捷豹I-PACE純電動汽車熱管理系統(tǒng)介紹(一)

◆文/河北 石德恩

一、電動驅(qū)動冷卻液回路

1.電動驅(qū)動冷卻液回路概述

捷豹I-PACE純電動汽車采用了先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)綜合利用液冷方式、熱交換器和增強(qiáng)型空調(diào)系統(tǒng)，其中還包含一個熱泵流程。熱管理系統(tǒng)不僅為駕駛員和乘客保持了舒適的環(huán)境，還用于恒定保持20～25℃的高壓(HV)蓄電池理想工作溫度，這可確保HV蓄電池以最佳效率進(jìn)行工作，從而在所有條件下實現(xiàn)最長的續(xù)航里程。熱管理系統(tǒng)包括冷卻液回路和空調(diào)(制冷)系統(tǒng)。本文首先介紹冷液卻回路，I-PACE具有三個冷卻液回路：①電動驅(qū)動回路(9L)；②座艙回路(3L)；③高壓(HV)蓄電池回路(7L)。

三個冷卻回路總圖如圖1所示。這三個回路彼此獨立工作，并由不同的控制模塊進(jìn)行控制。每個回路都有自己的獨立控制的電動冷卻液泵、電磁閥或比例閥。車輛上安裝了兩個冷卻液副水箱，一個位于HV蓄電池回路中，另一個位于電動驅(qū)動回路中。HV蓄電池回路具有獨立的冷卻液，電動驅(qū)動回路和座艙回路使用相同的冷卻液和副水箱。車輛中總共容納了19L乙二醇基冷卻液。

電動驅(qū)動回路中的每個部件都有自己的最佳工作溫度，例如，對于電子部件來說，溫度越低越好，這包括驅(qū)動電機(jī)；而對于傳輸效率來說，溫度較高時效率才能更好?；芈分械牟考梢宰匀坏厣郎兀?dāng)它們達(dá)到自己的最佳工作溫度時，電動泵將會運(yùn)轉(zhuǎn)，讓冷卻液循環(huán)流過系統(tǒng)，并保持這個最佳溫度。冷卻效果由通過電動冷卻液泵轉(zhuǎn)速決定的冷卻液循環(huán)速度以及電動驅(qū)動回路散熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷卻將會防止HV部件過熱和關(guān)閉。電動驅(qū)動回路中的冷卻液的標(biāo)稱工作溫度為高于環(huán)境溫度15～20℃的溫度。

電力驅(qū)動冷卻液系統(tǒng)部件如圖2所示，電力驅(qū)動冷卻液系統(tǒng)控制以下部件的溫度：①電力驅(qū)動單元(EDU)(2個)；②電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)(2個)；③直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器；④接線車載充電模塊；⑤無線車載充電模塊(如已配備)。

除上述部件外，電力驅(qū)動冷卻液系統(tǒng)由以下部件組成：①電力驅(qū)動冷卻液泵；②電力驅(qū)動冷卻液控制閥；③電力驅(qū)動冷卻器；④電力驅(qū)動散熱器；⑤冷卻風(fēng)扇；⑥電力驅(qū)動冷卻液膨脹箱；⑦電力驅(qū)動冷卻液溫度傳感器(2個)。

2.電力驅(qū)動冷卻液膨脹箱

膨脹箱如圖3所示，膨脹箱安裝了一個液位傳感器，液位傳感器通過硬接線連接至動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)。電力驅(qū)動冷卻液膨脹箱提供以下功能：①加注點；②在預(yù)熱過程中為電力驅(qū)動冷卻液的膨脹提供容積；③分離電力驅(qū)動冷卻液中的空氣；④系統(tǒng)加壓；⑤釋放壓力。

圖1 冷卻液回路總圖

注意：冷卻液副水箱的額定最高壓力為1.1bar (1bar=105Pa)。電動冷卻液泵的輸出壓力最高為0.7bar。

3.電力驅(qū)動冷卻液泵

電力驅(qū)動冷卻液泵如圖4所示，它由來自動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)的脈寬調(diào)制(PWM)信號控制，驅(qū)動冷卻液在系統(tǒng)循環(huán)。電力驅(qū)動冷卻液泵吸收來自膨脹箱的冷卻液，加壓后輸出至控制閥。

4.電動驅(qū)動冷卻液控制閥(比例閥)

