2014款寶馬i8高電壓蓄電池單元(二)

◆文/山東 劉春暉

(接上期)

3.排氣單元

排氣單元有兩項任務。第一項任務是補償高電壓蓄電池單元內部和外部的較大壓力差。只有某一電池損壞時才會產生這種壓力差。在此情況下，出于安全原因，損壞電池的電池模塊殼體會打開，以便降低壓力。氣體首先存在于高電壓蓄電池單元殼體內。從此處可通過排氣單元排到外面。此外熱交換器泄漏和制冷劑溢出時，壓力會升高。排氣單元橫截面如圖11所示。

圖11 排氣單元橫截面

排氣單元的第二項任務是向外輸送高電壓蓄電池單元內部產生的冷凝物。在高電壓蓄電池單元內部除技術組件外還有空氣。通過較低環境溫度或啟用冷卻功能后通過制冷劑對空氣或殼體進行冷卻時，空氣中的部分水蒸氣就會冷凝。因此在高電壓蓄電池單元內部可能會形成少量液態水,這不會對功能產生任何影響。空氣或殼體再次受熱時水就會重新蒸發，同時殼體內的壓力稍稍增大。排氣單元可通過向外排出受熱空氣進行壓力補償。同時會將空氣中包含的水蒸氣(通過這種方式也將之前的液態冷凝物)一同向外排出。排氣單元固定方式如圖12所示。

圖12 排氣單元固定方式

為了完成上述任務，排氣單元帶有一個透氣(和水蒸氣)但不透水的隔膜。在隔膜上方有一個心軸，高電壓蓄電池單元內過壓較高時該心軸會毀壞隔膜。在上方通過一個兩件式蓋板來防止粗雜質進入。維修時可將排氣單元作為一個整體進行更換。排氣單元出現機械損傷時建議進行更換。

4.制冷劑循環回路接口

為對高電壓蓄電池進行冷卻，將其接入空調系統制冷劑循環回路內。為了能夠根據需要進行冷卻，在高電壓蓄電池單元上有一個電氣控制式膨脹和截止組合閥。寶馬i8不使用熱力泵，因此膨脹和截止組合閥只有一種規格。膨脹和截止組合閥以硬絞線方式與SME控制單元連接在一起，并由該控制單元直接進行控制。供電中斷時閥門關閉，此時沒有制冷劑流入高電壓蓄電池單元內。閥門只能識別出“關閉”和“打開”位置。通過溫度方式調節流入的制冷劑量。

三、冷卻系統

1.概覽

如圖13所示，為了盡可能延長高電壓蓄電池的使用壽命并獲得最大功率，需在規定溫度范圍內使用蓄電池。原則上在-40～+55℃范圍內(實際電池溫度)高電壓蓄電池單元處于可運行狀態。就溫度特性而言，高電壓蓄電池單元是一個惰性系統，即電池需要幾個小時才能達到環境溫度。在極其炎熱或寒冷的環境下短暫停留并不表示電池也已達到同樣溫度。

就使用壽命和功率而言，最佳電池溫度范圍明顯縮小，為+25～+40℃。如果在功率輸出較高的同時電池溫度一直明顯超出該范圍，就會降低電池的使用壽命。為了消除該影響并在所有車外溫度條件下確保最大功率，寶馬i8的高電壓蓄電池單元帶有自動運行的冷卻裝置。在寶馬i8上未安裝高電壓蓄電池單元加熱裝置。

2.高電壓蓄電池冷卻系統

寶馬i8的高電壓蓄電池單元整個冷卻系統如圖14所示，高電壓蓄電池單元直接通過制冷劑進行冷卻。在歐規車輛上使用新型制冷劑R1234yf；在美規車輛上使用常用的R134a。因此空調系統的制冷劑循環回路由兩個并聯支路構成(圖15)：一個用于車內冷卻，一個用于高電壓蓄電池單元冷卻。每條支路都有一個膨脹和截止組合閥，用于相互獨立地控制冷卻功能。蓄能器管理電子裝置可通過施加電壓控制并打開高電壓蓄電池單元上的膨脹和截止組合閥。這樣可使制冷劑流入高電壓蓄電池單元內，在此膨脹、蒸發和吸收環境熱量。車內冷卻同樣根據需要來進行。蒸發器前的膨脹和截止組合閥同樣可以電氣方式進行控制，但由電機電子裝置EME進行控制。

圖15 帶有高電壓蓄電池單元的制冷劑循環回路

高電壓蓄電池單元內的冷卻系統如圖16所示，將液態制冷劑噴入熱交換器內時制冷劑蒸發。蒸發的制冷劑通過這種方式吸收環境空氣的熱量并使其冷卻。之后電動制冷劑壓縮機將氣態制冷劑壓縮至較高壓力水平。之后通過冷凝器將熱量排放到環境空氣中并使制冷劑重新變為液態聚集狀態。

圖16 高電壓蓄電池單元內的冷卻系統

在寶馬i8上根據高電壓蓄電池單元的安裝位置采用了兩個上下疊加的電池模塊。為了確保通過制冷劑可使電池充分冷卻，采用了一個兩件式熱交換器。熱交換器分別位于三個上部和三個下部電池模塊下方。它由鋁合金平管構成，與內部冷卻液管路相連。

3.冷卻系統功能

根據冷卻系統的功能可實現關閉冷卻系統和接通冷卻系統兩種運行狀態。主要根據電池溫度、車外溫度以及高電壓蓄電池獲取或輸送的功率來啟用這些運行狀態。SME控制單元根據輸入參數決定需要哪種運行狀態。圖17展示了輸入參數、SME控制單元的作用以及用于控制的執行機構。

