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蘋果電動汽車熱管理技術(shù)研究
2021-10-03 09:49:12· 來源：汽車熱管理之家
【摘要】蘋果公司作為電子高科技產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)，開始逐漸重視電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從專利申請上提前進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局。熱管理系統(tǒng)是影響整車高低溫性能指標(biāo)的關(guān)鍵技
【摘要】蘋果公司作為電子高科技產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)，開始逐漸重視電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從專利申請上提前進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局。熱管理系統(tǒng)是影響整車高低溫性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，本文以蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)專利為基礎(chǔ)，對其熱管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特征工作模式進(jìn)行分析，為電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
1 前言
隨著人們生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，零排放無污染的電動汽車迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)遇，越來越多的廠家開始重視電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。除了傳統(tǒng)汽車品牌，市場上也出現(xiàn)了一批又一批的造車新勢力，其中不乏一些深耕于電子高科技產(chǎn)業(yè)多年的國際著名品牌，也提前對電動汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行提前布局。
充電速度和續(xù)駛里程是影響電動汽車市場認(rèn)可度的2個(gè)關(guān)鍵要素。隨著快充技術(shù)和電池能量密度的提升，常溫工況下的用戶使用里程焦慮情緒得到緩解。而電動汽車熱管理系統(tǒng)，是進(jìn)一步改善整車高低溫性能的關(guān)鍵。對于電動汽車而言，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題。如何實(shí)現(xiàn)電動汽車實(shí)際環(huán)境下的續(xù)駛里程和舒適性之間的平衡，是電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)急需解決的問題。本文以蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)專利為基礎(chǔ)，對其電動汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)新思路進(jìn)行分析，為電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
2 熱管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)包括1 個(gè)制冷劑回路、加熱回路、冷卻回路、電池回路和電機(jī)回路。每1個(gè)回路都包含1個(gè)熱交換器與其他子系統(tǒng)回路進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)加熱和冷卻的目的(圖1)。
制冷劑回路采用模塊化、獨(dú)立式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可封裝為1 個(gè)組件，與其他車型進(jìn)行集成，其冷媒采用R744（CO2）工質(zhì)，可在-30 ℃環(huán)境溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。在結(jié)構(gòu)布置上，相對于傳統(tǒng)空調(diào)回路，其沒有采用單獨(dú)的外置空調(diào)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(shí)現(xiàn)與加熱回路和冷卻回路之間的熱量傳遞。
圖1 蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
通過三通閥的控制，加熱回路可與制冷劑回路經(jīng)由氣液熱交換器（LCGC）進(jìn)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(jīng)由加熱回路的低溫散熱器傳遞到外界環(huán)境。同時(shí)，加熱回路上也加裝了電加熱器，在回路加熱功率不足時(shí)，可采用電能對回路進(jìn)行加熱。
冷卻回路主要用于乘員艙、電池回路和電機(jī)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(zhuǎn)移到制冷劑回路。
電池回路通過2個(gè)熱交換器分別與加熱回路和冷卻回路進(jìn)行耦合，可實(shí)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(jìn)行控制。
電機(jī)回路與冷卻回路經(jīng)由熱交換器，可實(shí)現(xiàn)熱量傳遞過程，通過引入四通閥控制，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)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。
3 熱管理系統(tǒng)工作模式分析
3.1 空調(diào)系統(tǒng)工作模式
空調(diào)系統(tǒng)主要有空調(diào)制冷模式和熱泵采暖模式2種。下面將對不同的工作模式進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3.1.1 空調(diào)制冷模式
