在電池電芯最高溫度和最低溫度之間差值過(guò)大，或者電池回路水溫與電池最高、最低溫度差值過(guò)大，從而出現(xiàn)冷熱沖擊，這時(shí)需要開(kāi)啟電池水泵進(jìn)行電池?zé)崞胶狻Ｔ摾鋮s回路為：電池回路水泵→動(dòng)力電池→水水換熱器→電池?fù)Q熱器→電池回路水泵。

▲圖?電池?zé)崞胶饪刂圃?/p>

5.電池LTR冷卻和電機(jī)余熱回收控制原理

這里包括三部分，分別為電池LTR冷卻，電池預(yù)冷，電機(jī)余熱回收。

其中電池LTR冷卻是在環(huán)境溫度25℃以下， 電池溫度較高時(shí)，切換四通換向水閥位置， 將電池回路和電機(jī)回路串聯(lián)， 利用散熱器給電池散熱， 達(dá)到節(jié)能的目的。

而電池預(yù)冷則是電池溫度即將達(dá)到冷卻需求溫度時(shí)， 利用散熱器預(yù)先對(duì)電池進(jìn)行冷卻。

電機(jī)余熱回收則是電池溫度較低、電機(jī)回路水溫高于電池回路水溫一定值時(shí)， 將電池和電機(jī)回路串聯(lián)， 利用電機(jī)回路溫度給電池加熱， 使電池處于適宜的工作溫度， 達(dá)到節(jié)能的目的。

冷卻回路為四通換向水閥→電機(jī)回路水泵→電機(jī)系統(tǒng)→三通比例水閥1→散熱器/旁通 → 四通換向水閥→電池回路水泵→水水換熱器→電池?fù)Q熱器→動(dòng)力電池→四通換向水閥。

▲圖?電池LTR以及電機(jī)余熱回收控制原理

02.

比亞迪海豹的熱管理系統(tǒng)

比亞迪海豚的熱管理集成模塊上集成了6個(gè)電磁閥、3個(gè)電子膨脹閥以及9個(gè)制冷劑管接頭，整個(gè)熱管理系統(tǒng)如下圖所示。

▲圖?海豚熱泵空調(diào)系統(tǒng)

海豚的熱泵系統(tǒng)中的閥島設(shè)計(jì)采用了類似特斯拉集成化，比亞迪對(duì)冷媒回路進(jìn)行了大規(guī)模集成，閥島結(jié)構(gòu)把制冷劑回路大部分控制組件進(jìn)行了集成，實(shí)物和各個(gè)接口的定義如下。

▲圖?海豚熱泵閥島

基于圖7，整理出整個(gè)熱泵空系統(tǒng)的原理示意圖，如下圖所示。

▲圖?海豚車熱泵空調(diào)原理示意圖

其中圖中PT-1、PT-2表示兩個(gè)制冷劑壓力及溫度傳感器，P-1表示制冷劑壓力傳感器，T-1、T-2表示兩個(gè)制冷劑溫度傳感器。

下面來(lái)看下各個(gè)場(chǎng)景下熱泵空調(diào)的運(yùn)行邏輯。

當(dāng)打開(kāi)空調(diào)系統(tǒng)制熱時(shí)，熱泵空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟電動(dòng)壓縮機(jī)，采暖電子膨脹閥工作、水源換熱電磁閥及空調(diào)采暖電磁閥均打開(kāi)，制冷劑通過(guò)車內(nèi)冷凝器放熱，通過(guò)板式換熱器吸收驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器等電驅(qū)動(dòng)單元的熱量。極低溫情況下，開(kāi)啟PTC加熱器輔助加熱，提高熱泵空調(diào)的適用溫度范圍。

空調(diào)制熱時(shí)，制冷劑的流動(dòng)路線為：壓縮機(jī)→車內(nèi)冷凝器→采暖電子膨脹閥→水源換熱電磁閥→板式換熱器→空調(diào)采暖電磁閥→氣液分離器→壓縮機(jī)，如下圖所示。