電動驅(qū)動冷卻液控制閥如圖5所示，此閥根據(jù)需要，將冷卻液從電力驅(qū)動冷卻液泵輸送至電力驅(qū)動散熱器或電力驅(qū)動冷卻器，或以上兩者。具體取決于冷卻需求，方向與LIN總線控制信號相關(guān)。

5.電力驅(qū)動散熱器

I-PACE配備了一個三級冷卻模塊，該模塊位于車輛前部，在格柵的后方。三級冷卻模塊分別是：①第1級，HV蓄電池回路散熱器；②第2級，電動驅(qū)動回路散熱器；③第3級，外部熱交換器(OHE)電力驅(qū)動散熱器位于車輛前部格柵的后方和電動車(EV)蓄電池散熱器的后方，如圖6所示。電力驅(qū)動冷卻液流經(jīng)電力驅(qū)動散熱器，來幫助冷卻液進(jìn)行冷卻。如果前進(jìn)速度不足以充分冷卻電力驅(qū)動冷卻液，可以操作電動冷卻風(fēng)扇。為了幫助冷卻系統(tǒng)的溫度管理，車輛配備了主動格柵。主動格柵由來自動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)中的局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)信號進(jìn)行控制。電動可變速度冷卻風(fēng)扇安裝在連接至散熱器后部的防塵罩中，動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)通過脈寬調(diào)制(PWM)信號控制冷卻風(fēng)扇。

6.電力驅(qū)動冷卻器

電力驅(qū)動冷卻器如圖7所示，電力驅(qū)動冷卻器用于熱量交換和傳輸。它分別與電力驅(qū)動冷卻液以及空調(diào)(A/C)制冷劑連接。在兩個系統(tǒng)之間進(jìn)行熱量傳輸。這2個系統(tǒng)沒有直接接通。當(dāng)需要啟動熱泵模式1或3以執(zhí)行以下操作時，對座艙冷卻液回路進(jìn)行加熱，從電動驅(qū)動冷卻液回路中吸取熱量。供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)模塊將會請求動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)將高溫冷卻液轉(zhuǎn)移至電動驅(qū)動冷卻器。流至電動驅(qū)動冷卻器的冷卻液液流由比例閥進(jìn)行控制。然后，根據(jù)冷卻需求，冷卻液液流將會流至電動驅(qū)動冷卻器和電動驅(qū)動回路散熱器。空調(diào)制冷劑回路將會吸收電動驅(qū)動回路中的熱量。然后，該熱量以及由空調(diào)壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量將被一起用于通過座艙回路中的間接冷凝器對座艙冷卻液回路進(jìn)行加熱。

該模式僅在環(huán)境空氣溫度在-10℃～5℃之間時激活。如果環(huán)境空氣溫度高于15℃，則系統(tǒng)將不需要利用來自電動驅(qū)動回路的熱量來加熱座艙冷卻回路。熱泵具有3個模式，我們將在后續(xù)的空調(diào)部分中對其進(jìn)行更加詳細(xì)的說明。

圖4 電力驅(qū)動冷卻液泵

圖5 電動驅(qū)動冷卻液控制閥

圖6 電力驅(qū)動散熱器

圖7 電力驅(qū)動冷卻器

7.4路接頭

4路接頭如圖8所示，它位于有線車載充電模塊附近。4路接頭提供以下連接：①至無線車載充電模塊冷卻液入口的連接(如已配備)或后EPIC(未配備無線車載充電模塊)；②至直接-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器冷卻液進(jìn)口的連接；③來自電力驅(qū)動散熱器出口的連接；④來自電力驅(qū)動冷卻器出口的連接。

其上還有一個位置用于其中一個電力驅(qū)動冷卻液溫度傳感器。

圖8 4路接頭

8.電力驅(qū)動冷卻液溫度傳感器

如圖9所示，有2個電力驅(qū)動冷卻液溫度傳感器。1個傳感器位于有線車載充電模塊附近的4路接頭上。另1個位于電力驅(qū)動冷卻液控制閥和電力驅(qū)動冷卻液泵之間的冷卻液管道上。另外，在2個電力驅(qū)動單元(EDU)各有1個溫度傳感器，以監(jiān)控其溫度。溫度將傳送至相關(guān)的電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)。隨后通過Flexray將溫度傳送至動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)。動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)使用此溫度來控制冷卻系統(tǒng)部件的操作，以維持系統(tǒng)內(nèi)的最佳溫度。