當(dāng)環(huán)境溫度較高，乘員艙有制冷需求，熱管理系統(tǒng)進(jìn)入空調(diào)制冷模式，為乘員艙進(jìn)行制冷，其工作過程如圖2所示。
制冷劑回路中的壓縮機(jī)對空調(diào)冷媒進(jìn)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(diào)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(jìn)行散熱。經(jīng)氣液熱交換器（LCGC）冷卻后的氣態(tài)空調(diào)冷媒，相變?yōu)楦邏阂簯B(tài)工質(zhì)，經(jīng)由膨脹閥進(jìn)行膨脹減壓，空調(diào)冷媒變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)，在冷媒-水熱交換器（Chiller）內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，對冷卻回路進(jìn)行制冷。冷卻回路通過冷卻芯體，對乘員艙進(jìn)行制冷。
圖2 空調(diào)制冷模式
該制冷方式，不同于傳統(tǒng)蒸發(fā)器制冷方式，通過冷卻回路的工質(zhì)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)對乘員艙間接制冷的目的，其具有制冷響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，但可避免冷媒工質(zhì)在乘員艙的泄露風(fēng)險(xiǎn)。
3.1.2 熱泵采暖模式
當(dāng)環(huán)境溫度較低，乘員艙有采暖需求，熱管理系統(tǒng)進(jìn)入熱泵采暖模式，為乘員艙進(jìn)行加熱，其工作過程如圖3所示。
圖3 熱泵制熱模式
制冷劑回路中的壓縮機(jī)對空調(diào)冷媒進(jìn)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(diào)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(jīng)氣液熱交換器（LCGC）冷卻后的氣態(tài)空調(diào)冷媒，相變?yōu)楦邏阂簯B(tài)工質(zhì)，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)，在冷媒-水熱交換器（Chiller）內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，實(shí)現(xiàn)冷卻回路中的熱量向加熱回路中轉(zhuǎn)移的目的。加熱回路通過加熱芯體，對乘員艙進(jìn)行制熱。
如果環(huán)境溫度較低，冷卻回路沒有足夠的熱量，制冷劑回路無法得到足夠的熱量用于乘員艙加熱，則啟用加熱回路的電加熱器，采用電能為加熱回路進(jìn)行加熱，通過流經(jīng)暖風(fēng)芯體的液態(tài)工質(zhì)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對乘員艙的加熱過程。
3.2 電機(jī)系統(tǒng)工作模式
電機(jī)系統(tǒng)冷卻模式主要有自循環(huán)模式、散熱器冷卻模式和熱泵散熱模式3種。
3.2.1 電機(jī)自循環(huán)模式
在環(huán)境溫度較低，整車?yán)鋯庸r下，電機(jī)本體溫度超過一定值，電機(jī)水泵開啟，同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)回路的四通閥開啟狀態(tài)，控制電機(jī)回路冷卻液流動方向，對電機(jī)回路的低溫散熱器和冷卻回路進(jìn)行旁通，通過電機(jī)回路各部件自身的發(fā)熱量為電機(jī)回路進(jìn)行加熱，與其他回路無熱量交互，電機(jī)回路溫度可快速升高到合適的工作溫度，如圖4所示。
圖4 電機(jī)自循環(huán)模式
3.2.2 散熱器冷卻模式
當(dāng)電機(jī)溫度較高，電機(jī)有冷卻需求，電機(jī)回路通過調(diào)節(jié)四通閥的開啟狀態(tài)，控制冷卻液流經(jīng)低溫散熱器，對電機(jī)回路進(jìn)行冷卻，如圖5所示。
圖5 散熱器冷卻模式
另外，四通閥的控制可實(shí)現(xiàn)不同出口的流量控制，通過控制流經(jīng)散熱器和旁通散熱器的流量，可增加對電機(jī)回路的溫度控制維度。
3.2.3 熱泵散熱模式
圖6所示為，當(dāng)環(huán)境溫度較低，乘員艙或動力電池有加熱需求，通過調(diào)節(jié)電機(jī)回路的四通閥開啟狀態(tài)，把電機(jī)回路冷卻液引入到與冷卻回路相耦合的熱交換器（Heat Exchanger,HXR），把電機(jī)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(shí)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(jīng)過氣液熱交換器（LCGC）轉(zhuǎn)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(jìn)行加熱。
圖6 熱泵散熱模式
需要指出，當(dāng)電機(jī)回路有冷卻需求時(shí)，可通過電機(jī)回路四通閥控制一部分流量，流經(jīng)電機(jī)散熱器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)回路的多余熱量向外界環(huán)境散熱的目的。當(dāng)電機(jī)回路無冷卻需求時(shí)，電機(jī)回路也需要進(jìn)入熱泵散熱模式，優(yōu)先對乘員艙或電池進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)熱泵循環(huán)過程，如果電機(jī)回路冷卻液溫度低于環(huán)境溫度，可控制部分冷卻液流經(jīng)電機(jī)散熱器，此時(shí)散熱器可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)冷卻液的加熱作用，實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的熱量向制冷劑回路的轉(zhuǎn)移，一定程度上彌補(bǔ)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。
