大众ID.4纯电动汽车高电压系统详解

大众ID.4纯电动汽车是2021年世界年度车型，高电压系统经过全新设计，与模块化纯电动平台架构无缝集成。动力蓄电池是车辆底盘的一部分，安装在车辆下部，以提供较低的重心。ID.4纯电动汽车高电压系统如图1所示。

图1 ID.4纯电动汽车高电压系统

ID.4上市后先配备了82kWh的动力蓄电池，稍后将提供62kWh动力蓄电池的车型。82kWh动力蓄电池在12个电池模块中有288个单体电池。这些电池模块安装在一个轻型铝制结构的壳体中，动力蓄电池外壳用螺栓固定在车身上。

ID.4可以通过交流(AC)和直流(DC)快速充电桩充电。车载充电器允许ID.4充电使用家用或公共2级充电桩，动力蓄电池充电1h，可以行驶约53km，并在约7.5h内充满电(图2)。在直流快速充电站，使用125kW的充电桩，ID.4可以在大约38min内从5%充电到80%，充电口如图3所示。

图2 ID.4充电

图3 ID.4充电口

01

电器元件位置

ID.4纯电动汽车的高电压电气元件包括动力蓄电池AX2、电压转换器A19、高电压加热器(PTC)ZX17、PTC加热器元件Z132、空调压缩机VX81、动力蓄电池充电器AX4、充电口UX4、三相电流驱动电机VX54、电机电力和控制电子装置JX1，电气元件位置如图4所示。

图4 电气元件位置图

1-动力蓄电池；2-高电压加热器；3-PTC加热器元件；4-空调压缩机；5-电压转换器；6-充电口；7-动力蓄电池充电器；8-三相电流驱动电机；9-电机的电力和控制电子装置。

02

动力蓄电池AX2

82kWh锂离子动力蓄电池AX2的最大交流充电功率为11kW，最大直流充电功率为125kW。包括12个蓄电池模块，如图5所示。62kWh锂离子动力蓄电池的最大交流充电功率为7.2kW，最大直流充电功率为50kW。包括9个蓄电池模块，如图6所示。

图5 82kWh动力蓄电池

图6 62kWh动力蓄电池

锂离子动力蓄电池AX2的技术规范包括质量382~503kg，净能量含量58~77kWh，额定电压400V，蓄电池模块数量9～12个，容量156 ~234Ah，冷却系统使用液体冷却，工作温度范围为-28~60℃，防护等级IP6K7、IP6K9K。动力蓄电池正负极位置如图7所示。

图7 动力蓄电池正负极位置

蓄电池模块

对于82kWh的动力蓄电池，蓄电池模块配置为8个串联和3个并联。对于62kWh蓄电池，蓄电池模块布置为12个串联和2个并联。蓄电池模块技术规范如表1所示，单体排布如图8~10所示。

表1 蓄电池模块技术规范

图8 蓄电池模块正负极端子

图9 82kWh蓄电池模块单体排布

图10 62kWh蓄电池模块单体排布

高低压电气接头

动力蓄电池的高低压电气接头如图11所示。低压电气接头端子包括端子30、端子30C、端子31、安全气囊控制电脑J234、动力蓄电池冷却液温度传感器G898、动力蓄电池冷却液温度传感器G899、控制线、加热元件(PTC) Z132、动力系CAN总线、动力蓄电池冷却液泵V590、动力蓄电池加热混合阀V683、动力蓄电池加热混合阀V696。

图11 高低压电气接头

动力蓄电池的开关单元

动力蓄电池两个开关单元之间的元件有不同的分工，这样能够适应不同动力蓄电池所需的不同空间。ID.4电机电力和控制电子装置JX1中的中间电路电容器C25由电压转换器A19预充电，这样就不需要预充电继电器和预充电电阻器。62kWh动力蓄电池的开关单元如图12所示。

图12 动力蓄电池的开关单元

动力蓄电池控制装置负极端子SX7的开关单元

动力蓄电池中断熔丝S415是一种烟火式熔丝，可以提高高压系统的安全级别。发生故障时，它的跳闸速度比高压继电器快。如果熔丝跳闸，则必须更换整个动力蓄电池控制装置SX7，而不能只替换或复位熔丝。高压接头上有电压端子，蓄电池调节控制装置J840使用这些端子监控高压接头。动力蓄电池控制装置负极端子SX7的开关单元如图13所示。