▲圖?空調(diào)制冷

當(dāng)?shù)蜏丨h(huán)境下充電，為縮短充電時(shí)間，或者是車輛低溫行駛時(shí)，為改善低溫下整車的動(dòng)力性，熱泵空調(diào)工作對(duì)動(dòng)力電池直接進(jìn)行加熱。此時(shí)，電池電子膨脹閥開(kāi)啟工作，電池加熱電磁閥、水源換熱電磁閥和空調(diào)采暖暖電子膨脹閥和電池電子膨脹閥同時(shí)開(kāi)啟工作，水源換熱電磁閥、電池加熱電磁閥及空調(diào)采暖電磁閥均打開(kāi)，吸收電驅(qū)動(dòng)單元余熱，車內(nèi)冷凝器和動(dòng)力電池直冷直熱板放熱。

▲圖 電池加熱

為了防止動(dòng)力電池溫度過(guò)高，熱泵空調(diào)工作，對(duì) 動(dòng) 力 電 池 直 接 進(jìn) 行 冷 卻 ；車 輛 行 駛時(shí)，當(dāng)動(dòng)力電池溫度高于設(shè)定值，熱泵空調(diào)也開(kāi)始工作。此時(shí)，電池電子膨脹閥開(kāi)啟工作，空調(diào)制冷電磁閥、空氣換熱電磁閥和電池冷卻電磁閥均打開(kāi)。制冷劑通過(guò)車外換熱器放熱，通過(guò)動(dòng)力電池直冷直熱板吸熱。

動(dòng)力電池冷卻時(shí)，制冷劑的流動(dòng)路線為：壓縮機(jī)→車內(nèi)冷凝器→空調(diào)制冷電磁閥→空氣換熱電磁閥→單向閥5→單向閥2→電池電子膨脹閥→動(dòng)力電池直冷直熱板→電池冷卻電磁閥→單向閥3→氣液分離器→壓縮機(jī)。

▲圖 電池冷卻

03.

大眾ID4.X的熱管理系統(tǒng)

首先大眾ID4.X的熱管理系統(tǒng)整體框圖如下圖所示。其一共有六種運(yùn)行模式。

▲圖?大眾ID4.X熱管理系統(tǒng)原理圖

1、節(jié)溫器溫度小于15℃，電池溫度在8℃~35℃，無(wú)熱泵需求?！旧崞髋月繁患せ?，電池?zé)o需加熱和冷卻】 節(jié)溫器打開(kāi)散熱器的旁路，用于電池加熱的V696閥激活最小的低溫冷卻回路。當(dāng)熱泵運(yùn)行起來(lái)時(shí)，V468低溫回路冷卻液泵被激活，同時(shí)使用Z132加熱器件加熱電池，如下圖所示。

2、節(jié)溫器溫度小于15℃，電池溫度小于8℃，沒(méi)有熱泵需求。【散熱器被旁路，電池加熱】 節(jié)溫器打開(kāi)散熱器旁路，然后V696高壓電池加熱混合閥2激活最小可能的低溫冷卻電路。高壓電池加熱的V683混合閥激活電池加熱電路。兩個(gè)冷卻泵都被激活，如下圖所示。

3.節(jié)溫器溫度大于15℃，蓄電池溫度在8℃~35℃，無(wú)熱泵需求。【散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)，蓄電池未冷卻或未加熱】

節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路。蓄電池預(yù)熱混合閥 2 V696 打開(kāi)溫度最低的低溫冷卻回路。只有低溫回路冷卻液泵 V36 被激活。

4、節(jié)溫器溫度大于15℃，車輛運(yùn)行時(shí)電池溫度大于35℃，車輛充電時(shí)電池溫度大于30℃，無(wú)熱泵需求。【電池由熱冷凝器的熱交換器冷卻，散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)】

