2014款宝马i8高电压蓄电池单元(二)

◆文/山东 刘春晖

(接上期)

3.排气单元

排气单元有两项任务。第一项任务是补偿高电压蓄电池单元内部和外部的较大压力差。只有某一电池损坏时才会产生这种压力差。在此情况下，出于安全原因，损坏电池的电池模块壳体会打开，以便降低压力。气体首先存在于高电压蓄电池单元壳体内。从此处可通过排气单元排到外面。此外热交换器泄漏和制冷剂溢出时，压力会升高。排气单元横截面如图11所示。

图11 排气单元横截面

排气单元的第二项任务是向外输送高电压蓄电池单元内部产生的冷凝物。在高电压蓄电池单元内部除技术组件外还有空气。通过较低环境温度或启用冷却功能后通过制冷剂对空气或壳体进行冷却时，空气中的部分水蒸气就会冷凝。因此在高电压蓄电池单元内部可能会形成少量液态水,这不会对功能产生任何影响。空气或壳体再次受热时水就会重新蒸发，同时壳体内的压力稍稍增大。排气单元可通过向外排出受热空气进行压力补偿。同时会将空气中包含的水蒸气(通过这种方式也将之前的液态冷凝物)一同向外排出。排气单元固定方式如图12所示。

图12 排气单元固定方式

为了完成上述任务，排气单元带有一个透气(和水蒸气)但不透水的隔膜。在隔膜上方有一个心轴，高电压蓄电池单元内过压较高时该心轴会毁坏隔膜。在上方通过一个两件式盖板来防止粗杂质进入。维修时可将排气单元作为一个整体进行更换。排气单元出现机械损伤时建议进行更换。

4.制冷剂循环回路接口

为对高电压蓄电池进行冷却，将其接入空调系统制冷剂循环回路内。为了能够根据需要进行冷却，在高电压蓄电池单元上有一个电气控制式膨胀和截止组合阀。宝马i8不使用热力泵，因此膨胀和截止组合阀只有一种规格。膨胀和截止组合阀以硬绞线方式与SME控制单元连接在一起，并由该控制单元直接进行控制。供电中断时阀门关闭，此时没有制冷剂流入高电压蓄电池单元内。阀门只能识别出“关闭”和“打开”位置。通过温度方式调节流入的制冷剂量。

三、冷却系统

1.概览

如图13所示，为了尽可能延长高电压蓄电池的使用寿命并获得最大功率，需在规定温度范围内使用蓄电池。原则上在-40～+55℃范围内(实际电池温度)高电压蓄电池单元处于可运行状态。就温度特性而言，高电压蓄电池单元是一个惰性系统，即电池需要几个小时才能达到环境温度。在极其炎热或寒冷的环境下短暂停留并不表示电池也已达到同样温度。

就使用寿命和功率而言，最佳电池温度范围明显缩小，为+25～+40℃。如果在功率输出较高的同时电池温度一直明显超出该范围，就会降低电池的使用寿命。为了消除该影响并在所有车外温度条件下确保最大功率，宝马i8的高电压蓄电池单元带有自动运行的冷却装置。在宝马i8上未安装高电压蓄电池单元加热装置。

2.高电压蓄电池冷却系统

宝马i8的高电压蓄电池单元整个冷却系统如图14所示，高电压蓄电池单元直接通过制冷剂进行冷却。在欧规车辆上使用新型制冷剂R1234yf；在美规车辆上使用常用的R134a。因此空调系统的制冷剂循环回路由两个并联支路构成(图15)：一个用于车内冷却，一个用于高电压蓄电池单元冷却。每条支路都有一个膨胀和截止组合阀，用于相互独立地控制冷却功能。蓄能器管理电子装置可通过施加电压控制并打开高电压蓄电池单元上的膨胀和截止组合阀。这样可使制冷剂流入高电压蓄电池单元内，在此膨胀、蒸发和吸收环境热量。车内冷却同样根据需要来进行。蒸发器前的膨胀和截止组合阀同样可以电气方式进行控制，但由电机电子装置EME进行控制。

图15 带有高电压蓄电池单元的制冷剂循环回路

高电压蓄电池单元内的冷却系统如图16所示，将液态制冷剂喷入热交换器内时制冷剂蒸发。蒸发的制冷剂通过这种方式吸收环境空气的热量并使其冷却。之后电动制冷剂压缩机将气态制冷剂压缩至较高压力水平。之后通过冷凝器将热量排放到环境空气中并使制冷剂重新变为液态聚集状态。

图16 高电压蓄电池单元内的冷却系统

在宝马i8上根据高电压蓄电池单元的安装位置采用了两个上下叠加的电池模块。为了确保通过制冷剂可使电池充分冷却，采用了一个两件式热交换器。热交换器分别位于三个上部和三个下部电池模块下方。它由铝合金平管构成，与内部冷却液管路相连。

3.冷却系统功能

根据冷却系统的功能可实现关闭冷却系统和接通冷却系统两种运行状态。主要根据电池温度、车外温度以及高电压蓄电池获取或输送的功率来启用这些运行状态。SME控制单元根据输入参数决定需要哪种运行状态。图17展示了输入参数、SME控制单元的作用以及用于控制的执行机构。

