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苹果电动汽车热管理技术研究
2021-10-03 09:49:12· 来源：汽车热管理之家
【摘要】苹果公司作为电子高科技产业的龙头企业，开始逐渐重视电动汽车产业的发展，从专利申请上提前进行产业布局。热管理系统是影响整车高低温性能指标的关键技
【摘要】苹果公司作为电子高科技产业的龙头企业，开始逐渐重视电动汽车产业的发展，从专利申请上提前进行产业布局。热管理系统是影响整车高低温性能指标的关键技术，本文以苹果电动汽车热管理系统专利为基础，对其热管理系统拓扑结构和特征工作模式进行分析，为电动汽车热管理系统设计提供参考。
1 前言
随着人们生活水平的提高，环境保护意识的增强，零排放无污染的电动汽车迎来了蓬勃发展的机遇，越来越多的厂家开始重视电动汽车产业的发展。除了传统汽车品牌，市场上也出现了一批又一批的造车新势力，其中不乏一些深耕于电子高科技产业多年的国际著名品牌，也提前对电动汽车产业进行提前布局。
充电速度和续驶里程是影响电动汽车市场认可度的2个关键要素。随着快充技术和电池能量密度的提升，常温工况下的用户使用里程焦虑情绪得到缓解。而电动汽车热管理系统，是进一步改善整车高低温性能的关键。对于电动汽车而言，热管理系统不仅影响乘用车驾乘舒适性，而且也牵涉到安全性和能耗问题。如何实现电动汽车实际环境下的续驶里程和舒适性之间的平衡，是电动汽车热管理系统设计急需解决的问题。本文以苹果电动汽车热管理系统专利为基础，对其电动汽车热管理系统技术新思路进行分析，为电动汽车热管理系统设计提供参考。
2 热管理系统拓扑结构分析
苹果电动汽车热管理系统包括1 个制冷剂回路、加热回路、冷却回路、电池回路和电机回路。每1个回路都包含1个热交换器与其他子系统回路进行耦合，实现加热和冷却的目的(图1)。
制冷剂回路采用模块化、独立式系统设计，可封装为1 个组件，与其他车型进行集成，其冷媒采用R744（CO2）工质，可在-30 ℃环境温度下稳定运行。在结构布置上，相对于传统空调回路，其没有采用单独的外置空调冷凝器，仅通过气液热交换器（Liquid Cooled Gas Cooler, LCGC）和冷媒-水热交换器（Chiller）分别实现与加热回路和冷却回路之间的热量传递。
图1 苹果电动汽车热管理系统拓扑结构
通过三通阀的控制，加热回路可与制冷剂回路经由气液热交换器（LCGC）进行热量传递。根据需要可从冷媒自回路吸收热量用于乘员舱加热，或把多余的热量经由加热回路的低温散热器传递到外界环境。同时，加热回路上也加装了电加热器，在回路加热功率不足时，可采用电能对回路进行加热。
冷却回路主要用于乘员舱、电池回路和电机回路的冷却，借助于Chiller，通过冷媒的相变吸热过程，把冷却回路的热量转移到制冷剂回路。
电池回路通过2个热交换器分别与加热回路和冷却回路进行耦合，可实现电池回路的加热或冷却。引入四通阀控制，可对电池回路的不同热管理模式进行控制。
电机回路与冷却回路经由热交换器，可实现热量传递过程，通过引入四通阀控制，可实现电机回路的低温散热器冷却和冷却回路冷却2种冷却方式的灵活控制。
3 热管理系统工作模式分析
3.1 空调系统工作模式
空调系统主要有空调制冷模式和热泵采暖模式2种。下面将对不同的工作模式进行详细介绍。
3.1.1 空调制冷模式
当环境温度较高，乘员舱有制冷需求，热管理系统进入空调制冷模式，为乘员舱进行制冷，其工作过程如图2所示。
制冷剂回路中的压缩机对空调冷媒进行压缩，通过气液热交换器（LCGC）把热量传递到加热回路，通过调节加热回路的三通阀开启状态，把制冷剂回路中的热量传递到低温散热器，与外界环境进行散热。经气液热交换器（LCGC）冷却后的气态空调冷媒，相变为高压液态工质，经由膨胀阀进行膨胀减压，空调冷媒变为气液两相态，在冷媒-水热交换器（Chiller）内进行蒸发吸热，对冷却回路进行制冷。冷却回路通过冷却芯体，对乘员舱进行制冷。
