奥迪e-tron纯电动汽车的热能管理系统

◆文/山东 刘春晖 刘倩

(作者刘倩工作单位：安徽省汽车工业学校)

一、温度管理系统

从热力学角度讲，温度管理指的是对能量流的控制，尤其是热流的控制；从车辆技术角度讲，温度管理指的是车上与能量相关的热效率的优化。在电驱动车上，温度管理的目的是要降低功耗，从而提高可达里程。另外，温度管理系统还负责调控电动部件(比如高压蓄电池、充电器、电机及其相关件)。当然，保持车内温度舒适，也是温度管理系统的任务。

温度管理系统的目标是电动部件产生的余热不能不利用就排到大气里，要实现检查一下车上部件的热量需求情况。因为内燃机上废气温度与大气温度之间的温度差，要远大于电驱动装置电机的温度差。比如：温度管理系统应在所有情况下都将高压蓄电池的温度保持在约25～35℃这个效率最佳的温度区间。这意味着从冬季月份的冷启动到炎热夏季的高速公路上的快速行驶，这些工况都考虑到了。

如图1所示，奥迪e-tron上的温度管理系统由4个循环管路构成，这几个循环管路可按需要以不同方式彼此连接在一起，以便对车内和电动系统加热或者冷却。这4个循环管路通过智能的彼此相连，收集来自电机、功率电子装置和高压蓄电池的余热。热泵可使之到达更高温度，从而可用于加热车内。热循环不但用于加热车内，还可以用于给高压蓄电池提供热量。奥迪e-tron热能管理系统主要部件一览如图2所示，该图展示了车上制冷剂循环管路、加热循环管路、高压蓄电池和电驱动系统冷却循环管路的管路和软管。

1.制冷剂循环

如图3所示，制冷剂环路分为两个支路：一个支路用于车内空调，另一个支路冷却高压蓄电池(通过高压蓄电池热交换器E)。车内空调部件(从制冷剂循环管路开始)也能在图3中看到：电动空调压缩机V470，制冷剂压力和制冷剂温度传感器1 G395，制冷剂压力和制冷剂温度传感器2 G826，阀体B，冷凝器1，制冷剂循环管路止回阀2，内部热交换器3和加热/空调器A。

制冷剂在热膨胀阀4内卸压，这样就可吸收车内的热量并引走热量了。随后制冷剂再次返回到电动空调压缩机。

用于经高压蓄电池热交换器E来对高压蓄电池实施冷却的制冷剂循环管路要素如下(按功能顺序)：在制冷剂再次经过冷凝器1、制冷剂循环管路上的止回阀2后，压缩并冷却下来的制冷剂流向制冷器E，在制冷剂膨胀阀2 N637内膨胀并急剧冷却(就像空调器那样的)，吸收冷却环路中的热量并返回到电动空调压缩机V470。目前使用的制冷剂是R1234yf。

制冷剂循环管路的相互连接的第三种形式，是使用热泵的情况。在这种情况时，高压蓄电池的热交换器E会吸收热量，在电动空调压缩机V470中压缩并继续加热但并不卸压，以便把这些在热泵工作模式的热交换器F(连同冷凝器)内的热量传送给车内空间加热循环管路来加热车内。

2.加热循环管路

如图3所示，有两个加热循环管路：一个只用于通过高压加热器或者热泵来给车辆内部空间加热，另一个是在充电时给高压蓄电池加热。高压加热器(PTC)Z115 (另有一个选装的高压加热器2(PTC)Z190，是串联的)用于加热流经的冷却液，冷却液经温度管理系统冷却液温度传感器2 G903去往热交换器8，这些热量就把车内空间加热了。被加热了的冷却液由温度管理系统冷却液泵2 V618来进行输送并流经热泵工作模式的热交换器F(连同冷凝器)。冷却液切换阀1 N632可实现各种加热循环管路组合的切换。

3.高压蓄电池冷却循环管路

如图3所示，高压蓄电池冷却循环管路在AC充电时会对高压蓄电池1 AX2和高压蓄电池充电器1和2(AX4和AX5)进行冷却。高压蓄电池可以被动地通过低温散热器来进行冷却，也可以主动地由制冷器通过制冷剂循环管路来冷却。高压蓄电池充电器1和2(AX4和AX5)是通过低温散热器来冷却的。

两个冷却液切换阀N634和N635负责管控高压蓄电池冷却循环管路是单独工作还是与加热循环管路或者与电驱动系统冷却循环管路一同工作。目前使用的冷却液是G12evo。根据具体使用的国度情况，该冷却液是40%冷却液添加剂加60%蒸馏水，或者是50%冷却液添加剂加50%蒸馏水。

