奧迪e-tron純電動汽車的熱能管理系統

◆文/山東 劉春暉 劉倩

(作者劉倩工作單位：安徽省汽車工業學校)

一、溫度管理系統

從熱力學角度講，溫度管理指的是對能量流的控制，尤其是熱流的控制；從車輛技術角度講，溫度管理指的是車上與能量相關的熱效率的優化。在電驅動車上，溫度管理的目的是要降低功耗，從而提高可達里程。另外，溫度管理系統還負責調控電動部件(比如高壓蓄電池、充電器、電機及其相關件)。當然，保持車內溫度舒適，也是溫度管理系統的任務。

溫度管理系統的目標是電動部件產生的余熱不能不利用就排到大氣里，要實現檢查一下車上部件的熱量需求情況。因為內燃機上廢氣溫度與大氣溫度之間的溫度差，要遠大于電驅動裝置電機的溫度差。比如：溫度管理系統應在所有情況下都將高壓蓄電池的溫度保持在約25～35℃這個效率最佳的溫度區間。這意味著從冬季月份的冷啟動到炎熱夏季的高速公路上的快速行駛，這些工況都考慮到了。

如圖1所示，奧迪e-tron上的溫度管理系統由4個循環管路構成，這幾個循環管路可按需要以不同方式彼此連接在一起，以便對車內和電動系統加熱或者冷卻。這4個循環管路通過智能的彼此相連，收集來自電機、功率電子裝置和高壓蓄電池的余熱。熱泵可使之到達更高溫度，從而可用于加熱車內。熱循環不但用于加熱車內，還可以用于給高壓蓄電池提供熱量。奧迪e-tron熱能管理系統主要部件一覽如圖2所示，該圖展示了車上制冷劑循環管路、加熱循環管路、高壓蓄電池和電驅動系統冷卻循環管路的管路和軟管。

1.制冷劑循環

如圖3所示，制冷劑環路分為兩個支路：一個支路用于車內空調，另一個支路冷卻高壓蓄電池(通過高壓蓄電池熱交換器E)。車內空調部件(從制冷劑循環管路開始)也能在圖3中看到：電動空調壓縮機V470，制冷劑壓力和制冷劑溫度傳感器1 G395，制冷劑壓力和制冷劑溫度傳感器2 G826，閥體B，冷凝器1，制冷劑循環管路止回閥2，內部熱交換器3和加熱/空調器A。

制冷劑在熱膨脹閥4內卸壓，這樣就可吸收車內的熱量并引走熱量了。隨后制冷劑再次返回到電動空調壓縮機。

用于經高壓蓄電池熱交換器E來對高壓蓄電池實施冷卻的制冷劑循環管路要素如下(按功能順序)：在制冷劑再次經過冷凝器1、制冷劑循環管路上的止回閥2后，壓縮并冷卻下來的制冷劑流向制冷器E，在制冷劑膨脹閥2 N637內膨脹并急劇冷卻(就像空調器那樣的)，吸收冷卻環路中的熱量并返回到電動空調壓縮機V470。目前使用的制冷劑是R1234yf。

制冷劑循環管路的相互連接的第三種形式，是使用熱泵的情況。在這種情況時，高壓蓄電池的熱交換器E會吸收熱量，在電動空調壓縮機V470中壓縮并繼續加熱但并不卸壓，以便把這些在熱泵工作模式的熱交換器F(連同冷凝器)內的熱量傳送給車內空間加熱循環管路來加熱車內。

2.加熱循環管路

如圖3所示，有兩個加熱循環管路：一個只用于通過高壓加熱器或者熱泵來給車輛內部空間加熱，另一個是在充電時給高壓蓄電池加熱。高壓加熱器(PTC)Z115 (另有一個選裝的高壓加熱器2(PTC)Z190，是串聯的)用于加熱流經的冷卻液，冷卻液經溫度管理系統冷卻液溫度傳感器2 G903去往熱交換器8，這些熱量就把車內空間加熱了。被加熱了的冷卻液由溫度管理系統冷卻液泵2 V618來進行輸送并流經熱泵工作模式的熱交換器F(連同冷凝器)。冷卻液切換閥1 N632可實現各種加熱循環管路組合的切換。

3.高壓蓄電池冷卻循環管路

如圖3所示，高壓蓄電池冷卻循環管路在AC充電時會對高壓蓄電池1 AX2和高壓蓄電池充電器1和2(AX4和AX5)進行冷卻。高壓蓄電池可以被動地通過低溫散熱器來進行冷卻，也可以主動地由制冷器通過制冷劑循環管路來冷卻。高壓蓄電池充電器1和2(AX4和AX5)是通過低溫散熱器來冷卻的。

兩個冷卻液切換閥N634和N635負責管控高壓蓄電池冷卻循環管路是單獨工作還是與加熱循環管路或者與電驅動系統冷卻循環管路一同工作。目前使用的冷卻液是G12evo。根據具體使用的國度情況，該冷卻液是40%冷卻液添加劑加60%蒸餾水，或者是50%冷卻液添加劑加50%蒸餾水。