图17 高电压蓄电池单元冷却系统的输入/输出

(1)“关闭冷却系统”运行状态

电池温度已处于或低于最佳范围时就会启用“关闭冷却系统”运行状态。车辆在适中环境温度下以较低电功率行驶时通常就会启用该运行状态。“关闭冷却系统”运行状态非常高效，因为不需要其他能量来对高电压蓄电池进行冷却。

相关组件按以下方式工作：

①需要对车内空间进行冷却时，电动制冷剂压缩机不运行或以较低功率运行。

②高电压蓄电池单元上的膨胀和截止组合阀关闭。

(2)“接通冷却系统”运行状态

进行冷却时，IHKA要求电机电子装置内的高电压电源管理系统提供用于电动制冷剂压缩机的电功率。

(3)组件工作方式

在冷却运行状态下组件工作方式如下：

①SME控制单元提出冷却要求。

②IKHA授权后，SME控制单元控制高电压蓄电池单元上的膨胀和截止组合阀。通过这种方式使该阀打开，制冷剂流入高电压蓄电池单元内。

③电动制冷剂压缩机运行。

膨胀阀后压力下降后，高电压蓄电池单元的管路和冷却通道内的制冷剂蒸发。在此制冷剂吸收电池模块和电池的热量并对其进行冷却。蒸发的制冷剂离开高电压蓄电池单元，经电动制冷剂压缩机压缩并在冷凝器内液化。虽然该过程需要高电压车载网络提供能量，但其意义非常重大：只有这样才能确保电池具有较长使用寿命和较高效率。

直辖市、省会(首府)城市、计划单列市以及国务院确定的其他城市,扣除标准为每月1500元；除第一项所列城市以外,市辖区户籍人口超过100万的城市,扣除标准为每月1100元；市辖区户籍人口不超过100万的城市,扣除标准为每月800元。

电池温度明显低于最佳运行温度(20℃)时，其功率会暂时受限且能量转换效率也不理想。这是无法避免的锂离子蓄电池化学效应。

如果长时间(例如多日)将宝马i8停放在极低环境温度条件下，电池也会变为与环境温度相同。在此情况下，开始行驶时可能无法提供最大电动驱动功率。但客户并不会有所察觉，因为此时由内燃机驱动车辆。

4.系统组件

(1)热交换器

如图18所示，在高电压蓄电池单元内部，制冷剂在管路和铝合金冷却通道内流动。通过入口管路流入的制冷剂在高电压蓄电池单元接口后分入上部和下部热交换器。流经供给管路的制冷剂在热交换器内分入两个冷却通道并通过流经冷却通道吸收电池模块的热量。在冷却通道端部将制冷剂输送至相邻冷却通道内，由此回流并继续吸收电池模块的热量。

图18 高电压蓄电池单元内的冷却组件

在端部，所有热交换器的两个回流管路汇集为一个共同的回流管路。共同的回流管路将蒸发的制冷剂输送回高电压蓄电池单元接口。

在下部热交换器的供给管路上装有一个温度传感器，传感器信号用于控制和监控冷却功能。该信号直接由SME控制单元读取。

为了确保冷却通道完成排出电池模块热量的任务，必须以均匀分布的作用力将冷却通道整个面积压到电池模块上。该压紧力通过嵌入冷却通道的弹簧条产生。弹簧条针对电池模块几何形状和下半部分壳体进行了相应调节。

下部热交换器的弹簧支撑在高电压蓄电池单元的下半部分壳体上，从而将冷却通道压到电池模块上。上部热交换器的弹簧支撑在电池模块连接器之间的铝合金导轨上。

制冷剂管路、冷却通道和弹簧条共同构成了一个单元，进行修理时可单独更换该单元。为简单起见，该单元又称为热交换器，但不要与传统车辆前部的热交换器混淆。两个热交换器均为较长组件。但较长的冷却通道并不采用自支撑设计，而是采用相对较薄的壁厚。这样一方面具有出色的导热性，另一方面也因此导致机械稳定性较弱。处于安装状态时这不是什么缺点，因为高电压蓄电池单元壳体可确保机械稳定性。但在维修过程中进行热交换器操作时要特别小心。

注意：更换热交换器时必须严格遵守维修说明并要特别小心。需由两人来安装新的热交换器，以免造成新部件损坏。

(2)制冷剂温度传感器

不直接测量制冷剂温度。而是将温度传感器安装在高电压蓄电池单元内一段制冷剂管路上。

根据制冷剂管路温度可确定流入的制冷剂温度以及可提供的冷却功率。制冷剂温度传感器以硬线方式与SME控制单元相连，在此进行信号分析。该传感器是一个NTC电阻，其电阻值随温度升高而减小。出现故障时可单独更换制冷剂温度传感器。

(3)膨胀和截止组合阀

膨胀和截止阀(图19)通过限制流通截面降低制冷剂压力，从而使制冷剂蒸发。这样可吸收环境热量并使电池模块冷却。此外还可关断制冷剂循环回路，从而确保不再有制冷剂流入热交换器内。

图19 膨胀和截止组合阀

宝马i8使用基本型膨胀和截止组合阀。该型号阀门通过一根直接线由SME控制单元进行控制。电气控制装置可识别出两种状态：0V控制电压表示阀门保持关闭状态。12V控制电压表示阀门打开。

与传统的空调系统膨胀阀一样，该膨胀和截止阀也通过温度方式即根据制冷剂温度自动调节其开度。