图2 空调制冷模式
该制冷方式，不同于传统蒸发器制冷方式，通过冷却回路的工质循环，实现空调系统对乘员舱间接制冷的目的，其具有制冷响应速度慢的缺点，但可避免冷媒工质在乘员舱的泄露风险。
3.1.2 热泵采暖模式
当环境温度较低，乘员舱有采暖需求，热管理系统进入热泵采暖模式，为乘员舱进行加热，其工作过程如图3所示。
图3 热泵制热模式
制冷剂回路中的压缩机对空调冷媒进行压缩，通过气液热交换器（LCGC）把热量传递到加热回路，通过调节加热回路的三通阀开启状态，把制冷剂回路中的热量传递到加热回路。经气液热交换器（LCGC）冷却后的气态空调冷媒，相变为高压液态工质，经由膨胀阀进行减压，空调冷媒变为气液两相态，在冷媒-水热交换器（Chiller）内进行蒸发吸热，实现冷却回路中的热量向加热回路中转移的目的。加热回路通过加热芯体，对乘员舱进行制热。
如果环境温度较低，冷却回路没有足够的热量，制冷剂回路无法得到足够的热量用于乘员舱加热，则启用加热回路的电加热器，采用电能为加热回路进行加热，通过流经暖风芯体的液态工质循环，实现对乘员舱的加热过程。
3.2 电机系统工作模式
电机系统冷却模式主要有自循环模式、散热器冷却模式和热泵散热模式3种。
3.2.1 电机自循环模式
在环境温度较低，整车冷启动工况下，电机本体温度超过一定值，电机水泵开启，同时调节电机回路的四通阀开启状态，控制电机回路冷却液流动方向，对电机回路的低温散热器和冷却回路进行旁通，通过电机回路各部件自身的发热量为电机回路进行加热，与其他回路无热量交互，电机回路温度可快速升高到合适的工作温度，如图4所示。
图4 电机自循环模式
3.2.2 散热器冷却模式
当电机温度较高，电机有冷却需求，电机回路通过调节四通阀的开启状态，控制冷却液流经低温散热器，对电机回路进行冷却，如图5所示。
图5 散热器冷却模式
另外，四通阀的控制可实现不同出口的流量控制，通过控制流经散热器和旁通散热器的流量，可增加对电机回路的温度控制维度。
3.2.3 热泵散热模式
图6所示为，当环境温度较低，乘员舱或动力电池有加热需求，通过调节电机回路的四通阀开启状态，把电机回路冷却液引入到与冷却回路相耦合的热交换器（Heat Exchanger,HXR），把电机回路的热量传递到冷却回路。冷却回路通过冷媒-水热交换器（Chiller）与制冷剂回路实现热量耦合，把冷却回路中的热量作为制冷剂回路的热源，通过制冷剂回路的循环相变过程，最终把热量经过气液热交换器（LCGC）转移到加热回路。根据需要，加热回路可对乘员舱或电池回路进行加热。
图6 热泵散热模式
需要指出，当电机回路有冷却需求时，可通过电机回路四通阀控制一部分流量，流经电机散热器，实现电机回路的多余热量向外界环境散热的目的。当电机回路无冷却需求时，电机回路也需要进入热泵散热模式，优先对乘员舱或电池进行加热，实现热泵循环过程，如果电机回路冷却液温度低于环境温度，可控制部分冷却液流经电机散热器，此时散热器可实现对电机冷却液的加热作用，实现外界环境的热量向制冷剂回路的转移，一定程度上弥补了制冷剂回路无法通过外置冷凝器从外界环境吸热的功能缺陷。
3.3 电池系统工作模式
电池系统热管理模式主要有自循环模式、加热模式和冷却模式3种。
3.3.1 电池自循环模式
当电池没有冷却需求和加热需求情况下，如果电池温度不均匀，最大温差超过一定范围，或电池最大温度超过一定范围，电池水泵开启，同时通过调节电池回路的四通阀开启状态，控制电池回路冷却液流动方向，不流经与加热回路和冷却回路相耦合的热交换器，与加热回路和冷却回路无热量交互，实现电池回路自循环，如图7所示。
图7 电池自循环模式
3.3.2 电池加热模式