4.電驅動系統的冷卻循環管路

如圖3所示，溫度管理系統冷卻液泵4 V620輸送的液流會經過前橋和后橋上的電驅動裝置控制單元J1234、J1235和電驅動裝置電機V662、V663。冷卻液從這里到達低溫散熱器10(帶著散熱器風扇V7)。這個散熱器有個通氣管經冷卻液不足傳感器G32通入到膨脹罐內。

冷卻液在流經低溫散熱器后，經冷卻液切換閥2 N633又被送回到溫度管理系統冷卻液泵4 V620了。

二、溫度管理系統的應用情形

在下述應用情形中，具體是發生了哪種情況、該情況發生了多長時間，是由溫度管理系統控制單元J1024來測得的。該控制單元隨后會激活冷卻液切換閥、制冷劑截止閥、空調壓縮機等，并相應地切換各種應用情形。

這些情形并不是上面4個循環管路的所有可能的互連組合情況。下面的應用情形展示的是車上溫度管理系統的典型互連情況。部件和元件的具體名稱可參見圖3。

1.車內空間和電驅動裝置電機的冷卻

如圖4所示，在這個應用示例中，對車內空間以及前橋和后橋上電驅動裝置電機(連同相應的電驅動控制單元)進行冷卻。前橋和后橋上的電驅動控制單元和電驅動裝置電機是被動地由低溫散熱器來冷卻的。所謂被動的，指不是通過制冷劑接口來實施冷卻的，只是通過高于外部溫度的約為5～10℃的溫差來實施冷卻的。

車輛內部空間是主動冷卻式的，就是說：是通過傳統的制冷劑循環管路以制冷劑的壓縮和卸壓方式在空調器內實施冷卻的。于是車內空間的熱量就被吸收了并引走了。

2.車內空間、電驅動裝置電機和高壓蓄電池的冷卻

圖5原理示意圖所展示的就是車內空間、電驅動裝置電機和高壓蓄電池的冷卻情況。高壓蓄電池是通過高壓蓄電池熱交換器(制冷器)的接口來主動冷卻的。通過制冷劑膨脹閥把壓縮了的制冷劑送往制冷器(原理與車內制冷劑回路一樣，且與車內制冷劑回路同時進行)。

制冷劑在制冷器內卸壓，就可以從高壓蓄電池冷卻回路中吸收高壓蓄電池的余熱，并將余熱用制冷劑帶走。高壓蓄電池的理想工作溫度在約25～35℃之間，溫度超過約35℃就會實施這個冷卻了。

3.重新加熱車內空間和熱泵(冷卻、除濕、加熱)

重新加熱的意思是，先把空氣冷下來(也就除濕了)，以便隨后再加熱來使得車內空間熱起來。這樣可防止車窗玻璃起霧。具體說是通過高壓蓄電池熱交換器E來讓制冷劑吸收來自電驅動系統冷卻循環管路內的熱量，隨后被加熱了的制冷劑流經電動空調壓縮機而被加熱到一個很高的溫度。

這種熱而未卸壓的制冷劑流經熱泵工作模式的熱交換器F(連同冷凝器)，可以把先前吸收的并劇增的熱量傳送到車內空間的加熱循環管路中，由解熱/空調器將這些熱量釋放到車內。當車外溫度在約5～20℃時該功能會被激活。

對車內的加熱是通過接通高壓加熱器來實現的，這時熱泵并未工作。電驅動系統冷卻循環管路只是通過低溫散熱器來以被動方式在進行冷卻，對車內加熱并無熱效應作用。

4.用熱泵加熱車內空間

將電驅動系統冷卻循環管路中的余熱在不激活高壓蓄電池熱交換器E中的低溫冷卻器的情況下，傳至空調循環管路中的制冷劑中。制冷劑在空調壓縮機中被壓縮，從而把先前已吸收的余熱升到一個更高的溫度。

熱的制冷劑將熱泵工作模式的熱交換器F(連同冷凝器)中的熱能傳至車內加熱循環管路。出于效率的原因，熱泵僅在車外溫度在約-20～20℃之間時才會激活去工作。

5.在DC充電時通過制冷器對高壓蓄電池進行冷卻

圖6所示應用情形涉及的是直流充電過程。制冷劑在電動空調壓縮機中被壓縮、在冷凝器中冷下來并被送往高壓蓄電池熱交換器E。制冷劑通過制冷劑膨脹閥卸壓，這種強冷就可以吸收充電時高壓蓄電池冷卻循環管路中的余熱了，余熱隨制冷劑就被帶走了。

