大眾ID.4 CROZZ動力電池熱管理系統結構與工作原理

李 丹

（湖北科技職業學院機電工程學院，湖北 武漢 430074）

隨著純電動汽車的市場快速增長，全球各大汽車生產廠家紛紛開發出各種純電動汽車，德國大眾作為全球的汽車制造企業巨頭，打造了電動化車型的生產制造平臺MEB（Modularen lektrisch Baukasten），MEB是德語“模塊化電驅動平臺”的縮寫。MEB基于汽車制造模塊化理念，具有極強的可拓展性，可打造不同車身軸距，并根據不同車型的需求調校出不同的續航里程，在智能化、網聯化、自動化等方面實現不斷升級和更新迭代。MEB以動力電池為核心，針對不同的車身形式提供更大的軸距、更短的前后懸和更大的車輪滿足駕駛需求。

中國一汽-大眾近期推出首款MEB車型ID.4 CROZZ純電動車，如圖1所示，主要在上汽大眾安亭MEB工廠和一汽-大眾佛山MEB工廠生產，在整車基礎結構保持不變的情況下，電池采用可縮放設計，以實現不同續航里程，每個電池模塊采用55kWh及82kWh兩種容量電池，不同容量的電池可提供350～550km的續航里程。ID.4 CROZZ的高壓電池采用獨立的模塊化設計，每一個電池模組里面又分為24組獨立的單元電池，配備強大的熱管理系統，具有直接冷卻系統，確保即使在高負荷或低溫情況下高壓電池依然能運行在25～35℃的最佳溫度范圍。電流、電壓和溫度參數通過單元模塊控制器和主控制單元進行監控。本文主要介紹ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統結構、工作原理及冷卻液工作循環回路。

圖1 ID.4 CROZZ純電動車基本結構圖

1 高壓電池熱管理系統概述

純電動汽車由于高壓電池處于不斷充電、放電過程，工作時會產生大量熱量，熱量的產生不僅會導致電池老化，還會使得相關導體上的電阻增大，從而導致電能不是轉換為機械能，而是轉換成熱能釋放出去。因此，高壓電池通常都配備有熱管理系統，一般分為水冷式和風冷式，現在普遍采用水冷式。

2 高壓電池熱管理系統的作用

一方面由于高壓部件工作時，會產生熱量，若熱量積聚，會影響部件的工作性能，通過此系統帶走部件工作產生的多余熱量；同時也可將此部分熱量再利用，為空調制熱提供熱源。另一方面，高壓電池效能會受溫度變化的影響，為確保電池效能，此系統還可以為電池加熱。

3 ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統

ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統框圖如圖2所示，采用Chiller對電池包冷卻，采用PTC對電池包加熱，全面滿足電池包的高低溫需求；具備電驅動余熱回收功能，通過循環切換，將電機和功率電子的余熱收集用于電池包預熱；當電池包完成預熱，對于熱泵配置車型，熱泵還可以進一步收集電驅動的余熱供給乘員艙，全面提升冬季續航里程。可以選裝CO熱泵系統，冬季續航里程提升20%～30%。

圖2 ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統框圖

4 ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統結構組成

1）高壓電池散熱器

ID.4 CROZZ高壓電池散熱器采用鋁制散熱器，如圖3所示，安裝在蓄電池外殼的外部，有助于防止蓄電池外殼中的高壓組件與冷卻液接觸。高壓蓄電池模組通過間隙填料（導熱膏）與蓄電池外殼的底部連接。底部保護裝置由實心鋁制成，可保護散熱器免受機械損壞。

圖3 ID.4 CROZZ高壓電池散熱器

MEB電池框架與電池下殼體之間為散熱器，其與電池包內模組隔離，可避免冷卻液泄漏至電池內部。蛇形冷卻流道，一體沖壓式冷卻板，冷卻均勻。應用高導熱材料，具有較高的導熱系數、較低的接觸熱阻，冷卻效果更好。

2）PTC加熱器

高壓電池配備了安全性能更高的水暖加熱器PTC（圖4），負責對高壓蓄電池的冷卻液進行加熱，具備無級調節（PWM）功能。應用PTC加熱高效節能，保證了電池低溫下的良好性能。相比較MQB HV-PTC，水暖高壓加熱器體積更小、質量輕、能量密度大、省電性好。

圖4 PTC加熱器

3）整車散熱器

車輛前部安裝的整車散熱器包含冷卻散熱器、散熱器卷簾、冷凝器、散熱風扇以及相關導風柵等，如圖5所示。散熱器卷簾為標準裝備，散熱風扇優化設計、降噪，導風柵減少進風泄露，同時減低風阻，確保足夠的進風量。

圖5 整車散熱器

4）散熱器卷簾（圖6）

圖6 散熱器卷簾

散熱器卷簾100%內置在模塊化電驅動平臺中，位于冷卻液散熱器和冷凝器（R134A）/車頭氣體冷卻器（R744）之間。在關閉狀態下，卷簾改善了車輛的空氣阻力系數，然后根據需要以不同的方式打開車輛前格柵與導流件。為確保足夠的進風量，對散熱器前部格柵進風面積提出了類似傳統車的要求。同時為減少前端進風泄露，降低風阻，并最終提高續航里程，設計了全包圍密封件，并匹配進氣導流件，提高機艙進氣流動密封性。

