蘋果電動汽車熱管理技術研究

熱管理 2021-01-14

蘋果電動汽車熱管理技術研究

摘要：蘋果公司作為電子高科技產業的龍頭企業，開始逐漸重視電動汽車產業的發展，從專利申請上提前進行產業布局。熱管理系統是影響整車高低溫性能指標的關鍵技術，本文以蘋果電動汽車熱管理系統專利為基礎，對其熱管理系統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。

1 前言

隨著人們生活水平的提高，環境保護意識的增強，零排放無污染的電動汽車迎來了蓬勃發展的機遇，越來越多的廠家開始重視電動汽車產業的發展。除了傳統汽車品牌，市場上也出現了一批又一批的造車新勢力，其中不乏一些深耕于電子高科技產業多年的國際著名品牌，也提前對電動汽車產業進行提前布局。

充電速度和續駛里程是影響電動汽車市場認可度的2個關鍵要素。隨著快充技術和電池能量密度的提升，常溫工況下的用戶使用里程焦慮情緒得到緩解。而電動汽車熱管理系統，是進一步改善整車高低溫性能的關鍵[1-2]。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[4-6]。本文以蘋果電動汽車熱管理系統專利為基礎，對其電動汽車熱管理系統技術新思路進行分析，為電動汽車熱管理系統設計提供參考。

2 熱管理系統拓撲結構分析

蘋果電動汽車熱管理系統包括1個制冷劑回路、加熱回路、冷卻回路、電池回路和電機回路。每1個回路都包含1個熱交換器與其他子系統回路進行耦合，實現加熱和冷卻的目的(圖1)。

制冷劑回路采用模塊化、獨立式系統設計，可封裝為1個組件，與其他車型進行集成，其冷媒采用R744（CO2）工質，可在-30°C環境溫度下穩定運行。在結構布置上，相對于傳統空調回路，其沒有采用單獨的外置空調冷凝器，僅通過氣液熱交換器（LiquidCooled Gas Cooler,LCGC）和冷媒-水熱交換器（Chiller）分別實現與加熱回路和冷卻回路之間的熱量傳遞。

通過三通閥的控制，加熱回路可與制冷劑回路經由氣液熱交換器（LCGC）進行熱量傳遞。根據需要可從冷媒自回路吸收熱量用于乘員艙加熱，或把多余的熱量經由加熱回路的低溫散熱器傳遞到外界環境。同時，加熱回路上也加裝了電加熱器，在回路加熱功率不足時，可采用電能對回路進行加熱。

冷卻回路主要用于乘員艙、電池回路和電機回路的冷卻，借助于Chiller，通過冷媒的相變吸熱過程，把冷卻回路的熱量轉移到制冷劑回路。

電池回路通過2個熱交換器分別與加熱回路和冷卻回路進行耦合，可實現電池回路的加熱或冷卻。引入四通閥控制，可對電池回路的不同熱管理模式進行控制。

電機回路與冷卻回路經由熱交換器，可實現熱量傳遞過程，通過引入四通閥控制，可實現電機回路的低溫散熱器冷卻和冷卻回路冷卻2種冷卻方式的靈活控制。

3 熱管理系統工作模式分析

3.1 空調系統工作模式

空調系統主要有空調制冷模式和熱泵采暖模式2種。下面將對不同的工作模式進行詳細介紹。

3.1.1 空調制冷模式

當環境溫度較高，乘員艙有制冷需求，熱管理系統進入空調制冷模式，為乘員艙進行制冷，其工作過程如圖2所示。

制冷劑回路中的壓縮機對空調冷媒進行壓縮，通過氣液熱交換器（LCGC）把熱量傳遞到加熱回路，通過調節加熱回路的三通閥開啟狀態，把制冷劑回路中的熱量傳遞到低溫散熱器，與外界環境進行散熱。經氣液熱交換器（LCGC）冷卻后的氣態空調冷媒，相變為高壓液態工質，經由膨脹閥進行膨脹減壓，空調冷媒變為氣液兩相態，在冷媒-水熱交換器（Chiller）內進行蒸發吸熱，對冷卻回路進行制冷。冷卻回路通過冷卻芯體，對乘員艙進行制冷。