節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，然后V696高壓電池加熱混合閥2激活最小可能的低溫冷卻電路。V683混合閥用于高壓電池升溫激活電池冷卻液回路。兩個(gè)冷卻泵都被激活，如下圖所示。

5、恒溫器溫度大于15℃，電池溫度大于30℃，沒(méi)有熱泵需求。【電池通過(guò)低溫回路冷卻】

節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，然后V696高壓電池加熱混合閥2打開(kāi)與電池的連接。V683混合閥用于高壓電池升溫激活電池冷卻液回路。兩個(gè)冷卻泵都被激活。

6、恒溫器溫度大于15℃，電池溫度在8~30℃，有熱泵需求。【散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)，蓄電池未冷卻或未加熱】

節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路。蓄電池預(yù)熱混合閥 2 V696 打開(kāi)蓄電池接口。蓄電池預(yù)熱混合閥 V683 打開(kāi)蓄電池加熱回路。只有低溫回路冷卻液泵 V36 被激活。

04.

理想ONE的熱管理系統(tǒng)

理想 ONE 汽車為增程式混合動(dòng)力汽車，因此，理想 ONE 除了要對(duì)電池、乘員艙和電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行熱管理外還要對(duì)增程器進(jìn)行熱管理，四大板塊緊密協(xié)助，達(dá)到高效的熱利用。下圖為理想 ONE熱管理系統(tǒng)原理圖。

▲圖?理想ONE的熱管理系統(tǒng)

理想 ONE 熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵是是多向流量控制閥精確地按比例開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)增程器、電池組和空調(diào)三套循環(huán)系統(tǒng)間熱量的精確傳遞和利用，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，小到流量控制閥、水泵，大到空調(diào)壓縮機(jī)，前端冷卻模塊上的散熱風(fēng)扇，都能通過(guò)整車控制器實(shí)現(xiàn)功率無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，保障電池、增程器、電動(dòng)機(jī)工作在最適宜的溫度。前端冷卻模塊集成了冷凝器、低溫散熱器、高溫散熱器、中冷器和散熱風(fēng)扇五個(gè)模塊的前端冷卻模塊。

05.

Model Y的熱管理系統(tǒng)

Model Y的熱管理系統(tǒng)的模式主要分為五種，分別為單獨(dú)乘員艙制熱、乘員艙&電池都需要制熱、乘員艙需要制熱&電池需要冷 卻、乘員艙&電池都需要冷卻、乘員艙余熱回收。下面針對(duì)各個(gè)場(chǎng)景，分析熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

▲圖?Model Y熱管理系統(tǒng)原理圖

1.單獨(dú)乘員艙制熱模式

若電池此時(shí)溫度高于10 ℃，熱泵系統(tǒng)能通過(guò)電池冷卻器從電池、電機(jī)循環(huán)的耦合回路中吸收熱量來(lái)給乘員艙加熱。冷媒經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后，依次經(jīng)過(guò)電磁截止閥1→乘員艙冷凝器→電子膨脹閥2→氣液分離器，最終回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)對(duì)乘員艙的制熱循環(huán)。冷卻液經(jīng)過(guò)電池冷卻器與冷媒進(jìn)行熱交換后，依次經(jīng)過(guò)八通閥水口8至2→電池包→八通閥水口1至3→電子水泵1→控制器及驅(qū)動(dòng)單元→八通閥水口4至6→液冷冷凝器→膨脹水壺→八通閥水口5至7→電子水泵2，再流入電池冷卻器。在這個(gè)過(guò)程中，為防止熱量損失，室外的換熱器部分是被八通閥屏蔽的。乘員艙同時(shí)接收到壓縮機(jī)消耗的電功率和電池回路的熱量，系統(tǒng)整體的COP遠(yuǎn)高于1。