4.电驱动系统的冷却循环管路

如图3所示，温度管理系统冷却液泵4 V620输送的液流会经过前桥和后桥上的电驱动装置控制单元J1234、J1235和电驱动装置电机V662、V663。冷却液从这里到达低温散热器10(带着散热器风扇V7)。这个散热器有个通气管经冷却液不足传感器G32通入到膨胀罐内。

冷却液在流经低温散热器后，经冷却液切换阀2 N633又被送回到温度管理系统冷却液泵4 V620了。

二、温度管理系统的应用情形

在下述应用情形中，具体是发生了哪种情况、该情况发生了多长时间，是由温度管理系统控制单元J1024来测得的。该控制单元随后会激活冷却液切换阀、制冷剂截止阀、空调压缩机等，并相应地切换各种应用情形。

这些情形并不是上面4个循环管路的所有可能的互连组合情况。下面的应用情形展示的是车上温度管理系统的典型互连情况。部件和元件的具体名称可参见图3。

1.车内空间和电驱动装置电机的冷却

如图4所示，在这个应用示例中，对车内空间以及前桥和后桥上电驱动装置电机(连同相应的电驱动控制单元)进行冷却。前桥和后桥上的电驱动控制单元和电驱动装置电机是被动地由低温散热器来冷却的。所谓被动的，指不是通过制冷剂接口来实施冷却的，只是通过高于外部温度的约为5～10℃的温差来实施冷却的。

车辆内部空间是主动冷却式的，就是说：是通过传统的制冷剂循环管路以制冷剂的压缩和卸压方式在空调器内实施冷却的。于是车内空间的热量就被吸收了并引走了。

2.车内空间、电驱动装置电机和高压蓄电池的冷却

图5原理示意图所展示的就是车内空间、电驱动装置电机和高压蓄电池的冷却情况。高压蓄电池是通过高压蓄电池热交换器(制冷器)的接口来主动冷却的。通过制冷剂膨胀阀把压缩了的制冷剂送往制冷器(原理与车内制冷剂回路一样，且与车内制冷剂回路同时进行)。

制冷剂在制冷器内卸压，就可以从高压蓄电池冷却回路中吸收高压蓄电池的余热，并将余热用制冷剂带走。高压蓄电池的理想工作温度在约25～35℃之间，温度超过约35℃就会实施这个冷却了。

3.重新加热车内空间和热泵(冷却、除湿、加热)

重新加热的意思是，先把空气冷下来(也就除湿了)，以便随后再加热来使得车内空间热起来。这样可防止车窗玻璃起雾。具体说是通过高压蓄电池热交换器E来让制冷剂吸收来自电驱动系统冷却循环管路内的热量，随后被加热了的制冷剂流经电动空调压缩机而被加热到一个很高的温度。

这种热而未卸压的制冷剂流经热泵工作模式的热交换器F(连同冷凝器)，可以把先前吸收的并剧增的热量传送到车内空间的加热循环管路中，由解热/空调器将这些热量释放到车内。当车外温度在约5～20℃时该功能会被激活。

对车内的加热是通过接通高压加热器来实现的，这时热泵并未工作。电驱动系统冷却循环管路只是通过低温散热器来以被动方式在进行冷却，对车内加热并无热效应作用。

4.用热泵加热车内空间

将电驱动系统冷却循环管路中的余热在不激活高压蓄电池热交换器E中的低温冷却器的情况下，传至空调循环管路中的制冷剂中。制冷剂在空调压缩机中被压缩，从而把先前已吸收的余热升到一个更高的温度。

热的制冷剂将热泵工作模式的热交换器F(连同冷凝器)中的热能传至车内加热循环管路。出于效率的原因，热泵仅在车外温度在约-20～20℃之间时才会激活去工作。

5.在DC充电时通过制冷器对高压蓄电池进行冷却

图6所示应用情形涉及的是直流充电过程。制冷剂在电动空调压缩机中被压缩、在冷凝器中冷下来并被送往高压蓄电池热交换器E。制冷剂通过制冷剂膨胀阀卸压，这种强冷就可以吸收充电时高压蓄电池冷却循环管路中的余热了，余热随制冷剂就被带走了。