图13 动力蓄电池控制装置负极端子SX7的开关单元

动力蓄电池控制装置正极端子SX8的开关单元

动力蓄电池控制装置正极端子SX8的开关单元内部有一个高压系统熔丝S352。这个熔丝一旦熔断，无法更换或复位，需要更换整个动力蓄电池控制装置正极端子SX8的开关单元。这个熔丝保护的高压系统元件包括动力蓄电池充电器AX4、加热元件(PTC)Z132、高压加热器(PTC)ZX17、空调压缩机VX81、电压转换器A19。动力蓄电池控制装置正极端子SX8的开关单元如图14所示。

图14 动力蓄电池控制装置正极端子SX8的开关单元

蓄电池调节控制装置J840

蓄电池调节控制装置J840的功能包括使用动力系CAN总线进行通信，内部数据总线系统的主控制单元，监测和控制动力蓄电池中的开关单元，对控制线进行监测，监测绝缘电阻，提供动力蓄电池的测量值，在发生故障时，熔断熔丝S415，中断动力蓄电池供电。蓄电池调节控制装置如图15所示。

图15 蓄电池调节控制装置J840

蓄电池调节控制装置J840的针脚分配包括32针连接、12针连接和40针连接。32针连接接到蓄电池外壳上的低压电气接头，连接CAN总线和LIN总线的蓄电池模块控制装置J1208–J1210，以及蓄电池外壳的接地连接。12针连接动力蓄电池开关单元中高压接头前后的电压信号。40针连接高压蓄电池中断熔丝S415，动力蓄电池高压加热器1号温度传感器G1132，动力蓄电池高压加热器2号温度传感器G1133，动力蓄电池电压传感器G848，动力蓄电池电压2号传感器G1131。

蓄电池模块控制装置J1208-J1210

每个蓄电池模块控制装置最多连接4个蓄电池模块。根据蓄电池的大小，使用2～3个控制装置。通过蓄电池模块控制装置J1208-J1210，蓄电池调节控制装置J840可以监测蓄电池电压，监测模块温度，平衡单体电池，如图16所示。

图16 蓄电池模块控制装置J1208-J1210

22针连接将蓄电池模块控制装置连接到各个蓄电池模块。12针连接用于连接其他蓄电池模块控制装置或蓄电池调节控制装置J840。ID.4车型的单体电池具有被动平衡功能。这表示使用电阻器可以将所有单体电池放电至单体电池的最弱电压等级。

03

三相电流驱动电机VX54

三相电流驱动电机VX54与电机电力和控制电子装置JX1一起安装在车辆后部。它与低温冷却回路相连。三相电流驱动电机VX54包括带转子和定子的电机V141、电机温度传感器G712、电机转子位置传感器G713。电机V141如图17所示。

图17 电机V141

电机V141的定子采用发夹法制造。单个定子元件看起来像发夹。除了自动化大批量生产的优势外，与绕线线圈设计相比，定子具有更好的散热和更低的转子损耗。

电机温度传感器G712

电机温度传感器G712位于两个定子电磁线圈之间，以改进信号检测。它是负热系数(NTC)传感器，向电机电力和控制电子装置JX1报告电机温度。电机温度传感器的温度信号可以防止电机V141过热。温度达到160℃时，电机降低输出功率。电机温度传感器G712如图18所示。

图18 电机温度传感器G712

电机转子位置传感器G713

电机转子位置传感器G713安装在三相电流驱动电机VX54上，作为具有高级评估功能的感应传感器。传感器轮安装在驱动它的电机转子上。电机转子位置传感器G713判断位置、旋转方向和部件公差。它直接与电机电力和控制电子装置JX1连接。电机转子位置传感器G713如图19所示。

图19 电机转子位置传感器G713

04

电机电力和控制电子装置JX1

电机电力和控制电子装置JX1位于三相电流驱动电机上方，如图20所示。电机电力和控制电子装置JX1的电压范围为150～475V，最大电流为450A，频率为9～10Hz，该元件有一个集成电容器，这就是高压系统断电时需要进行二次电压检查的原因。

电机电力和控制电子装置JX1的组成元件包括：①电机驱动控制装置J841；②电磁兼容与抑制滤波器；③驱动电机逆变器A37；④中间电路电容器C25；⑤电机V141连接电缆；⑥冷却液接头。如图21所示。

图20 电机电力和控制电子装置位置

图21 电机电力和控制电子装置JX1

电机电力和控制电子装置JX1使用三相电流驱动电机VX54中的低温冷却回路进行冷却。电机电力和控制电子装置JX1是新设计的，提高了载流能力和连续性输出。它与三相电流驱动电机VX54之间有一个水密连接，可以分别更换。电机电力和控制电子装置JX1和三相电流驱动电机VX54是各自独立的单元，对于任何维修步骤，装配时必须进行气密性测试。电机电力和控制电子装置JX1中的任何元件都不能单独更换。

