捷豹I-Pace熱管理系統技術研究

楊鈁 胡志林 張昶 付磊

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞：新能源汽車 熱管理 控制系統 工作模式

1 前言

隨著汽車的電動化和智能化發展，電動汽車熱管理系統也向著集成化、可控化和精準化方向發展，熱管理系統設計結構越來越復雜，對控制精度要求也越來越高。為了實現電動汽車能量的合理利用，提升電動汽車高低溫環境下的續駛里程，電動汽車熱管理系統的設計和開發成為電動汽車整車能量開發的重點。對于電動汽車而言，熱管理系統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。如何實現電動汽車實際環境下的續駛里程和舒適性之間的平衡，是電動汽車熱管理系統設計急需解決的問題[1][2]。本文以捷豹I-Pace車型為研究對象，對其先進熱管理系統的拓撲結構和特征工作模式進行分析，為電動汽車熱管理系統設計提供參考。

2 整車技術參數

I-Pace基于捷豹的全新eDM電動汽車模塊化平臺打造，前后軸各布置一個電機驅動單元，實現前后軸50：50的重量分配。另外電池組布置于車輛地板下的前后軸中間，有助于降低車輛重心，改善整車駕駛特性。車前部采用可控開度的主動進氣格柵，為I-Pace熱管理系統提供進氣氣流，配合機前蓋上方的氣流開孔，可提供更好的下壓力和空氣動力學效應，減少進氣風阻，提升整車性能。整車技術參數如表1所示。

3 熱管理系統拓撲結構分析

I-Pace整車熱管理拓撲結構如圖1所示，包括空調系統回路、電機系統回路、電池系統回路和暖風芯體回路[4]。

表1 整車技術參數[3]

圖1 I-Pace熱管理系統拓撲結構[4]

空調系統主要負責對乘員艙溫度進行調節，采用目前較為先進的噴氣增焓熱泵空調系統，可實現空調系統的夏季制冷需求和冬季制熱需求。

在夏季環境下，空調系統采用傳統空調循環回路，實現空調冷媒的相變過程，實現乘員艙制冷作用，同時可通過電池回路的Chiller(熱交換器)與電池回路進行熱交換，實現電池回路的主動冷卻過程。在冬季寒冷環境下，乘員艙有加熱需求，空調系統可通過閥門的控制，實現空調系統熱泵循環過程。空調系統通過外界冷凝器或電機回路的Chiller進行相變吸熱過程，空調冷媒再經由壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣體，流入內置冷凝器發生相變放熱過程，與暖風芯體回路進行熱交換，實現外界環境熱量或電機回路廢熱向乘員艙的轉移。

電機回路主要負責對驅動電機、電控單元、車載充電機和DC/DC進行冷卻。在電機回路溫度較高，有散熱需求時，經由低溫散熱器對電機回路進行散熱。

電池回路主要負責動力電池的熱管理，由于動力電池對溫度需求范圍比較敏感，要求電池回路具有加熱和冷卻功能。在寒冷環境下，動力電池有加熱需求，可通過熱交換器，與暖風芯體回路之間進行熱交換。在高溫環境下，動力電池有冷卻需求，可通過低溫散熱器或Chiller對電池回路進行冷卻。

暖風芯體回路主要負責對乘員艙和電池回路進行加熱，在寒冷環境下，乘員艙有加熱需求，可通過空調系統的內置冷凝器，實現熱量向乘員艙內轉移，當熱泵制熱功率不足時，可采用高壓PTC進行輔助；同時通過控制比例閥的開啟，控制流經電池回路熱交換器的水流量，實現電池回路加熱需求。

由于電池回路工作溫度最低，大約在20℃左右，因而把電池回路的低溫散熱器布置在冷卻模塊最前端；而電機回路工作溫度比電池回路要高，因而電機回路低溫散熱器布置在第二排；而空調回路平均工作溫度最高，因而把空調為界冷凝器放在冷卻模塊的第三排，這與傳統燃油車布置方式不同；冷卻模塊的最后布置的是電動冷卻風扇，根據冷卻單元的散熱需求對冷卻風扇進行控制。

4 熱管理系統工作模式分析

4.1 空調系統工作模式

空調系統主要有空調制冷模式和熱泵制熱模式兩種[3],下面將對不同的工作模式進行詳細介紹。

4.1.1 空調制冷模式

空調制冷模式，可進一步細化為兩種工作模式，第一種是僅乘員艙有制冷需求，第二種是在乘員艙有制冷需求條件下，動力電池有主動冷卻需求。

當環境溫度較高，乘員艙有制熱需求，而動力電池無主動冷卻需求，此時空調系統僅為乘員艙進行制冷，如圖2所示。

圖2 空調制冷模式[3]