5）散熱器風扇

為滿足電動車更高的靜音需求，首次在MEB車型采用新型風扇，能降低風扇噪音3dB（78dB→75dB），扇葉數量提升（9→10），風扇直徑加大（400→480mm），從而降低轉速（400r/min）。

5 ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的工作原理及冷卻液循環回路

1）高壓部件冷卻液循環回路

ID.4 CROZZ熱管理系統通過管路將高壓部件連接起來，同時借助冷卻液及其循環，將高壓部件工作產生的熱量帶走，確保部件不受高溫的影響，如圖7所示。在溫度較低時，熱管理系統通過PTC加熱器加熱冷卻液，從而為高壓電池進行加熱，使其保持在合適的工作溫度范圍，減少電能損耗。

圖7 高壓部件冷卻液循環回路圖

由于冷卻液與高壓電池模組不會發生接觸，因此冷卻液膨脹罐不需要密封。管路連接復雜，維修時必須嚴格按照維修手冊指導進行操作。

2）不帶熱泵的冷卻液回路見圖8a，帶熱泵的冷卻液回路見圖8b。

圖8 不帶熱泵的冷卻液回路圖

6 ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的冷卻和加熱回路

1）蓄電池未冷卻或未加熱時，ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的散熱器旁路開啟，如圖9a所示。此時節溫器溫度＜15℃，蓄電池溫度為8～35℃，熱泵無工作需求。節溫器打開散熱器旁路，蓄電池預熱混合閥2 V696打開溫度最低的低溫冷卻回路。此時只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。

2）蓄電池被加熱時，ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的散熱器旁路開啟，如圖9b所示。此時節溫器溫度＜15℃，蓄電池溫度＜8℃，此時熱泵無工作需求。節溫器打開散熱器旁路，蓄電池預熱混合閥2 V696打開溫度最低的低溫冷卻回路，蓄電池預熱混合閥V683打開蓄電池加熱回路，此時2個冷卻液泵均被激活。

圖9 散熱器旁路開啟的冷卻和加熱回路

3）蓄電池未冷卻或未加熱時，ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的散熱器內有冷卻液流動，如圖10a所示。此時節溫器溫度＞15℃，蓄電池溫度為8～35℃，此時熱泵無工作需求。節溫器關閉散熱器旁路，蓄電池預熱混合閥2 V696打開溫度最低的低溫冷卻回路，此時只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。

圖10 節溫器關閉散熱器旁路，散熱器內有冷卻液流動的冷卻和加熱回路

4）蓄電池由冷凝器熱交換器冷卻時，ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的散熱器內有冷卻液流動，如圖10b所示。此時節溫器溫度＞15℃，車輛運行期間蓄電池溫度＞35℃，充電期間蓄電池溫度＞30℃，此時熱泵無工作需求。節溫器關閉散熱器旁路，蓄電池預熱混合閥2 V696打開溫度最低的低溫冷卻回路，蓄電池預熱混合閥V683打開蓄電池冷卻回路，此時2個冷卻液泵均被激活。

5）蓄電池由低溫回路冷卻時，ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的散熱器內有冷卻液流動，如圖11a所示。此時節溫器溫度＞15℃，蓄電池溫度＞30℃，此時熱泵無工作需求。節溫器關閉散熱器旁路，蓄電池預熱混合閥2 V696打開蓄電池接口，蓄電池預熱混合閥V683打開蓄電池冷卻回路，此時2個冷卻液泵均被激活。

圖11 節溫器關閉散熱器旁路，散熱器內有冷卻液流動的冷卻和加熱回路

6）蓄電池未冷卻或未加熱時，ID.4 CROZZ高壓電池熱管理系統的散熱器內有冷卻液流動，如圖11b所示。此時節溫器溫度＞15℃，蓄電池溫度為8～30℃，此時熱泵有工作需求。節溫器關閉散熱器旁路，蓄電池預熱混合閥2 V696打開蓄電池接口，蓄電池預熱混合閥V683打開蓄電池加熱回路，此時只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。

7 電驅動系統的冷卻和加熱

ID.4 CROZZ的電驅動系統同樣是采用液體冷卻，與高壓電池共用熱管理系統，冷卻液流入電子驅動器，首先通過電源逆變器（PI）運行，因為半導體規定了允許的最大冷卻液溫度。流過PI后，冷卻劑通過密封管塞元件進入電機外殼的冷卻水套。熱量主要是由定子銅繞組的電阻損耗產生的，通過繞組絕緣層和疊片到達機殼中的冷卻水套。冷卻介質通過優化的周向冷卻通道進入定子，并在冷卻水道的末端通過冷卻連接軟管進入車輛的外部冷卻回路，如圖12所示。

圖12 冷卻液流經PI和定子