圖17 高電壓蓄電池單元冷卻系統的輸入/輸出

(1)“關閉冷卻系統”運行狀態

電池溫度已處于或低于最佳范圍時就會啟用“關閉冷卻系統”運行狀態。車輛在適中環境溫度下以較低電功率行駛時通常就會啟用該運行狀態。“關閉冷卻系統”運行狀態非常高效，因為不需要其他能量來對高電壓蓄電池進行冷卻。

相關組件按以下方式工作：

①需要對車內空間進行冷卻時，電動制冷劑壓縮機不運行或以較低功率運行。

②高電壓蓄電池單元上的膨脹和截止組合閥關閉。

(2)“接通冷卻系統”運行狀態

進行冷卻時，IHKA要求電機電子裝置內的高電壓電源管理系統提供用于電動制冷劑壓縮機的電功率。

(3)組件工作方式

在冷卻運行狀態下組件工作方式如下：

①SME控制單元提出冷卻要求。

②IKHA授權后，SME控制單元控制高電壓蓄電池單元上的膨脹和截止組合閥。通過這種方式使該閥打開，制冷劑流入高電壓蓄電池單元內。

③電動制冷劑壓縮機運行。

膨脹閥后壓力下降后，高電壓蓄電池單元的管路和冷卻通道內的制冷劑蒸發。在此制冷劑吸收電池模塊和電池的熱量并對其進行冷卻。蒸發的制冷劑離開高電壓蓄電池單元，經電動制冷劑壓縮機壓縮并在冷凝器內液化。雖然該過程需要高電壓車載網絡提供能量，但其意義非常重大：只有這樣才能確保電池具有較長使用壽命和較高效率。

直轄市、省會(首府)城市、計劃單列市以及國務院確定的其他城市,扣除標準為每月1500元；除第一項所列城市以外,市轄區戶籍人口超過100萬的城市,扣除標準為每月1100元；市轄區戶籍人口不超過100萬的城市,扣除標準為每月800元。

電池溫度明顯低于最佳運行溫度(20℃)時，其功率會暫時受限且能量轉換效率也不理想。這是無法避免的鋰離子蓄電池化學效應。

如果長時間(例如多日)將寶馬i8停放在極低環境溫度條件下，電池也會變為與環境溫度相同。在此情況下，開始行駛時可能無法提供最大電動驅動功率。但客戶并不會有所察覺，因為此時由內燃機驅動車輛。

4.系統組件

(1)熱交換器

如圖18所示，在高電壓蓄電池單元內部，制冷劑在管路和鋁合金冷卻通道內流動。通過入口管路流入的制冷劑在高電壓蓄電池單元接口后分入上部和下部熱交換器。流經供給管路的制冷劑在熱交換器內分入兩個冷卻通道并通過流經冷卻通道吸收電池模塊的熱量。在冷卻通道端部將制冷劑輸送至相鄰冷卻通道內，由此回流并繼續吸收電池模塊的熱量。

圖18 高電壓蓄電池單元內的冷卻組件

在端部，所有熱交換器的兩個回流管路匯集為一個共同的回流管路。共同的回流管路將蒸發的制冷劑輸送回高電壓蓄電池單元接口。

在下部熱交換器的供給管路上裝有一個溫度傳感器，傳感器信號用于控制和監控冷卻功能。該信號直接由SME控制單元讀取。

為了確保冷卻通道完成排出電池模塊熱量的任務，必須以均勻分布的作用力將冷卻通道整個面積壓到電池模塊上。該壓緊力通過嵌入冷卻通道的彈簧條產生。彈簧條針對電池模塊幾何形狀和下半部分殼體進行了相應調節。

下部熱交換器的彈簧支撐在高電壓蓄電池單元的下半部分殼體上，從而將冷卻通道壓到電池模塊上。上部熱交換器的彈簧支撐在電池模塊連接器之間的鋁合金導軌上。

制冷劑管路、冷卻通道和彈簧條共同構成了一個單元，進行修理時可單獨更換該單元。為簡單起見，該單元又稱為熱交換器，但不要與傳統車輛前部的熱交換器混淆。兩個熱交換器均為較長組件。但較長的冷卻通道并不采用自支撐設計，而是采用相對較薄的壁厚。這樣一方面具有出色的導熱性，另一方面也因此導致機械穩定性較弱。處于安裝狀態時這不是什么缺點，因為高電壓蓄電池單元殼體可確保機械穩定性。但在維修過程中進行熱交換器操作時要特別小心。

注意：更換熱交換器時必須嚴格遵守維修說明并要特別小心。需由兩人來安裝新的熱交換器，以免造成新部件損壞。

(2)制冷劑溫度傳感器

不直接測量制冷劑溫度。而是將溫度傳感器安裝在高電壓蓄電池單元內一段制冷劑管路上。

根據制冷劑管路溫度可確定流入的制冷劑溫度以及可提供的冷卻功率。制冷劑溫度傳感器以硬線方式與SME控制單元相連，在此進行信號分析。該傳感器是一個NTC電阻，其電阻值隨溫度升高而減小。出現故障時可單獨更換制冷劑溫度傳感器。

(3)膨脹和截止組合閥

膨脹和截止閥(圖19)通過限制流通截面降低制冷劑壓力，從而使制冷劑蒸發。這樣可吸收環境熱量并使電池模塊冷卻。此外還可關斷制冷劑循環回路，從而確保不再有制冷劑流入熱交換器內。

圖19 膨脹和截止組合閥

寶馬i8使用基本型膨脹和截止組合閥。該型號閥門通過一根直接線由SME控制單元進行控制。電氣控制裝置可識別出兩種狀態：0V控制電壓表示閥門保持關閉狀態。12V控制電壓表示閥門打開。

與傳統的空調系統膨脹閥一樣，該膨脹和截止閥也通過溫度方式即根據制冷劑溫度自動調節其開度。