大眾ID.4 CROZZ動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

李 丹

（湖北科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，全球各大汽車生產(chǎn)廠家紛紛開(kāi)發(fā)出各種純電動(dòng)汽車，德國(guó)大眾作為全球的汽車制造企業(yè)巨頭，打造了電動(dòng)化車型的生產(chǎn)制造平臺(tái)MEB（Modularen lektrisch Baukasten），MEB是德語(yǔ)“模塊化電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)”的縮寫(xiě)。MEB基于汽車制造模塊化理念，具有極強(qiáng)的可拓展性，可打造不同車身軸距，并根據(jù)不同車型的需求調(diào)校出不同的續(xù)航里程，在智能化、網(wǎng)聯(lián)化、自動(dòng)化等方面實(shí)現(xiàn)不斷升級(jí)和更新迭代。MEB以動(dòng)力電池為核心，針對(duì)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(guó)一汽-大眾近期推出首款MEB車型ID.4 CROZZ純電動(dòng)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(chǎn)，在整車基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，電池采用可縮放設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同續(xù)航里程，每個(gè)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(xù)航里程。ID.4 CROZZ的高壓電池采用獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)電池模組里面又分為24組獨(dú)立的單元電池，配備強(qiáng)大的熱管理系統(tǒng)，具有直接冷卻系統(tǒng)，確保即使在高負(fù)荷或低溫情況下高壓電池依然能運(yùn)行在25～35℃的最佳溫度范圍。電流、電壓和溫度參數(shù)通過(guò)單元模塊控制器和主控制單元進(jìn)行監(jiān)控。本文主要介紹ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及冷卻液工作循環(huán)回路。

圖1 ID.4 CROZZ純電動(dòng)車基本結(jié)構(gòu)圖

1 高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述

純電動(dòng)汽車由于高壓電池處于不斷充電、放電過(guò)程，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，熱量的產(chǎn)生不僅會(huì)導(dǎo)致電池老化，還會(huì)使得相關(guān)導(dǎo)體上的電阻增大，從而導(dǎo)致電能不是轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而是轉(zhuǎn)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(tǒng)，一般分為水冷式和風(fēng)冷式，現(xiàn)在普遍采用水冷式。

2 高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的作用

一方面由于高壓部件工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量，若熱量積聚，會(huì)影響部件的工作性能，通過(guò)此系統(tǒng)帶走部件工作產(chǎn)生的多余熱量；同時(shí)也可將此部分熱量再利用，為空調(diào)制熱提供熱源。另一方面，高壓電池效能會(huì)受溫度變化的影響，為確保電池效能，此系統(tǒng)還可以為電池加熱。

3 ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)框圖如圖2所示，采用Chiller對(duì)電池包冷卻，采用PTC對(duì)電池包加熱，全面滿足電池包的高低溫需求；具備電驅(qū)動(dòng)余熱回收功能，通過(guò)循環(huán)切換，將電機(jī)和功率電子的余熱收集用于電池包預(yù)熱；當(dāng)電池包完成預(yù)熱，對(duì)于熱泵配置車型，熱泵還可以進(jìn)一步收集電驅(qū)動(dòng)的余熱供給乘員艙，全面提升冬季續(xù)航里程。可以選裝CO熱泵系統(tǒng)，冬季續(xù)航里程提升20%～30%。

圖2 ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)框圖

4 ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guò)間隙填料（導(dǎo)熱膏）與蓄電池外殼的底部連接。底部保護(hù)裝置由實(shí)心鋁制成，可保護(hù)散熱器免受機(jī)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(nèi)模組隔離，可避免冷卻液泄漏至電池內(nèi)部。蛇形冷卻流道，一體沖壓式冷卻板，冷卻均勻。應(yīng)用高導(dǎo)熱材料，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、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(fù)責(zé)對(duì)高壓蓄電池的冷卻液進(jìn)行加熱，具備無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)（PWM）功能。應(yīng)用PTC加熱高效節(jié)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(zhì)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(fēng)扇以及相關(guān)導(dǎo)風(fēng)柵等，如圖5所示。散熱器卷簾為標(biāo)準(zhǔn)裝備，散熱風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)、降噪，導(dǎo)風(fēng)柵減少進(jìn)風(fēng)泄露，同時(shí)減低風(fēng)阻，確保足夠的進(jìn)風(fēng)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(nèi)置在模塊化電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)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(guān)閉狀態(tài)下，卷簾改善了車輛的空氣阻力系數(shù)，然后根據(jù)需要以不同的方式打開(kāi)車輛前格柵與導(dǎo)流件。為確保足夠的進(jìn)風(fēng)量，對(duì)散熱器前部格柵進(jìn)風(fēng)面積提出了類似傳統(tǒng)車的要求。同時(shí)為減少前端進(jìn)風(fēng)泄露，降低風(fēng)阻，并最終提高續(xù)航里程，設(shè)計(jì)了全包圍密封件，并匹配進(jìn)氣導(dǎo)流件，提高機(jī)艙進(jìn)氣流動(dòng)密封性。