电驱动系统的冷却循环管路是被动冷却的，与此无关。部件温度在超过约35℃时，就会对高压蓄电池实施冷却了。对车内的冷却目前是优先于蓄电池冷却的。

6.在DC充电时通过低温散热器对高压蓄电池进行冷却

这个应用情形涉及的也是直流充电过程。高压蓄电池的冷却循环管路与电驱动系统的冷却循环管路彼此相连。

冷却液吸收高压蓄电池的预热后流经电驱动装置电机和相应的电驱动装置控制单元并流向低温散热器。冷却液在低温散热器中把吸收的热量释放到大气中。

7.在AC充电时通过低温散热器对充电器进行冷却

这个应用情形涉及的是交流充电过程。高压蓄电池的冷却循环管路与电驱动系统的冷却循环管路彼此相连。用交流电充电时，充电器会热起来，产生的热量通过高压蓄电池充电器1和2(AX4和AX5)被高压蓄电池冷却循环管路吸收。

冷却液经电驱动装置电机和相应的电驱动装置控制单元并流向低温散热器。冷却液在低温散热器中把充电时所吸收的热量释放到大气中，循环管路就关闭了。

8.在DC充电时对高压蓄电池进行加热

在用直流进行充电的过程中，高压加热器在需要时会对冷却液进行加热。冷却液在流经加热/空调器后流向冷却液切换阀2 N633，该阀将冷却液导向高压蓄电池。于是热起来的冷却液就把热量传给高压蓄电池了。

冷却液流经高压蓄电池后会在循环管路中再循环。另外，电驱动系统的循环管路内总是保持着一个最小冷却液流量。在温度低于-10℃时就会对高压蓄电池进行加热了。

9.分别冲刷高压蓄电池冷却循环管路和电驱动装置冷却循环管路

冲刷时，冷却液仅是在冷却循环管路中循环，不加热也不冷却。冲刷的目的是想让冷却循环管路上的部件热度均匀，比如让高压蓄电池内部温度或者电驱动装置电机温度相同。

高压蓄电池冷却循环管路和电驱动系统冷却循环管路可分别冲刷(各自作为单独的回路)，或者把这两个循环管路合在一起冲刷。

三、温度管理系统控制单元J1024

温度管理系统控制单元J1024(图7)通过各种传感器来测量温度管理系统4个循环管路的实际状态，在分析这些情况后会通过车上制冷剂循环管路和冷却循环管路上的执行元件来调整规定状态。传感器比如有制冷剂压力和制冷剂温度传感器以及各种冷却液温度传感器。执行元件比如有电动空调压缩机、制冷剂截止阀、冷却液泵、冷却切换阀以及截止阀和散热器风扇。

这些读取的输入量被转换成用于操控执行元件的输出量。温度管理系统控制单元J1024根据这些输入参数并使用特定的算法，就总是可以把车上的温度管理系统调节到一个最佳状态，并使得车辆处于能量使用最佳状态。具体来讲，就是将制冷剂循环管路和冷却循环管路以各种方式相互连接，形成单独的或者组合式的循环管路。

四、热泵和高压蓄电池热交换器以及制冷剂循环阀总成

如图8所示，在支座、支架以及底板上安装有阀体(带有制冷剂截止阀N640、N641、N642、N643)、制冷剂循环止回阀、高压蓄电池热交换器、热泵工作模式热交换器(带有冷凝器)以及制冷剂膨胀阀2N637等部件，这些部件合成一个总成。该总成在保险杠后面的左前轮前方(按车辆行驶方向看)。为清晰起见，没有在图上画出用于安装部件的支座、支架。

五、冷却液膨胀罐

六、冷却液切换阀和水泵

冷却液膨胀罐的结构如图9所示，冷却液在最高加注量线时容量约为2.0L，冷却液在最低加注量线时容量约为1.57L。当膨胀罐内冷却液量约为0.4L时，冷却液不足传感器G32会触发警报。冷却液膨胀罐理论总容量约为3.0L。旋开封盖会进空气，因此该膨胀罐最多能加注约2.7L冷却液。

注意：如果尚未加注冷却液或者系统尚未排气，不得移动或拖动车辆，否则总成有损坏的可能。即使是在维修后仅补加了少量冷却液，也必须给冷却系统排气。

冷却液切换阀和水泵的安装位置如图10所示，冷却液切换阀通过不同的工作位位置，就可以对加热循环管路、高压蓄电池冷却循环管路和电驱动系统冷却循环管路进行组合或者分离。

于是就可以实现前面我们讲过的那些温度管理系统的应用情形了。水泵(冷却液泵)负责让冷却液在加热循环管路、高压蓄电池冷却循环管路和电驱动系统冷却循环管路中流动起来。