若電池溫度較低，無(wú)法給乘員艙提供熱量，則乘員艙的制熱主要依靠壓縮機(jī)做功。在這種極端條件下，熱泵系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)外部散熱器或是電池冷卻器實(shí)現(xiàn)冷媒與冷卻液的熱量交換，電子膨脹閥2與電磁截止閥2均處于關(guān)閉狀態(tài)。冷媒經(jīng)壓縮機(jī)做功后，經(jīng)由電磁截止閥1→乘員艙冷凝器→電子膨脹閥1→乘員艙蒸發(fā)器→氣液分離器后，直接回到壓縮機(jī)。冷卻液循環(huán)則與上述電池不提供熱量時(shí)一致，但在電池冷卻器處并不進(jìn)行熱量交換。

若環(huán)境溫度高于- 10 ℃，則熱泵系統(tǒng)優(yōu)先從外部環(huán)境中吸收熱量。系統(tǒng)中膨脹閥1關(guān)閉，冷媒通過(guò)電池冷卻器吸收環(huán)境中的熱量。通過(guò)改變對(duì)八通閥的控制，讓冷卻液依次經(jīng)過(guò)八通閥水口8至6→液冷冷凝器→膨脹水壺→室外散熱器→八通閥水口9至7→電子水泵2，再回到電池冷卻器形成閉環(huán)。

2.乘員艙&電池同時(shí)加熱模式

通常情況下，電池包的溫度都會(huì)高于環(huán)境溫度。當(dāng)電池也需要加熱時(shí)，通常已經(jīng)是非常極端的情況，環(huán)境溫度低于- 10 ℃，此時(shí)的熱泵系統(tǒng)無(wú)法從外部環(huán)境獲得熱量。除了要保證乘員艙的舒適性外，還需要分出部分熱量供給電池包，此時(shí)的熱泵系統(tǒng)仍然完全依靠壓縮機(jī)做功， COP=1。從原理圖上看，冷媒經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后，在截止閥1、2處按比例（優(yōu)先保障乘員艙制熱需求）分成兩路，一部分經(jīng)過(guò)乘員艙冷凝器，另一部分經(jīng)過(guò)液冷冷凝器，在電子膨脹閥1處匯合，再經(jīng)由乘員艙蒸發(fā)器→氣液分離器，返回壓縮機(jī)。冷卻液仍然在電池冷卻器處與冷媒進(jìn)行熱交換，被冷媒加熱后的冷卻液會(huì)將熱量傳遞到電池包處。

在一些特殊情況下，為了使電池快速升溫（大電流充電，電池溫度必須高于0 ℃），則要考慮犧牲乘員艙舒適性。此時(shí)熱泵會(huì)控制截止閥1與電子膨脹閥1關(guān)閉，打開(kāi)電子膨脹閥2，保持冷卻液循環(huán)不變，開(kāi)啟快速加熱電池包模式，這樣能使電池包快速達(dá)到可以充電或大功率放電的狀態(tài)。

3.乘員艙需要制熱&電池需要冷卻模式

這一模式通常出現(xiàn)在環(huán)境溫度較低，車輛需要進(jìn)行大功率充電時(shí)。車輛快充時(shí)間較短，乘員有很大可能性在車上等待充電，這個(gè)過(guò)程中乘員艙的制熱功能需要得到一定的保證。這時(shí)的冷媒與上述任何情況的流向都有差別，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)做功之后的冷媒會(huì)分為兩路，一部分經(jīng)過(guò)乘員艙冷凝器，另一部分經(jīng)過(guò)液冷冷凝器，后共同在電子膨脹閥2→電池冷卻器處蒸發(fā)吸熱，再經(jīng)由氣液分離器回到壓縮機(jī)。

而冷卻液循環(huán)也被八通閥分隔成了兩部分，經(jīng)過(guò)電池冷卻器的部分被冷媒冷卻后，依次經(jīng)過(guò)八通閥水口8至2→電池包→八通閥水口1至7→電子水泵1，再流入電池冷卻器形成閉環(huán)。經(jīng)過(guò)液冷冷凝器的部分與電驅(qū)動(dòng)、室外散熱器串聯(lián)，將多余的熱量帶到室外環(huán)境中。