电机控制装置J841位于电机电力和控制电子装置JX1内部，无法单独更换。它的功能包括执行驾驶员的请求、监测三相电流电机温度、识别转子位置。电机控制装置J841连接电机温度传感器G712和电机转子位置传感器G713。它调节和监控三相电流电机，并控制三相交流电压驱动电机的DC/AC转换器A37，如图22所示。

图22 电机控制装置J841

电机控制装置J841使用电机转子位置传感器G713确定电机V141转子的转速和位置。这些信号数据用于精确启动电机，电机温度传感器G712用于判断电机V141的温度，电机控制装置J841中的内部温度传感器判断电机电力和控制电子装置JX1中的元件温度。

05

动力蓄电池充电器AX4

动力蓄电池充电器AX4输入电压为78～272V，两相电，输入电流为16～50A，输出电压为220～470V，最大交流充电容量为7.2～11kW，效率为94%，工作温度范围在-40～65℃。

动力蓄电池充电器AX4安装在车辆后部，它将交流电转换为直流电，向动力蓄电池充电。动力蓄电池充电器由动力蓄电池充电器控制装置J1050进行调节，蓄电池充电器控制装置J1050监控和调节充电过程。直流充电过程也由蓄电池充电器控制装置J1050监控和调节。82kWh蓄电池的最大直流充电功率为125kW。动力蓄电池充电器AX4如图23所示。

图23 动力蓄电池充电器AX4

直接连接动力蓄电池充电器AX4的元件包括高压充电门锁调节器F496、充电口的LED模块L263、高压充电接头锁调节器F498、带充电口温度传感器G853的动力蓄电池充电口1、充电口温度传感器G1151、充电口温度传感器G1152。

06

高电压加热器（PTC）ZX17

高电压加热器(PTC)ZX17的额定电压为150～475V，激活0～100%，最大输入功率为6kW，最大输入电流为21A，质量为1.9kg，交流/直流绝缘＞10MΩ，通信LIN总线，如图24所示。

高电压加热器(PTC)ZX17安装在ID.4的空调箱内，加热车内空气，并通过脉宽调制(PWM)实现无级变化。高压加热器有自己的高电压加热器(PTC)控制装置J848，由暖风和空调控制电脑J979通过LIN总线进行控制和监控。

图24 高电压加热器(PTC)ZX17

07

PTC加热器原件Z132

PTC 加热器元件Z13 2 额定电压为15 0～475 V，激活0～100%，最大功率功耗为5.5kW，最大输入电流为30A，通信LIN总线，如图25所示。

图25 PTC加热器元件

PTC加热器元件Z132安装在车辆前部，它加热动力蓄电池的冷却液，并使用脉宽调制(PWM)无级变化。温度传感器位于冷却液入口和出口处。PTC加热器元件Z132通过LIN总线连接蓄电池调节控制装置J840。

08

电压转换器A19

电压转换器A19额定输入电压为150～475V，12V充电功率为3kW。电压转换器A19位于车辆前部，为12V电气系统供电。电压转换器A19使用双向操作对电机电力和控制电子装置JX1中的中间电路电容器C25进行充电和放电。这就是为什么它是补充动力蓄电池AX2的额外高压电源。还必须对电压转换器A19进行检查，以确保它在高压系统停用时断电。电压转换器A19由冷却液冷却，如图26所示。

电压转换器A19的双向操作仅用于对电机电力和控制电子装置JX1的中间电路电容器进行充电和放电。无法给动力蓄电池充电。

图26 电压转换器A19

09

电动空调压缩机VX81

电动空调压缩机VX181使用涡旋型压缩机，电压为195～470V，转速为600～8 600r/min，最大功耗为5.5kW，环境温度在-5～70℃时，空调模式运转。能够在-40～70℃之间的环境温度下通信，使用R1234yf或R744制冷剂，如图27所示。

图27 电动空调压缩机VX181

10

动力蓄电池热量管理

ID.4中的所有动力蓄电池都有一个主动热量管理系统。铝制散热器位于蓄电池壳体外部。这可防止冷却液与蓄电池外壳内的高压元件接触。动力蓄电池模块通过导热贴连接至蓄电池壳体的底座。铝制散热器还通过导热贴连接到壳体底座。坚固的铝制车底护板可防止散热器受到机械损坏，如图28所示。