5）散熱器風(fēng)扇

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

5 ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作原理及冷卻液循環(huán)回路

1）高壓部件冷卻液循環(huán)回路

ID.4 CROZZ熱管理系統(tǒng)通過(guò)管路將高壓部件連接起來(lái)，同時(shí)借助冷卻液及其循環(huán)，將高壓部件工作產(chǎn)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(shí)，熱管理系統(tǒng)通過(guò)PTC加熱器加熱冷卻液，從而為高壓電池進(jìn)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(huán)回路圖

由于冷卻液與高壓電池模組不會(huì)發(fā)生接觸，因此冷卻液膨脹罐不需要密封。管路連接復(fù)雜，維修時(shí)必須嚴(yán)格按照維修手冊(cè)指導(dǎo)進(jìn)行操作。

2）不帶熱泵的冷卻液回路見(jiàn)圖8a，帶熱泵的冷卻液回路見(jiàn)圖8b。

圖8 不帶熱泵的冷卻液回路圖

6 ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻和加熱回路

1）蓄電池未冷卻或未加熱時(shí)，ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱器旁路開(kāi)啟，如圖9a所示。此時(shí)節(jié)溫器溫度＜15℃，蓄電池溫度為8～35℃，熱泵無(wú)工作需求。節(jié)溫器打開(kāi)散熱器旁路，蓄電池預(yù)熱混合閥2 V696打開(kāi)溫度最低的低溫冷卻回路。此時(shí)只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。

2）蓄電池被加熱時(shí)，ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱器旁路開(kāi)啟，如圖9b所示。此時(shí)節(jié)溫器溫度＜15℃，蓄電池溫度＜8℃，此時(shí)熱泵無(wú)工作需求。節(jié)溫器打開(kāi)散熱器旁路，蓄電池預(yù)熱混合閥2 V696打開(kāi)溫度最低的低溫冷卻回路，蓄電池預(yù)熱混合閥V683打開(kāi)蓄電池加熱回路，此時(shí)2個(gè)冷卻液泵均被激活。

圖9 散熱器旁路開(kāi)啟的冷卻和加熱回路

3）蓄電池未冷卻或未加熱時(shí)，ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)，如圖10a所示。此時(shí)節(jié)溫器溫度＞15℃，蓄電池溫度為8～35℃，此時(shí)熱泵無(wú)工作需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，蓄電池預(yù)熱混合閥2 V696打開(kāi)溫度最低的低溫冷卻回路，此時(shí)只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。

圖10 節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)的冷卻和加熱回路

4）蓄電池由冷凝器熱交換器冷卻時(shí)，ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)，如圖10b所示。此時(shí)節(jié)溫器溫度＞15℃，車輛運(yùn)行期間蓄電池溫度＞35℃，充電期間蓄電池溫度＞30℃，此時(shí)熱泵無(wú)工作需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，蓄電池預(yù)熱混合閥2 V696打開(kāi)溫度最低的低溫冷卻回路，蓄電池預(yù)熱混合閥V683打開(kāi)蓄電池冷卻回路，此時(shí)2個(gè)冷卻液泵均被激活。

5）蓄電池由低溫回路冷卻時(shí)，ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)，如圖11a所示。此時(shí)節(jié)溫器溫度＞15℃，蓄電池溫度＞30℃，此時(shí)熱泵無(wú)工作需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，蓄電池預(yù)熱混合閥2 V696打開(kāi)蓄電池接口，蓄電池預(yù)熱混合閥V683打開(kāi)蓄電池冷卻回路，此時(shí)2個(gè)冷卻液泵均被激活。

圖11 節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)的冷卻和加熱回路

6）蓄電池未冷卻或未加熱時(shí)，ID.4 CROZZ高壓電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱器內(nèi)有冷卻液流動(dòng)，如圖11b所示。此時(shí)節(jié)溫器溫度＞15℃，蓄電池溫度為8～30℃，此時(shí)熱泵有工作需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁路，蓄電池預(yù)熱混合閥2 V696打開(kāi)蓄電池接口，蓄電池預(yù)熱混合閥V683打開(kāi)蓄電池加熱回路，此時(shí)只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。

7 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻和加熱

ID.4 CROZZ的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同樣是采用液體冷卻，與高壓電池共用熱管理系統(tǒng)，冷卻液流入電子驅(qū)動(dòng)器，首先通過(guò)電源逆變器（PI）運(yùn)行，因?yàn)榘雽?dǎo)體規(guī)定了允許的最大冷卻液溫度。流過(guò)PI后，冷卻劑通過(guò)密封管塞元件進(jìn)入電機(jī)外殼的冷卻水套。熱量主要是由定子銅繞組的電阻損耗產(chǎn)生的，通過(guò)繞組絕緣層和疊片到達(dá)機(jī)殼中的冷卻水套。冷卻介質(zhì)通過(guò)優(yōu)化的周向冷卻通道進(jìn)入定子，并在冷卻水道的末端通過(guò)冷卻連接軟管進(jìn)入車輛的外部冷卻回路，如圖12所示。

圖12 冷卻液流經(jīng)PI和定子