当环境温度较低，电池系统处于低温状态，其充放电功率受到限制，影响整车性能。为了保证电池系统能够快速的进入正常工作状态，电池系统发出加热请求，电池进入加热模式，如图8所示。
图8 电池加热模式
在该模式下，电池回路水泵开启，调节电池回路四通阀开启状态，把电池冷却液引入到与加热回路相耦合的热交换器，电池回路通过热交换器与加热回路进行热交换，为了减少电量消耗，可采用制冷剂回路通过气液热交换器（LCGC）对加热回路进行加热，把热量间接传递到电池回路，制冷剂回路可采用外界环境或电机回路作为热源，实现热量的转移。如果不能满足电池系统加热功率需求，则采用加热回路中的电加热器对冷却液进行加热，通过热交换器把热量传递到电池回路。
3.3.3 电池冷却模式
当动力电池温度较高，为了保证动力电池的使用寿命和可靠性，电池系统发出冷却请求，电池回路进入冷却模式，如图9所示。
图9 电池冷却模式
在该模式下，电池回路水泵开启，调节电池回路四通阀开启状态，把电池冷却液引入到与冷却回路相耦合的热交换器，电池回路通过热交换器与冷却回路进行热交换，把电池回路的多余热量转移到冷却回路。
当环境温度较低，电机回路温度低于电池回路温度一定值，同时乘员舱无制冷需求，为了减少电量消耗，可通过冷却回路与电机回路相耦合的热交换器，把冷却回路的热量转移到电机回路，间接实现电机回路为电池回路冷却的目的。
当环境温度高于一定值，或者乘员舱有制冷需求的情况下，冷却回路通过冷媒-水热交换器（Chiller）与制冷剂回路进行热交换，制冷剂回路把冷却回路的热量通过散热器转移到外界环境，间接实现制冷剂回路对电池回路的冷却。
需要特别说明的是，以上空调系统、电机系统和电池系统的工作模式，仅是典型的热管理工作模式，各模式并非完全相互独立，根据所处环境和整车运行工况，可能需要不同的工作模式或组合，具体采用何种热管理工作模式需要根据整车实际运行工况而定。
3.4 热管理回路交互关系
针对苹果电动汽车热管理系统，按照总成和热管理需求上，把整个热管理系统分成制冷剂回路、加热回路、冷却回路、电机回路和电池回路。其中电机回路和电池回路属于总成回路，发出热管理请求；制冷剂回路、加热回路和冷却回路属于热管理需求回路，其目的是满足总成的热管理请求。
根据不同热管理系统工作模式分析，可对苹果电动汽车热管理系统5 个回路之间的相互关系进行汇总，如图10所示。
图10 热管理回路交互关系示意
采用R744 作为冷媒工质的制冷剂回路，通过气液热交换器（LCGC）和冷媒-水热交换器（Chiller）分别与加热回路和冷却回路进行直接交互，实现热量传递过程。加热回路和冷却回路上分别布置加热芯体和冷却芯体，实现乘员舱的制冷和采暖目的。电池回路与加热回路和冷却回路通过热交换器（HXR）进行直接交互，满足电池系统的加热和冷却需求。电机回路与冷却回路通过热交换器（HXR）进行直接交互，以满足电机回路的冷却需求。
另外，电机回路的热量可借助多个热交换器，通过冷却回路-制冷剂回路-加热回路-电池回路的路径，实现向电池回路的热量转移，为低温环境下的电池进行加热。同时，电池回路的热量，在某些特定工况下，可通过冷却回路-电机回路的路径转移到电机回路，实现电机回路对电池回路的被动冷却过程。
4 结论
（1）苹果开始逐渐重视电动汽车产业的发展，从专利上进行电动汽车产业的提前布局，在热管理系统设计上提出新的思路。
（2）苹果热管理系统，按照总成和热管理需求，把整个热管理系统分成5个热管理回路，各回路之间通过热交换器进行交互，可对各回路之间的热量进行平衡。
（3）苹果热管理系统，在结构上实现各回路之间的相互独立，便于热管理系统模块化设计，方便热管理系统在整车组装过程中进行提前装配和集成。
作者：胡志林 张天强 杨钫
中国第一汽车股份有限公司新能源开发院
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