電驅動系統的冷卻循環管路是被動冷卻的，與此無關。部件溫度在超過約35℃時，就會對高壓蓄電池實施冷卻了。對車內的冷卻目前是優先于蓄電池冷卻的。

6.在DC充電時通過低溫散熱器對高壓蓄電池進行冷卻

這個應用情形涉及的也是直流充電過程。高壓蓄電池的冷卻循環管路與電驅動系統的冷卻循環管路彼此相連。

冷卻液吸收高壓蓄電池的預熱后流經電驅動裝置電機和相應的電驅動裝置控制單元并流向低溫散熱器。冷卻液在低溫散熱器中把吸收的熱量釋放到大氣中。

7.在AC充電時通過低溫散熱器對充電器進行冷卻

這個應用情形涉及的是交流充電過程。高壓蓄電池的冷卻循環管路與電驅動系統的冷卻循環管路彼此相連。用交流電充電時，充電器會熱起來，產生的熱量通過高壓蓄電池充電器1和2(AX4和AX5)被高壓蓄電池冷卻循環管路吸收。

冷卻液經電驅動裝置電機和相應的電驅動裝置控制單元并流向低溫散熱器。冷卻液在低溫散熱器中把充電時所吸收的熱量釋放到大氣中，循環管路就關閉了。

8.在DC充電時對高壓蓄電池進行加熱

在用直流進行充電的過程中，高壓加熱器在需要時會對冷卻液進行加熱。冷卻液在流經加熱/空調器后流向冷卻液切換閥2 N633，該閥將冷卻液導向高壓蓄電池。于是熱起來的冷卻液就把熱量傳給高壓蓄電池了。

冷卻液流經高壓蓄電池后會在循環管路中再循環。另外，電驅動系統的循環管路內總是保持著一個最小冷卻液流量。在溫度低于-10℃時就會對高壓蓄電池進行加熱了。

9.分別沖刷高壓蓄電池冷卻循環管路和電驅動裝置冷卻循環管路

沖刷時，冷卻液僅是在冷卻循環管路中循環，不加熱也不冷卻。沖刷的目的是想讓冷卻循環管路上的部件熱度均勻，比如讓高壓蓄電池內部溫度或者電驅動裝置電機溫度相同。

高壓蓄電池冷卻循環管路和電驅動系統冷卻循環管路可分別沖刷(各自作為單獨的回路)，或者把這兩個循環管路合在一起沖刷。

三、溫度管理系統控制單元J1024

溫度管理系統控制單元J1024(圖7)通過各種傳感器來測量溫度管理系統4個循環管路的實際狀態，在分析這些情況后會通過車上制冷劑循環管路和冷卻循環管路上的執行元件來調整規定狀態。傳感器比如有制冷劑壓力和制冷劑溫度傳感器以及各種冷卻液溫度傳感器。執行元件比如有電動空調壓縮機、制冷劑截止閥、冷卻液泵、冷卻切換閥以及截止閥和散熱器風扇。

這些讀取的輸入量被轉換成用于操控執行元件的輸出量。溫度管理系統控制單元J1024根據這些輸入參數并使用特定的算法，就總是可以把車上的溫度管理系統調節到一個最佳狀態，并使得車輛處于能量使用最佳狀態。具體來講，就是將制冷劑循環管路和冷卻循環管路以各種方式相互連接，形成單獨的或者組合式的循環管路。

四、熱泵和高壓蓄電池熱交換器以及制冷劑循環閥總成

如圖8所示，在支座、支架以及底板上安裝有閥體(帶有制冷劑截止閥N640、N641、N642、N643)、制冷劑循環止回閥、高壓蓄電池熱交換器、熱泵工作模式熱交換器(帶有冷凝器)以及制冷劑膨脹閥2N637等部件，這些部件合成一個總成。該總成在保險杠后面的左前輪前方(按車輛行駛方向看)。為清晰起見，沒有在圖上畫出用于安裝部件的支座、支架。

五、冷卻液膨脹罐

六、冷卻液切換閥和水泵

冷卻液膨脹罐的結構如圖9所示，冷卻液在最高加注量線時容量約為2.0L，冷卻液在最低加注量線時容量約為1.57L。當膨脹罐內冷卻液量約為0.4L時，冷卻液不足傳感器G32會觸發警報。冷卻液膨脹罐理論總容量約為3.0L。旋開封蓋會進空氣，因此該膨脹罐最多能加注約2.7L冷卻液。

注意：如果尚未加注冷卻液或者系統尚未排氣，不得移動或拖動車輛，否則總成有損壞的可能。即使是在維修后僅補加了少量冷卻液，也必須給冷卻系統排氣。

冷卻液切換閥和水泵的安裝位置如圖10所示，冷卻液切換閥通過不同的工作位位置，就可以對加熱循環管路、高壓蓄電池冷卻循環管路和電驅動系統冷卻循環管路進行組合或者分離。

于是就可以實現前面我們講過的那些溫度管理系統的應用情形了。水泵(冷卻液泵)負責讓冷卻液在加熱循環管路、高壓蓄電池冷卻循環管路和電驅動系統冷卻循環管路中流動起來。