加熱需求。

由于電池回路工作溫度最低，大約在20℃左右，因而把電池回路的低溫散熱器布置在冷卻模塊最前端；而電機(jī)回路工作溫度比電池回路要高，因而電機(jī)回路低溫散熱器布置在第二排；而空調(diào)回路平均工作溫度最高，因而把空調(diào)為界冷凝器放在冷卻模塊的第三排，這與傳統(tǒng)燃油車布置方式不同；冷卻模塊的最后布置的是電動(dòng)冷卻風(fēng)扇，根據(jù)冷卻單元的散熱需求對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行控制。

4 熱管理系統(tǒng)工作模式分析

4.1 空調(diào)系統(tǒng)工作模式

空調(diào)系統(tǒng)主要有空調(diào)制冷模式和熱泵制熱模式兩種[3],下面將對(duì)不同的工作模式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1.1 空調(diào)制冷模式

空調(diào)制冷模式，可進(jìn)一步細(xì)化為兩種工作模式，第一種是僅乘員艙有制冷需求，第二種是在乘員艙有制冷需求條件下，動(dòng)力電池有主動(dòng)冷卻需求。

當(dāng)環(huán)境溫度較高，乘員艙有制熱需求，而動(dòng)力電池?zé)o主動(dòng)冷卻需求，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)僅為乘員艙進(jìn)行制冷，如圖2所示。

圖2 空調(diào)制冷模式[3]

通過(guò)控制閥門的開關(guān)狀態(tài)，空調(diào)冷媒經(jīng)由壓縮機(jī)引入至外界冷凝器進(jìn)行散熱，相變?yōu)楦邏阂簯B(tài)后，經(jīng)由膨脹閥進(jìn)行減壓，空調(diào)冷媒變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)，在乘員艙蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，實(shí)現(xiàn)乘員艙制冷。

圖3所示為，在乘員艙有制冷需求的條件下，動(dòng)力電池有主動(dòng)冷卻需求。此時(shí)，空調(diào)冷媒經(jīng)由外界冷凝器散熱后，分別流經(jīng)電池回路的Chiller和乘員艙蒸發(fā)器，進(jìn)行空調(diào)冷媒蒸發(fā)吸熱，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)乘員艙和動(dòng)力電池的冷卻。

圖3 空調(diào)制冷模式[3]

4.1.2 熱泵制熱模式

熱泵制熱模式可進(jìn)一步細(xì)化為三種工作模式。第一種是把外界環(huán)境作為熱源，通過(guò)外界冷凝器蒸發(fā)吸熱的傳統(tǒng)熱泵模式；第二種是通過(guò)電機(jī)回路的Chiller進(jìn)行廢熱回收，實(shí)現(xiàn)熱泵制熱的工作模式；第三種是把電機(jī)回路廢熱和外界環(huán)境作為熱源的工作模式。

當(dāng)環(huán)境溫度較低，乘員艙有制熱需求，電機(jī)回路無(wú)冷卻需求的情況下，熱泵系統(tǒng)通過(guò)外界冷凝器進(jìn)行吸熱，經(jīng)熱交換器，把熱量傳遞給暖風(fēng)芯體回路為乘員艙進(jìn)行加熱，如圖4所示。

圖4 熱泵制熱模式[3]

捷豹路虎的熱管理工程師Nilabza Dutta，在2018年SAE熱管理研討會(huì)上指出，在0℃環(huán)境溫度下，該模式下的熱泵系統(tǒng)可從外界環(huán)境中回收1.9 kW的熱量，與此同時(shí)，僅需要消耗0.3 kW的壓縮機(jī)功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為2.2 kW[4]。

在該模式下，如果熱泵加熱功率較小，不能滿足乘員艙的制熱需求，則暖風(fēng)芯體回路上的高壓PTC（Positive Temperature Coefficient，正溫度系數(shù)熱敏電阻）將開始工作，對(duì)暖風(fēng)芯體回路進(jìn)行輔助加熱。

圖5所示為當(dāng)環(huán)境溫度較低、乘員艙有制熱需求，同時(shí)電機(jī)回路有冷卻需求的情況下，通過(guò)電機(jī)回路的Chiller，把電機(jī)回路的熱量作為熱泵熱源，經(jīng)熱交換器，把熱量傳遞給暖風(fēng)芯體回路為乘員艙進(jìn)行加熱，完成乘員艙加熱過(guò)程。