圖9 電力驅(qū)動冷卻液溫度傳感器

9.電力驅(qū)動冷卻液回路及溫度控制

圖10 電力驅(qū)動冷卻液回路示意圖

圖11 電力驅(qū)動冷卻系統(tǒng)控制框圖

電力驅(qū)動冷卻液回路如圖10所示，電力驅(qū)動冷卻系統(tǒng)控制框圖如圖11所示。溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計目的是維持電力驅(qū)動單元(EDU)和電子系統(tǒng)處于最佳工作溫度。EDU中的傳感器監(jiān)測裝置中的溫度。溫度傳感器的輸出從EDU傳送入相應(yīng)的電力變頻轉(zhuǎn)換器(EPIC)。EPIC通過Flexray將EDU溫度信息傳送至動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)。冷卻系統(tǒng)中配備2個溫度傳感器。其中1個位于4路接頭中，1個位于電力驅(qū)動冷卻液控制閥和電力驅(qū)動冷卻液泵之間的冷卻液軟管中。傳感器的輸出信號發(fā)送到PCM。直流至直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器和車載充電模塊的溫度也被傳送至PCM。

PCM使用溫度數(shù)據(jù)和其他車輛數(shù)據(jù)確定所需的冷卻液流量。PCM控制電力驅(qū)動冷卻液泵和電力驅(qū)動冷卻液控制閥，向系統(tǒng)部件提供充足的冷卻液流量。為了保持正確溫度，在散熱器后方安裝了電動冷卻風(fēng)扇，以幫助降低冷卻液的溫度。在散熱器塊前方還安裝了主動格柵，以優(yōu)化流經(jīng)散熱器的空氣流量，并最大程度降低車輛的阻力。

注意：如果電動冷卻液泵發(fā)生故障，則冷卻液回路將無法正常工作，HV部件可能會發(fā)生過熱。然后，出于保護(hù)目的，HV部件將會降低自己的功率。如果12V電動冷卻液泵的PWM控制丟失，但是該泵仍然能夠接收到12V電源，則該泵將會默認(rèn)為按照安全運(yùn)行速度運(yùn)行。

二、座艙冷卻液回路

1.座艙冷卻液回路概述

座艙冷卻液回路部件如圖12所示，座艙冷卻液回路示意圖如圖13所示。座艙回路具有兩個功能：為駕駛員和乘客保持一個舒適環(huán)境和必要時，為蓄電池冷卻回路提供附加的冷卻/加熱。

座艙回路是一個密封的冷卻液系統(tǒng)，該系統(tǒng)從電動驅(qū)動冷卻液副水箱上的連接通過座艙回路渦流罐進(jìn)行加注。座艙回路由供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)控制模塊進(jìn)行控制，并包括以下部件：①電動冷卻液泵；②間接冷凝器；③高壓冷卻液加熱器(HVCH)；④加熱器芯；⑤渦流罐；⑥電磁閥(氣候控制換向閥)。

通過氣候控制總成中的加熱器芯和氣候控制冷卻液為乘客艙提供的熱有2個來源：HV內(nèi)部加熱器和氣候控制間接冷凝器。對于氣候控制間接冷凝器的方式，又可分為：①從電動驅(qū)動器溫度控制系統(tǒng)中回收熱量；②通過空調(diào)(A/C)系統(tǒng)和回收熱交換器從外部空氣中回收熱量；③以上兩者之和。

自動溫控模塊(ATCM)選擇最有效的熱源，以優(yōu)化電動車(EV)蓄電池行駛的距離。

當(dāng)乘客艙需要加熱時，氣候控制冷卻液由高壓(HV)內(nèi)部加熱器或通過氣候控制間接冷凝器加熱。加熱的冷卻液由氣候控制冷卻液泵驅(qū)動循環(huán)流過加熱器芯，從而為乘客艙的空氣提供熱量。鼓風(fēng)機(jī)讓空氣流過氣候控制總成和加熱器芯，將來自氣候控制冷卻液的熱量傳輸?shù)匠丝团摗?/p>

當(dāng)電動車(EV)蓄電池充電時，氣候控制冷卻液系統(tǒng)也會工作。當(dāng)車輛連接至外部電源時，蓄電池電量控制模塊(BECM)請求為EV蓄電池加熱。ATCM啟動以下部件：①氣候控制冷卻液泵；②氣候控制換向閥；③HV內(nèi)部加熱器(HVCH)。

圖12 座艙冷卻液回路部件

圖13 座艙冷卻液回路示意圖