通過控制閥門的開關狀態，空調冷媒經由壓縮機引入至外界冷凝器進行散熱，相變為高壓液態后，經由膨脹閥進行減壓，空調冷媒變為氣液兩相態，在乘員艙蒸發器內進行蒸發吸熱，實現乘員艙制冷。

圖3所示為，在乘員艙有制冷需求的條件下，動力電池有主動冷卻需求。此時，空調冷媒經由外界冷凝器散熱后，分別流經電池回路的Chiller和乘員艙蒸發器，進行空調冷媒蒸發吸熱，實現空調系統同時對乘員艙和動力電池的冷卻。

圖3 空調制冷模式[3]

4.1.2 熱泵制熱模式

熱泵制熱模式可進一步細化為三種工作模式。第一種是把外界環境作為熱源，通過外界冷凝器蒸發吸熱的傳統熱泵模式；第二種是通過電機回路的Chiller進行廢熱回收，實現熱泵制熱的工作模式；第三種是把電機回路廢熱和外界環境作為熱源的工作模式。

當環境溫度較低，乘員艙有制熱需求，電機回路無冷卻需求的情況下，熱泵系統通過外界冷凝器進行吸熱，經熱交換器，把熱量傳遞給暖風芯體回路為乘員艙進行加熱，如圖4所示。

圖4 熱泵制熱模式[3]

捷豹路虎的熱管理工程師Nilabza Dutta，在2018年SAE熱管理研討會上指出，在0℃環境溫度下，該模式下的熱泵系統可從外界環境中回收1.9 kW的熱量，與此同時，僅需要消耗0.3 kW的壓縮機功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為2.2 kW[4]。

在該模式下，如果熱泵加熱功率較小，不能滿足乘員艙的制熱需求，則暖風芯體回路上的高壓PTC（Positive Temperature Coefficient，正溫度系數熱敏電阻）將開始工作，對暖風芯體回路進行輔助加熱。

圖5所示為當環境溫度較低、乘員艙有制熱需求，同時電機回路有冷卻需求的情況下，通過電機回路的Chiller，把電機回路的熱量作為熱泵熱源，經熱交換器，把熱量傳遞給暖風芯體回路為乘員艙進行加熱，完成乘員艙加熱過程。

圖5 熱泵制熱模式[4]

Nilabza Dutta在SAE研討會上指出，在0℃環境溫度下，該模式下的熱泵系統可從電機回路中回收2.5 kW的熱量，與此同時，僅需要消耗0.3 kW的壓縮機功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為2.8 kW[4]。

在該模式下，如果電機回路散熱量較大，超出熱泵取熱能力，則通過電控三通閥，對流經低溫散熱器的冷卻液流量進行調節，電機回路多余的熱量經由低溫散熱器進行散熱，實現電機回路的冷卻過程[3]。

圖6 熱泵制熱模式[3]

當環境溫度較低，乘員艙有制熱需求，同時電機回路有冷卻需求，如果熱泵系統從電機回路取熱功率，不能滿足乘員艙加熱需求的情況下，熱泵系統將會同時從電機回路和外界環境取熱，經熱交換器，把熱量傳遞給暖風芯體回路為乘員艙進行加熱，如圖6所示。

Nilabza Dutta在SAE研討會上指出，在-8℃環境溫度下，該模式下的熱泵系統可分別從外界環境和電機回路中回收1.5 kW和2.0 kW的熱量，與此同時，僅需要消耗0.8 kW的壓縮機功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為4.3 kW[4]。

需要說明的是，在充電工況下，乘員艙有加熱需求，為了實現乘員艙內溫度快速響應，直接采用暖風芯體回路的高壓PTC進行加熱。在行駛工況下，當環境溫度非常低，熱泵系統無法正常工作，乘員艙加熱也只能采用暖風芯體回路的高壓PTC進行加熱。

4.2 電機系統工作模式

電機系統冷卻模式主要有自加熱模式、散熱器冷卻模式和熱泵散熱模式三種[3]。

在環境溫度較低，整車冷啟動工況下，電機系統通過調節電磁三通閥，控制電機回路冷卻液流動方向，對電機回路的低溫散熱器進行旁通，由于電機回路無主動冷卻，電機回路溫度可快速升高到合適的工作溫度[3]，如圖7所示。

