蘋果電動汽車熱管理技術研究

胡志林 張?zhí)鞆?楊鈁

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：蘋果公司 電動汽車 熱管理 工作模式

1 前言

隨著人們生活水平的提高，環(huán)境保護意識的增強，零排放無污染的電動汽車迎來了蓬勃發(fā)展的機遇，越來越多的廠家開始重視電動汽車產業(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業(yè)多年的國際著名品牌，也提前對電動汽車產業(yè)進行提前布局。

充電速度和續(xù)駛里程是影響電動汽車市場認可度的2個關鍵要素。隨著快充技術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)，是進一步改善整車高低溫性能的關鍵[1-2]。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。如何實現(xiàn)電動汽車實際環(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)設計急需解決的問題[4-6]。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。

2 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。

圖1 蘋果電動汽車熱管理系統(tǒng)拓撲結構[3]

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。

3 熱管理系統(tǒng)工作模式分析

3.1 空調系統(tǒng)工作模式

空調系統(tǒng)主要有空調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行詳細介紹。

3.1.1 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。

圖2 空調制冷模式[3]

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循環(huán)，實現(xiàn)空調系統(tǒng)對乘員艙間接制冷的目的，其具有制冷響應速度慢的缺點，但可避免冷媒工質在乘員艙的泄露風險。

3.1.2 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。

圖3 熱泵制熱模式[3]

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。

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行加熱，通過流經暖風芯體的液態(tài)工質循環(huán)，實現(xiàn)對乘員艙的加熱過程。

3.2 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。

3.2.1 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。

圖4 電機自循環(huán)模式[3]

3.2.2 散熱器冷卻模式

當電機溫度較高，電機有冷卻需求，電機回路通過調節(jié)四通閥的開啟狀態(tài)，控制冷卻液流經低溫散熱器，對電機回路進行冷卻，如圖5所示。

圖5 散熱器冷卻模式[3]

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。

3.2.3 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（Heat Exchanger,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。根據需要，加熱回路可對乘員艙或電池回路進行加熱。

圖6 熱泵散熱模式[3]

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。

3.3 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。

圖7 電池自循環(huán)模式[3]

3.3.2 電池加熱模式

當環(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)能夠快速的進入正常工作狀態(tài)，電池系統(tǒng)發(fā)出加熱請求，電池進入加熱模式，如圖8所示。

圖8 電池加熱模式[3]

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。

3.3.3 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。

圖9 電池冷卻模式[3]

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。

當環(huán)境溫度較低，電機回路溫度低于電池回路溫度一定值，同時乘員艙無制冷需求，為了減少電量消耗，可通過冷卻回路與電機回路相耦合的熱交換器，把冷卻回路的熱量轉移到電機回路，間接實現(xiàn)電機回路為電池回路冷卻的目的。

當環(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）與制冷劑回路進行熱交換，制冷劑回路把冷卻回路的熱量通過散熱器轉移到外界環(huán)境，間接實現(xiàn)制冷劑回路對電池回路的冷卻。

需要特別說明的是，以上空調系統(tǒng)、電機系統(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立，根據所處環(huán)境和整車運行工況，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整車實際運行工況而定。

3.4 熱管理回路交互關系

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，把整個熱管理系統(tǒng)分成制冷劑回路、加熱回路、冷卻回路、電機回路和電池回路。其中電機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 個回路之間的相互關系進行匯總，如圖10所示。

圖10 熱管理回路交互關系示意

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。

另外，電機回路的熱量可借助多個熱交換器，通過冷卻回路-制冷劑回路-加熱回路-電池回路的路徑，實現(xiàn)向電池回路的熱量轉移，為低溫環(huán)境下的電池進行加熱。同時，電池回路的熱量，在某些特定工況下，可通過冷卻回路-電機回路的路徑轉移到電機回路，實現(xiàn)電機回路對電池回路的被動冷卻過程。

4 結論

（1）蘋果開始逐漸重視電動汽車產業(yè)的發(fā)展，從專利上進行電動汽車產業(yè)的提前布局，在熱管理系統(tǒng)設計上提出新的思路。

（2）蘋果熱管理系統(tǒng)，按照總成和熱管理需求，把整個熱管理系統(tǒng)分成5個熱管理回路，各回路之間通過熱交換器進行交互，可對各回路之間的熱量進行平衡。

（3）蘋果熱管理系統(tǒng)，在結構上實現(xiàn)各回路之間的相互獨立，便于熱管理系統(tǒng)模塊化設計，方便熱管理系統(tǒng)在整車組裝過程中進行提前裝配和集成。