圖5 熱泵制熱模式[4]

Nilabza Dutta在SAE研討會(huì)上指出，在0℃環(huán)境溫度下，該模式下的熱泵系統(tǒng)可從電機(jī)回路中回收2.5 kW的熱量，與此同時(shí)，僅需要消耗0.3 kW的壓縮機(jī)功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為2.8 kW[4]。

在該模式下，如果電機(jī)回路散熱量較大，超出熱泵取熱能力，則通過(guò)電控三通閥，對(duì)流經(jīng)低溫散熱器的冷卻液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)回路多余的熱量經(jīng)由低溫散熱器進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)電機(jī)回路的冷卻過(guò)程[3]。

圖6 熱泵制熱模式[3]

當(dāng)環(huán)境溫度較低，乘員艙有制熱需求，同時(shí)電機(jī)回路有冷卻需求，如果熱泵系統(tǒng)從電機(jī)回路取熱功率，不能滿足乘員艙加熱需求的情況下，熱泵系統(tǒng)將會(huì)同時(shí)從電機(jī)回路和外界環(huán)境取熱，經(jīng)熱交換器，把熱量傳遞給暖風(fēng)芯體回路為乘員艙進(jìn)行加熱，如圖6所示。

Nilabza Dutta在SAE研討會(huì)上指出，在-8℃環(huán)境溫度下，該模式下的熱泵系統(tǒng)可分別從外界環(huán)境和電機(jī)回路中回收1.5 kW和2.0 kW的熱量，與此同時(shí)，僅需要消耗0.8 kW的壓縮機(jī)功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為4.3 kW[4]。

需要說(shuō)明的是，在充電工況下，乘員艙有加熱需求，為了實(shí)現(xiàn)乘員艙內(nèi)溫度快速響應(yīng)，直接采用暖風(fēng)芯體回路的高壓PTC進(jìn)行加熱。在行駛工況下，當(dāng)環(huán)境溫度非常低，熱泵系統(tǒng)無(wú)法正常工作，乘員艙加熱也只能采用暖風(fēng)芯體回路的高壓PTC進(jìn)行加熱。

4.2 電機(jī)系統(tǒng)工作模式

電機(jī)系統(tǒng)冷卻模式主要有自加熱模式、散熱器冷卻模式和熱泵散熱模式三種[3]。

在環(huán)境溫度較低，整車?yán)鋯?dòng)工況下，電機(jī)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電磁三通閥，控制電機(jī)回路冷卻液流動(dòng)方向，對(duì)電機(jī)回路的低溫散熱器進(jìn)行旁通，由于電機(jī)回路無(wú)主動(dòng)冷卻，電機(jī)回路溫度可快速升高到合適的工作溫度[3]，如圖7所示。

圖7 自加熱模式[3]

當(dāng)電機(jī)溫度較高，電機(jī)有冷卻需求，同時(shí)乘員艙無(wú)加熱需求或熱泵系統(tǒng)不能工作的情況下，電機(jī)回路通過(guò)調(diào)節(jié)電磁三通閥，控制冷卻液流經(jīng)低溫散熱器，對(duì)電機(jī)回路進(jìn)行冷卻，如圖8所示。

圖8 散熱器冷卻模式[3]

當(dāng)電機(jī)溫度較高，電機(jī)有冷卻需求，同時(shí)乘員艙熱泵系統(tǒng)在工作的情況下，電機(jī)回路通過(guò)調(diào)節(jié)電磁三通閥，控制冷卻液流經(jīng)電機(jī)回路Chiller，把電機(jī)回路的廢熱傳遞給熱泵空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)余熱進(jìn)行回收利用，該模式與熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱模式相同，即圖5所示。

4.3 電池系統(tǒng)工作模式

電池系統(tǒng)熱管理模式主要有溫度平衡模式、主動(dòng)加熱模式、低溫冷卻模式和主動(dòng)冷卻模式四種[3]。

當(dāng)電池沒(méi)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(guò)一定范圍，通過(guò)控制電池回路的電磁三通閥，對(duì)低溫散熱器進(jìn)行旁通，水泵開啟，保證電池回路冷卻水循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電池溫度均勻的目的[3]，如圖9所示。