圖7 自加熱模式[3]

當電機溫度較高，電機有冷卻需求，同時乘員艙無加熱需求或熱泵系統不能工作的情況下，電機回路通過調節電磁三通閥，控制冷卻液流經低溫散熱器，對電機回路進行冷卻，如圖8所示。

圖8 散熱器冷卻模式[3]

當電機溫度較高，電機有冷卻需求，同時乘員艙熱泵系統在工作的情況下，電機回路通過調節電磁三通閥，控制冷卻液流經電機回路Chiller，把電機回路的廢熱傳遞給熱泵空調系統，對電機余熱進行回收利用，該模式與熱泵空調系統制熱模式相同，即圖5所示。

4.3 電池系統工作模式

電池系統熱管理模式主要有溫度平衡模式、主動加熱模式、低溫冷卻模式和主動冷卻模式四種[3]。

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，通過控制電池回路的電磁三通閥，對低溫散熱器進行旁通，水泵開啟，保證電池回路冷卻水循環，實現電池溫度均勻的目的[3]，如圖9所示。

圖9 溫度平衡模式[3]

圖10 所示為電池主動加熱模式，當環境溫度較低，為了保證電池的正常工作，電池回路有加熱需求。

圖10 主動加熱模式[3]

在該模式下，暖風芯體回路通過調節電磁閥狀態，把冷卻液引入到與電池回路耦合的熱交換器，電池回路通過熱交換器與乘員艙暖風芯體回路進行熱交換，為了減少電量消耗，采用熱泵系統對暖風芯體回路進行加熱，把熱量間接傳遞到電池回路，熱泵可采用外界環境或電機回路作為熱源，實現熱量的轉移。如果不能滿足熱泵系統工作條件，則采用暖風芯體回路的高壓PTC進行加熱，通過Chiller把熱量傳遞到電池回路。

當電池有冷卻需求，同時環境溫度低于電池溫度的情況下，通過控制電池回路的電磁三通閥狀態，把電池回路的冷卻水引入到低溫散熱器，通過環境氣流對電池回路進行散熱[3]，如圖11所示。

圖11 低溫冷卻模式[3]

當電池有冷卻需求，環境溫度高于電池溫度，同時空調系統在開啟的情況下，采用空調系統對電池回路進行主動冷卻[3]，此時空調系統引入一部分冷媒到電池回路的Chiller，冷媒在Chiller內進行蒸發吸熱，實現電池回路的主動冷卻,該模式與空調系統制冷模式即圖3所示。

4.4 熱管理系統工作模式控制架構

I-Pace熱管理系統，在冷卻模塊前端配備有主動格柵系統和進氣風道，后端配有風道導風口。針對不同的應用場景，結合主動格柵和冷卻風扇的靈活控制，可進一步優化整車空氣動力學，實現熱管理工作模式的細化。

通過熱管理系統控制策略，對多種熱管理工作模式進行靈活切換，可保證整車熱管理系統可靠、穩定、高效運行，節約整車能量消耗。I-Pace熱管理系統控制架構如表2所示。

表2 I-Pace熱管理系統控制架構[3]

另外，為了最大程度的拓展整車續駛里程，I-Pace采用基于駕乘人員數量的智能環境控制系統，該系統可根據乘員艙的舒適性需求，對乘員艙進行溫度分區控制，包括駕駛員控制、雙溫區控制、四溫區控制和超低功率消耗四種模式控制。根據熱管理系統需求，控制乘員艙溫度調節模式，在滿足乘員艙舒適性的前提下，減少熱管理系統能量消耗，拓展整車續駛里程。

5 結論

（1）I-Pace作為捷豹路虎旗下第一款電動汽車，定位于高端市場，空調系統采用噴氣增焓熱泵系統，可實現低溫下的良好工作性能，結合電機回路的Chiller，可實現電機廢熱的回收利用。

（2）I-Pace電機回路與電池回路作為兩個獨立回路，均配備有低溫散熱器，冷卻系統控制上相對方便。另外兩系統在設計上并沒有直接耦合，但借助于熱泵系統，可實現電機回路廢熱對電池回路的加熱作用。

（3）I-Pace熱管理系統可實現多種熱管理工作模式，結合主動格柵和冷卻風扇的靈活控制，可對整車空氣動力學和整車能耗進一步優化。