該制冷方式，不同于傳統蒸發器制冷方式，通過冷卻回路的工質循環，實現空調系統對乘員艙間接制冷的目的，其具有制冷響應速度慢的缺點，但可避免冷媒工質在乘員艙的泄露風險。

3.1.2 熱泵采暖模式

當環境溫度較低，乘員艙有采暖需求，熱管理系統進入熱泵采暖模式，為乘員艙進行加熱，其工作過程如圖3所示。

制冷劑回路中的壓縮機對空調冷媒進行壓縮，通過氣液熱交換器（LCGC）把熱量傳遞到加熱回路，通過調節加熱回路的三通閥開啟狀態，把制冷劑回路中的熱量傳遞到加熱回路。經氣液熱交換器（LCGC）冷卻后的氣態空調冷媒，相變為高壓液態工質，經由膨脹閥進行減壓，空調冷媒變為氣液兩相態，在冷媒-水熱交換器（Chiller）內進行蒸發吸熱，實現冷卻回路中的熱量向加熱回路中轉移的目的。加熱回路通過加熱芯體，對乘員艙進行制熱。

如果環境溫度較低，冷卻回路沒有足夠的熱量，制冷劑回路無法得到足夠的熱量用于乘員艙加熱，則啟用加熱回路的電加熱器，采用電能為加熱回路進行加熱，通過流經暖風芯體的液態工質循環，實現對乘員艙的加熱過程。

3.2 電機系統工作模式

電機系統冷卻模式主要有自循環模式、散熱器冷卻模式和熱泵散熱模式3種。

3.2.1 電機自循環模式

在環境溫度較低，整車冷啟動工況下，電機本體溫度超過一定值，電機水泵開啟，同時調節電機回路的四通閥開啟狀態，控制電機回路冷卻液流動方向，對電機回路的低溫散熱器和冷卻回路進行旁通，通過電機回路各部件自身的發熱量為電機回路進行加熱，與其他回路無熱量交互，電機回路溫度可快速升高到合適的工作溫度，如圖4所示。

3.2.2 散熱器冷卻模式

當電機溫度較高，電機有冷卻需求，電機回路通過調節四通閥的開啟狀態，控制冷卻液流經低溫散熱器，對電機回路進行冷卻，如圖5所示。

另外，四通閥的控制可實現不同出口的流量控制，通過控制流經散熱器和旁通散熱器的流量，可增加對電機回路的溫度控制維度。

3.2.3 熱泵散熱模式

圖6所示為，當環境溫度較低，乘員艙或動力電池有加熱需求，通過調節電機回路的四通閥開啟狀態，把電機回路冷卻液引入到與冷卻回路相耦合的熱交換器（Heat Exchanger,HXR），把電機回路的熱量傳遞到冷卻回路。冷卻回路通過冷媒-水熱交換器（Chiller）與制冷劑回路實現熱量耦合，把冷卻回路中的熱量作為制冷劑回路的熱源，通過制冷劑回路的循環相變過程，最終把熱量經過氣液熱交換器（LCGC）轉移到加熱回路。根據需要，加熱回路可對乘員艙或電池回路進行加熱。

需要指出，當電機回路有冷卻需求時，可通過電機回路四通閥控制一部分流量，流經電機散熱器，實現電機回路的多余熱量向外界環境散熱的目的。當電機回路無冷卻需求時，電機回路也需要進入熱泵散熱模式，優先對乘員艙或電池進行加熱，實現熱泵循環過程，如果電機回路冷卻液溫度低于環境溫度，可控制部分冷卻液流經電機散熱器，此時散熱器可實現對電機冷卻液的加熱作用，實現外界環境的熱量向制冷劑回路的轉移，一定程度上彌補了制冷劑回路無法通過外置冷凝器從外界環境吸熱的功能缺陷。

3.3 電池系統工作模式

電池系統熱管理模式主要有自循環模式、加熱模式和冷卻模式3種。

3.3.1 電池自循環模式

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，或電池最大溫度超過一定范圍，電池水泵開啟，同時通過調節電池回路的四通閥開啟狀態，控制電池回路冷卻液流動方向，不流經與加熱回路和冷卻回路相耦合的熱交換器，與加熱回路和冷卻回路無熱量交互，實現電池回路自循環，如圖7所示。

3.3.2電池加熱模式

當環境溫度較低，電池系統處于低溫狀態，其充放電功率受到限制，影響整車性能。為了保證電池系統能夠快速的進入正常工作狀態，電池系統發出加熱請求，電池進入加熱模式，如圖8所示。

