大众1.4t汽车中冷器工作原理(大众ID.4CROZZ动力电池热管理系统结构与工作原理)

随着纯电动汽车的市场快速增长,全球各大汽车生产厂家纷纷开发出各种纯电动汽车,德国大众作为全球的汽车制造企业巨头,打造了电动化车型的生产制造平台MEB(ModularenlektrischBaukasten),MEB是德语“模块化电驱动平台”的缩写。MEB基于汽车制造模块化理念,具有极强的可拓展性,可打造不同车身轴距,并根据不同车型的需求调校出不同的续航里程,在智能化、网联化、自动化等方面实现不断升级和更新迭代。MEB以动力电池为核心,针对不同的车身形式提供更大的轴距、更短的前后悬和更大的车轮满足驾驶需求。

中国一汽-大众近期推出首款MEB车型ID.4CROZZ纯电动车,如图1所示,主要在上汽大众安亭MEB工厂和一汽-大众佛山MEB工厂生产,在整车基础结构保持不变的情况下,电池采用可缩放设计,以实现不同续航里程,每个电池模块采用55kWh及82kWh两种容量电池,不同容量的电池可提供350~550km的续航里程。ID.4CROZZ的高压电池采用独立的模块化设计,每一个电池模组里面又分为24组独立的单元电池,配备强大的热管理系统,具有直接冷却系统,确保即使在高负荷或低温情况下高压电池依然能运行在25~35℃的最佳温度范围。电流、电压和温度参数通过单元模块控制器和主控制单元进行监控。本文主要介绍ID.4CROZZ高压电池热管理系统结构、工作原理及冷却液工作循环回路。

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1 高压电池热管理系统概述

纯电动汽车由于高压电池处于不断充电、放电过程,工作时会产生大量热量,热量的产生不仅会导致电池老化,还会使得相关导体上的电阻增大,从而导致电能不是转换为机械能,而是转换成热能释放出去。因此,高压电池通常都配备有热管理系统,一般分为水冷式和风冷式,现在普遍采用水冷式。

2 高压电池热管理系统的作用

—方面由于高压部件工作时,会产生热量,若热量积聚,会影响部件的工作性能,通过此系统带走部件工作产生的多余热量;同时也可将此部分热量再利用,为空调制热提供热源。另一方面,高压电池效能会受温度变化的影响,为确保电池效能,此系统还可以为电池加热。

3 ID.4CROZZ高压电池热管理系统

ID.4CROZZ高压电池热管理系统框图如图2所示,采用Chiller对电池包冷却,采用PTC对电池包加热,全面满足电池包的高低温需求;具备电驱动余热回收功能,通过循环切换,将电机和功率电子的余热收集用于电池包预热;当电池包完成预热,对于热泵配置车型,热泵还可以进一步收集电驱动的余热供给乘员舱,全面提升冬季续航里程。可以选装CO2热泵系统,冬季续航里程提升20%~30%。

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4 ID.4CROZZ高压电池热管理系统结构组成

1)高压电池散热器

ID.4CROZZ高压电池散热器采用铝制散热器,如图3所示,安装在蓄电池外壳的外部,有助于防止蓄电池外壳中的高压组件与冷却液接触。高压蓄电池模组通过间隙填料(导热膏)与蓄电池外壳的底部连接。底部保护装置由实心铝制成,可保护散热器免受机械损坏。

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2)PTC加热器

高压电池配备了安全性能更高的水暖加热器PTC(图4),负责对高压蓄电池的冷却液进行加热,具备无级调节(PWM)功能。应用PTC加热高效节能,保证了电池低温下的良好性能。相比较MQBHV-PTC,水暖高压加热器体积更小、质量轻、能量密度大、省电性好。

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3)整车散热器

车辆前部安装的整车散热器包含冷却散热器、散热器卷帘、冷凝器、散热风扇以及相关导风栅等,如图5所示。散热器卷帘为标准装备,散热风扇优化设计、降噪,导风栅减少进风泄露,同时减低风阻,确保足够的进风量。