特斯拉的這個(gè)設(shè)計(jì)十分高明，一方面，乘員艙制熱量過(guò)剩時(shí)，其中一部分可以被液冷冷凝器帶到室外環(huán)境，這部分熱量在水路循環(huán)中不會(huì)影響到電池包；另一方面，在乘員艙制熱量不足時(shí)，截止閥2被關(guān)閉，冷媒的所有熱量都會(huì)集中到乘員艙冷凝器，用來(lái)加熱乘員艙。再者，若電池散熱能力不足，還能通過(guò)八通閥讓電池水循環(huán)先經(jīng)過(guò)室外換熱器，進(jìn)一步降低循環(huán)水溫。

4. 乘員艙&電池都需要冷卻模式

這一情況即夏季正常的用車情況。此時(shí)的熱泵系統(tǒng)即作為普通的空調(diào)系統(tǒng)使用，液冷冷凝器替代了傳統(tǒng)的冷凝器進(jìn)行工作，使空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5.余熱回收模式

這一模式較為特殊，但這一模式的存在也正是熱泵空調(diào)的優(yōu)勢(shì)以及控制智能化的體現(xiàn)。余熱回收，顧名思義即將整車冗余部分的熱量存儲(chǔ)起來(lái)，以便下一次 用車時(shí)釋放。電池包因?yàn)槠鋵?duì)溫度的敏感性，表面一般都會(huì)有較好的保溫層，以維持電池的溫度恒定在一定范圍內(nèi)，這一特性使得它很適合作為車輛余熱回收的載體。冬季氣溫較低，當(dāng)車輛停車、人員離開(kāi)后，乘員艙或者電機(jī)內(nèi)部還會(huì)有一定的熱量，可通過(guò)熱泵將其存儲(chǔ)到電池包內(nèi)。

這一工況下，乘員艙內(nèi)部即為普通的制冷循環(huán)，冷媒和冷卻液在液冷冷凝器中進(jìn)行熱交換。冷卻液的循環(huán)在八通閥的控制下，是屏蔽室外散熱器的，避免熱量通過(guò)室外散熱器耗散到外部環(huán)境中。

在下一次用車時(shí)，電池包的溫度還能保持較高，熱泵系統(tǒng)就能利用這部分熱量給乘員艙進(jìn)行加熱。

06.

總結(jié)

從上面幾家的熱管理系統(tǒng)可以看出，熱管理系統(tǒng)方案逐步呈現(xiàn)出高效化，精細(xì)化，集成化的趨勢(shì)。

高效化是指系統(tǒng)能耗成為整車熱管理系統(tǒng)的重要衡量指標(biāo)。通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，高效的“熱量搬運(yùn)工”可以帶來(lái)顯著的能效提升。

精細(xì)化是指控制的精細(xì)化，新能源汽車對(duì)于熱管理系統(tǒng)精準(zhǔn)度要求大幅提高。動(dòng)力電池?zé)峁芾硇枰龅綄?duì)溫度的穩(wěn)定精確控制，同時(shí)隨著新能源汽車電機(jī)功率密度的提升及智能化程度提高帶來(lái)的半導(dǎo)體器件功耗的增加，電驅(qū)及電子器件熱管理的精準(zhǔn)度也有更高的要求。

集成模塊化是指通過(guò)合理的管路設(shè)計(jì)及排布方案，可以實(shí)現(xiàn)壓降與換熱損失的最小化，提升系統(tǒng)效率。同時(shí)，集中式的排布使得熱管理系統(tǒng)平臺(tái)化，有益于不同車型間的移植和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。協(xié)同集成式控制器后還能進(jìn)一步優(yōu)化整車線束與電子芯片，實(shí)現(xiàn)更精益的系統(tǒng)方案。

審核編輯：黃飛

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