在該模式下，電池回路水泵開啟，調節電池回路四通閥開啟狀態，把電池冷卻液引入到與加熱回路相耦合的熱交換器，電池回路通過熱交換器與加熱回路進行熱交換，為了減少電量消耗，可采用制冷劑回路通過氣液熱交換器（LCGC）對加熱回路進行加熱，把熱量間接傳遞到電池回路，制冷劑回路可采用外界環境或電機回路作為熱源，實現熱量的轉移。如果不能滿足電池系統加熱功率需求，則采用加熱回路中的電加熱器對冷卻液進行加熱，通過熱交換器把熱量傳遞到電池回路。

3.3.3 電池冷卻模式

當動力電池溫度較高，為了保證動力電池的使用壽命和可靠性，電池系統發出冷卻請求，電池回路進入冷卻模式，如圖9所示。

在該模式下，電池回路水泵開啟，調節電池回路四通閥開啟狀態，把電池冷卻液引入到與冷卻回路相耦合的熱交換器，電池回路通過熱交換器與冷卻回路進行熱交換，把電池回路的多余熱量轉移到冷卻回路。

當環境溫度較低，電機回路溫度低于電池回路溫度一定值，同時乘員艙無制冷需求，為了減少電量消耗，可通過冷卻回路與電機回路相耦合的熱交換器，把冷卻回路的熱量轉移到電機回路，間接實現電機回路為電池回路冷卻的目的。

當環境溫度高于一定值，或者乘員艙有制冷需求的情況下，冷卻回路通過冷媒-水熱交換器（Chiller）與制冷劑回路進行熱交換，制冷劑回路把冷卻回路的熱量通過散熱器轉移到外界環境，間接實現制冷劑回路對電池回路的冷卻。

需要特別說明的是，以上空調系統、電機系統和電池系統的工作模式，僅是典型的熱管理工作模式，各模式并非完全相互獨立，根據所處環境和整車運行工況，可能需要不同的工作模式或組合，具體采用何種熱管理工作模式需要根據整車實際運行工況而定。

3.4 熱管理回路交互關系

針對蘋果電動汽車熱管理系統，按照總成和熱管理需求上，把整個熱管理系統分成制冷劑回路、加熱回路、冷卻回路、電機回路和電池回路。其中電機回路和電池回路屬于總成回路，發出熱管理請求；制冷劑回路、加熱回路和冷卻回路屬于熱管理需求回路，其目的是滿足總成的熱管理請求。

根據不同熱管理系統工作模式分析，可對蘋果電汽車動汽車熱管理系統5個回路之間的相互關系進行匯總，如圖10所示。

采用R744作為冷媒工質的制冷劑回路，通過氣液熱交換器（LCGC）和冷媒-水熱交換器（Chiller）分別與加熱回路和冷卻回路進行直接交互，實現熱量傳遞過程。加熱回路和冷卻回路上分別布置加熱芯體和冷卻芯體，實現乘員艙的制冷和采暖目的。電池回路與加熱回路和冷卻回路通過熱交換器（HXR）進行直接交互，滿足電池系統的加熱和冷卻需求。電機回路與冷卻回路通過熱交換器（HXR）進行直接交互，以滿足電機回路的冷卻需求。

另外，電機回路的熱量可借助多個熱交換器，通過冷卻回路-制冷劑回路-加熱回路-電池回路的路徑，實現向電池回路的熱量轉移，為低溫環境下的電池進行加熱。同時，電池回路的熱量，在某些特定工況下，可通過冷卻回路-電機回路的路徑轉移到電機回路，實現電機回路對電池回路的被動冷卻過程。

4 結論

（1）蘋果開始逐漸重視電動汽車產業的發展，從專利上進行電動汽車產業的提前布局，在熱管理系統設計上提出新的思路。

（2）蘋果熱管理系統，按照總成和熱管理需求，把整個熱管理系統分成5個熱管理回路，各回路之間通過熱交換器進行交互，可對各回路之間的熱量進行平衡。

（3）蘋果熱管理系統，在結構上實現各回路之間的相互獨立，便于熱管理系統模塊化設計，方便熱管理系統在整車組裝過程中進行提前裝配和集成。

參考文獻

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