3.3 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。
3.3.1 電池自循環(huán)模式
當(dāng)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(shí)通過調(diào)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(jīng)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(shí)現(xiàn)電池回路自循環(huán)，如圖7所示。
圖7 電池自循環(huán)模式
3.3.2 電池加熱模式
當(dāng)環(huán)境溫度較低，電池系統(tǒng)處于低溫狀態(tài)，其充放電功率受到限制，影響整車性能。為了保證電池系統(tǒng)能夠快速的進(jìn)入正常工作狀態(tài)，電池系統(tǒng)發(fā)出加熱請求，電池進(jìn)入加熱模式，如圖8所示。
圖8 電池加熱模式
在該模式下，電池回路水泵開啟，調(diào)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(jìn)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(jìn)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(jī)回路作為熱源，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)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(jìn)行加熱，通過熱交換器把熱量傳遞到電池回路。
3.3.3 電池冷卻模式
當(dāng)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(jìn)入冷卻模式，如圖9所示。
圖9 電池冷卻模式
在該模式下，電池回路水泵開啟，調(diào)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(jìn)行熱交換，把電池回路的多余熱量轉(zhuǎn)移到冷卻回路。
當(dāng)環(huán)境溫度較低，電機(jī)回路溫度低于電池回路溫度一定值，同時(shí)乘員艙無制冷需求，為了減少電量消耗，可通過冷卻回路與電機(jī)回路相耦合的熱交換器，把冷卻回路的熱量轉(zhuǎn)移到電機(jī)回路，間接實(shí)現(xiàn)電機(jī)回路為電池回路冷卻的目的。
當(dāng)環(huán)境溫度高于一定值，或者乘員艙有制冷需求的情況下，冷卻回路通過冷媒-水熱交換器（Chiller）與制冷劑回路進(jìn)行熱交換，制冷劑回路把冷卻回路的熱量通過散熱器轉(zhuǎn)移到外界環(huán)境，間接實(shí)現(xiàn)制冷劑回路對電池回路的冷卻。
需要特別說明的是，以上空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的工作模式，僅是典型的熱管理工作模式，各模式并非完全相互獨(dú)立，根據(jù)所處環(huán)境和整車運(yùn)行工況，可能需要不同的工作模式或組合，具體采用何種熱管理工作模式需要根據(jù)整車實(shí)際運(yùn)行工況而定。
3.4 熱管理回路交互關(guān)系
針對蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)，按照總成和熱管理需求上，把整個(gè)熱管理系統(tǒng)分成制冷劑回路、加熱回路、冷卻回路、電機(jī)回路和電池回路。其中電機(jī)回路和電池回路屬于總成回路，發(fā)出熱管理請求；制冷劑回路、加熱回路和冷卻回路屬于熱管理需求回路，其目的是滿足總成的熱管理請求。
根據(jù)不同熱管理系統(tǒng)工作模式分析，可對蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)5 個(gè)回路之間的相互關(guān)系進(jìn)行匯總，如圖10所示。
圖10 熱管理回路交互關(guān)系示意
采用R744 作為冷媒工質(zhì)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(jìn)行直接交互，實(shí)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(shí)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(jìn)行直接交互，滿足電池系統(tǒng)的加熱和冷卻需求。電機(jī)回路與冷卻回路通過熱交換器（HXR）進(jìn)行直接交互，以滿足電機(jī)回路的冷卻需求。
另外，電機(jī)回路的熱量可借助多個(gè)熱交換器，通過冷卻回路-制冷劑回路-加熱回路-電池回路的路徑，實(shí)現(xiàn)向電池回路的熱量轉(zhuǎn)移，為低溫環(huán)境下的電池進(jìn)行加熱。同時(shí)，電池回路的熱量，在某些特定工況下，可通過冷卻回路-電機(jī)回路的路徑轉(zhuǎn)移到電機(jī)回路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)回路對電池回路的被動冷卻過程。
4 結(jié)論
（1）蘋果開始逐漸重視電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從專利上進(jìn)行電動汽車產(chǎn)業(yè)的提前布局，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)上提出新的思路。
（2）蘋果熱管理系統(tǒng)，按照總成和熱管理需求，把整個(gè)熱管理系統(tǒng)分成5個(gè)熱管理回路，各回路之間通過熱交換器進(jìn)行交互，可對各回路之間的熱量進(jìn)行平衡。
（3）蘋果熱管理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)各回路之間的相互獨(dú)立，便于熱管理系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，方便熱管理系統(tǒng)在整車組裝過程中進(jìn)行提前裝配和集成。
作者：胡志林 張?zhí)鞆?qiáng) 楊鈁
中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院
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