冷却液温度传感器直接连接到蓄电池调节控制装置J840。控制装置使用传感器信号调节动力蓄电池冷却液泵V590。

图28 蓄电池散热器

蓄电池冷却不仅发生在车辆行驶时，还可在充电过程中激活。这明显降低了蓄电池温度的升高，尤其是在使用直流充电时。这样允许更快的充电速度，即使是重复充电过程。

动力蓄电池可以主动冷却和加热。这取决于蓄电池内部温度。蓄电池内部温度低于8℃时，通过加热元件(PTC)Z132进行加热；充电期间，蓄电池内部温度高于30℃时，通过冷凝器进行冷却；车辆行驶，蓄电池内部温度高于35℃时，通过冷凝器进行冷却。动力蓄电池可以主动冷却和加热也可以集成在低温冷却回路中，不同的操作状态如下所示。

不带热泵的冷却液回路

当温度为15℃或更高时，节温器打开，允许冷却液流向散热器。混合阀可用于将蓄电池集成到低温电路中，或在带有加热元件(PTC)Z132的单独回路中保持正确的温度。

蓄电池调节控制装置J840控制动力蓄电池的热量管理。在不带热泵的配置中，它调节动力蓄电池加热的混合阀V683和动力蓄电池冷却液泵V590。低温回路冷却液泵V468始终由发动机控制电脑J623激活，如图29所示。

带热泵的冷却液回路

图29 不带热泵的冷却液回路

ID.4对带热泵的冷却液回路已经进行了调整，包括用于动力蓄电池预热的混合阀V696。冷凝器和加热元件(PTC)Z132现在安装在冷却液回路的分支中，可以单独控制。这是必要的，以便在热泵运行时单独启动冷凝器，同时使用加热元件(PTC)加热Z132蓄电池。

蓄电池调节控制装置J840控制动力蓄电池的热量管理。在配备热泵的车型中，它调节动力蓄电池加热的混合阀V683、动力蓄电池加热的混合阀V696和动力蓄电池冷却液泵V590。低温回路冷却液泵V468始终由发动机控制电脑J623激活，如图30所示。下面显示几种加热和冷却模式。

图30 带热泵的冷却液回路

带热泵车辆的冷却和加热六种模式

打开散热器旁通，蓄电池没有冷却或加热

此时节温器温度低于15℃，蓄电池温度8～35℃，热泵无需求。节温器打开散热器旁通阀，用于动力蓄电池预热的混合阀V696启动最低可能的低温冷却回路。当热泵工作时，低温回路冷却液泵V468启动，同时使用加热元件(PTC)Z132加热蓄电池，如图31所示。

图31 打开散热器旁通，蓄电池没有冷却或加热

打开散热器旁通,蓄电池已加热

此时节温器温度低于15℃，蓄电池温度低于8℃，热泵无需求。对于动力蓄电池加热，启动最低可能的低温冷却回路。节温器打开散热器旁通阀，用于动力蓄电池预热的混合阀V696启动最低可能的低温冷却回路。两个冷却液泵均已启动,如图32所示。

图32 打开散热器旁通,蓄电池已加热

散热器工作，蓄电池没有冷却或加热

此时节温器温度低于15℃，蓄电池温度8～35℃，热泵无需求。节温器关闭散热器旁通阀，接着动力蓄电池加热的混合阀V696启动最低可能的低温冷却回路。只有低温回路冷却液泵V468被激活。如图33所示。

图33 散热器工作，蓄电池没有冷却或加热

散热器工作，蓄电池由冷凝器冷却

此时节温器温度低于15℃，车辆运行时，蓄电池温度高于35℃；充电时，蓄电池温度高于30℃，热泵无需求。节温器关闭散热器旁通，然后用于动力蓄电池加热的混合阀V696启动最低可能的低温冷却回路。用于动力蓄电池预热的混合阀V683启动蓄电池冷却液回路。两个冷却液泵均已启动，如图34所示。

图34 散热器工作，蓄电池由冷凝器冷却

散热器工作，蓄电池由低温回路冷却

此时节温器温度高于15℃，蓄电池温度高于30℃，热泵无需求。节温器关闭散热器旁通，然后用于动力蓄电池加热的混合阀V696打开与蓄电池的连接。用于动力蓄电池预热的混合阀V683启动蓄电池冷却液回路。两个冷却液泵均已启动，如图35所示。

图35 散热器工作，蓄电池由低温回路冷却

散热器工作，蓄电池没有加热或冷却

此时节温器温度高于15℃，蓄电池温度8～30℃，热泵有需求。节温器关闭散热器旁通，然后用于动力蓄电池加热的混合阀V696打开与蓄电池的连接。用于动力蓄电池加热的混合阀V683激活蓄电池加热回路。只激活低温回路冷却液泵V468，如图36所示。

图36 散热器工作，蓄电池没有加热或冷却