圖9 溫度平衡模式[3]

圖10 所示為電池主動(dòng)加熱模式，當(dāng)環(huán)境溫度較低，為了保證電池的正常工作，電池回路有加熱需求。

圖10 主動(dòng)加熱模式[3]

在該模式下，暖風(fēng)芯體回路通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥狀態(tài)，把冷卻液引入到與電池回路耦合的熱交換器，電池回路通過(guò)熱交換器與乘員艙暖風(fēng)芯體回路進(jìn)行熱交換，為了減少電量消耗，采用熱泵系統(tǒng)對(duì)暖風(fēng)芯體回路進(jìn)行加熱，把熱量間接傳遞到電池回路，熱泵可采用外界環(huán)境或電機(jī)回路作為熱源，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。如果不能滿足熱泵系統(tǒng)工作條件，則采用暖風(fēng)芯體回路的高壓PTC進(jìn)行加熱，通過(guò)Chiller把熱量傳遞到電池回路。

當(dāng)電池有冷卻需求，同時(shí)環(huán)境溫度低于電池溫度的情況下，通過(guò)控制電池回路的電磁三通閥狀態(tài)，把電池回路的冷卻水引入到低溫散熱器，通過(guò)環(huán)境氣流對(duì)電池回路進(jìn)行散熱[3]，如圖11所示。

圖11 低溫冷卻模式[3]

當(dāng)電池有冷卻需求，環(huán)境溫度高于電池溫度，同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)在開啟的情況下，采用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電池回路進(jìn)行主動(dòng)冷卻[3]，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)引入一部分冷媒到電池回路的Chiller，冷媒在Chiller內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，實(shí)現(xiàn)電池回路的主動(dòng)冷卻,該模式與空調(diào)系統(tǒng)制冷模式即圖3所示。

4.4 熱管理系統(tǒng)工作模式控制架構(gòu)

I-Pace熱管理系統(tǒng)，在冷卻模塊前端配備有主動(dòng)格柵系統(tǒng)和進(jìn)氣風(fēng)道，后端配有風(fēng)道導(dǎo)風(fēng)口。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合主動(dòng)格柵和冷卻風(fēng)扇的靈活控制，可進(jìn)一步優(yōu)化整車空氣動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)熱管理工作模式的細(xì)化。

通過(guò)熱管理系統(tǒng)控制策略，對(duì)多種熱管理工作模式進(jìn)行靈活切換，可保證整車熱管理系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，節(jié)約整車能量消耗。I-Pace熱管理系統(tǒng)控制架構(gòu)如表2所示。

表2 I-Pace熱管理系統(tǒng)控制架構(gòu)[3]

另外，為了最大程度的拓展整車?yán)m(xù)駛里程，I-Pace采用基于駕乘人員數(shù)量的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)乘員艙的舒適性需求，對(duì)乘員艙進(jìn)行溫度分區(qū)控制，包括駕駛員控制、雙溫區(qū)控制、四溫區(qū)控制和超低功率消耗四種模式控制。根據(jù)熱管理系統(tǒng)需求，控制乘員艙溫度調(diào)節(jié)模式，在滿足乘員艙舒適性的前提下，減少熱管理系統(tǒng)能量消耗，拓展整車?yán)m(xù)駛里程。

5 結(jié)論

（1）I-Pace作為捷豹路虎旗下第一款電動(dòng)汽車，定位于高端市場(chǎng)，空調(diào)系統(tǒng)采用噴氣增焓熱泵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)低溫下的良好工作性能，結(jié)合電機(jī)回路的Chiller，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)廢熱的回收利用。

（2）I-Pace電機(jī)回路與電池回路作為兩個(gè)獨(dú)立回路，均配備有低溫散熱器，冷卻系統(tǒng)控制上相對(duì)方便。另外兩系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上并沒(méi)有直接耦合，但借助于熱泵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)回路廢熱對(duì)電池回路的加熱作用。

（3）I-Pace熱管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種熱管理工作模式，結(jié)合主動(dòng)格柵和冷卻風(fēng)扇的靈活控制，可對(duì)整車空氣動(dòng)力學(xué)和整車能耗進(jìn)一步優(yōu)化。