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4)散热器卷帘(图6)

散热器卷帘100%内置在模块化电驱动平台中,位于冷却液散热器和冷凝器(R134A)/车头气体冷却器(R744)之间。在关闭状态下,卷帘改善了车辆的空气阻力系数,然后根据需要以不同的方式打开车辆前格栅与导流件。为确保足够的进风量,对散热器前部格栅进风面积提出了类似传统车的要求。同时为减少前端进风泄露,降低风阻,并最终提高续航里程,设计了全包围密封件,并匹配进气导流件,提高机舱进气流动密封性。

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5)散热器风扇

为满足电动车更高的静音需求,首次在MEB车型采用新型风扇,能降低风扇噪音3dB(78dB→75dB),扇叶数量提升(9→10),风扇直径加大(400→480mm),从而降低转速(400r/min)。

5 ID.4CROZZ高压电池热管理系统的工作原理及冷却液循环回路

1)高压部件冷却液循环回路

ID.4CROZZ热管理系统通过管路将高压部件连接起来,同时借助冷却液及其循环,将高压部件工作产生的热量带走,确保部件不受高温的影响,如图7所示。在温度较低时,热管理系统通过PTC加热器加热冷却液,从而为高压电池进行加热,使其保持在合适的工作温度范围,减少电能损耗。

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由于冷却液与高压电池模组不会发生接触,因此冷却液膨胀罐不需要密封。管路连接复杂,维修时必须严格按照维修手册指导进行操作。

2)不带热泵的冷却液回路见图8a,带热泵的冷却液回路见图8b。

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6 ID.4CROZZ高压电池热管理系统的冷却和加热回路

1)蓄电池未冷却或未加热时,ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器旁路开启,如图9a所示。此时节温器温度<15℃,蓄电池温度为8~35℃,热泵无工作需求。节温器打开散热器旁路,蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路。此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。

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2)蓄电池被加热时,ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器旁路开启,如图9b所示。此时节温器温度<15℃,蓄电池温度<8℃,此时热泵无工作需求。节温器打开散热器旁路,蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路,蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池加热回路,此时2个冷却液泵均被激活。

3)蓄电池未冷却或未加热时,ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动,如图10a所示。此时节温器温度>15℃,蓄电池温度为8~35℃,此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路,蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路,此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。

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4)蓄电池由冷凝器热交换器冷却时,ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动,如图10b所示。此时节温器温度>15℃,车辆运行期间蓄电池温度>35℃,充电期间蓄电池温度>30℃,此时热泵无工作需求。

节温器关闭散热器旁路,蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路,蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池冷却回路,此时2个冷却液泵均被激活。

5)蓄电池由低温回路冷却时,ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动,如图11a所示。此时节温器温度>15℃,蓄电池温度>30℃,此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路,蓄电池预热混合阀2V696打开蓄电池接口,蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池冷却回路,此时2个冷却液泵均被激活。

大众1.4t汽车中冷器工作原理(大众ID.4CROZZ动力电池热管理系统结构与工作原理)(11)

6)蓄电池未冷却或未加热时,ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动,如图11b所示。此时节温器温度>15℃,蓄电池温度为8~30℃,此时热泵有工作

需求。节温器关闭散热器旁路,蓄电池预热混合阀2V696打开蓄电池接口,蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池加热回路,此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。

7 电驱动系统的冷却和加热

ID.4CROZZ的电驱动系统同样是采用液体冷却,与高压电池共用热管理系统,冷却液流入电子驱动器,首先通过电源逆变器(PI)运行,因为半导体规定了允许的最大冷却液温度。流过PI后,冷却剂通过密封管塞元件进入电机外壳的冷却水套。热量主要是由定子铜绕组的电阻损耗产生的,通过绕组绝缘层和叠片到达机壳中的冷却水套。冷却介质通过优化的周向冷却通道进入定子,并在冷却水道的末端通过冷却连接软管进入车辆的外部冷却回路,如图12所示。

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