捷豹I-Pace熱管理系統技術研究

楊鈁 胡志林 張昶 付磊

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：新能源汽車 熱管理 控制系統 工作模式

1 前言

隨著汽車的電動化和智能化發(fā)展，電動汽車熱管理系統也向著集成化、可控化和精準化方向發(fā)展，熱管理系統設計結構越來越復雜，對控制精度要求也越來越高。為了實現電動汽車能量的合理利用，提升電動汽車高低溫環(huán)境下的續(xù)駛里程，電動汽車熱管理系統的設計和開發(fā)成為電動汽車整車能量開發(fā)的重點。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(huán)境下的續(xù)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[1][2]。本文以捷豹I-Pace車型為研究對象，對其先進熱管理系統的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。

2 整車技術參數

I-Pace基于捷豹的全新eDM電動汽車模塊化平臺打造，前后軸各布置一個電機驅動單元，實現前后軸50：50的重量分配。另外電池組布置于車輛地板下的前后軸中間，有助于降低車輛重心，改善整車駕駛特性。車前部采用可控開度的主動進氣格柵，為I-Pace熱管理系統提供進氣氣流，配合機前蓋上方的氣流開孔，可提供更好的下壓力和空氣動力學效應，減少進氣風阻，提升整車性能。整車技術參數如表1所示。

3 熱管理系統拓撲結構分析

I-Pace整車熱管理拓撲結構如圖1所示，包括空調系統回路、電機系統回路、電池系統回路和暖風芯體回路[4]。

表1 整車技術參數[3]

圖1 I-Pace熱管理系統拓撲結構[4]

空調系統主要負責對乘員艙溫度進行調節(jié)，采用目前較為先進的噴氣增焓熱泵空調系統，可實現空調系統的夏季制冷需求和冬季制熱需求。

在夏季環(huán)境下，空調系統采用傳統空調循環(huán)回路，實現空調冷媒的相變過程，實現乘員艙制冷作用，同時可通過電池回路的Chiller(熱交換器)與電池回路進行熱交換，實現電池回路的主動冷卻過程。在冬季寒冷環(huán)境下，乘員艙有加熱需求，空調系統可通過閥門的控制，實現空調系統熱泵循環(huán)過程?？照{系統通過外界冷凝器或電機回路的Chiller進行相變吸熱過程，空調冷媒再經由壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣體，流入內置冷凝器發(fā)生相變放熱過程，與暖風芯體回路進行熱交換，實現外界環(huán)境熱量或電機回路廢熱向乘員艙的轉移。

電機回路主要負責對驅動電機、電控單元、車載充電機和DC/DC進行冷卻。在電機回路溫度較高，有散熱需求時，經由低溫散熱器對電機回路進行散熱。

電池回路主要負責動力電池的熱管理，由于動力電池對溫度需求范圍比較敏感，要求電池回路具有加熱和冷卻功能。在寒冷環(huán)境下，動力電池有加熱需求，可通過熱交換器，與暖風芯體回路之間進行熱交換。在高溫環(huán)境下，動力電池有冷卻需求，可通過低溫散熱器或Chiller對電池回路進行冷卻。

暖風芯體回路主要負責對乘員艙和電池回路進行加熱，在寒冷環(huán)境下，乘員艙有加熱需求，可通過空調系統的內置冷凝器，實現熱量向乘員艙內轉移，當熱泵制熱功率不足時，可采用高壓PTC進行輔助；同時通過控制比例閥的開啟，控制流經電池回路熱交換器的水流量，實現電池回路加熱需求。

由于電池回路工作溫度最低，大約在20℃左右，因而把電池回路的低溫散熱器布置在冷卻模塊最前端；而電機回路工作溫度比電池回路要高，因而電機回路低溫散熱器布置在第二排；而空調回路平均工作溫度最高，因而把空調為界冷凝器放在冷卻模塊的第三排，這與傳統燃油車布置方式不同；冷卻模塊的最后布置的是電動冷卻風扇，根據冷卻單元的散熱需求對冷卻風扇進行控制。

4 熱管理系統工作模式分析

4.1 空調系統工作模式

空調系統主要有空調制冷模式和熱泵制熱模式兩種[3],下面將對不同的工作模式進行詳細介紹。

4.1.1 空調制冷模式

空調制冷模式，可進一步細化為兩種工作模式，第一種是僅乘員艙有制冷需求，第二種是在乘員艙有制冷需求條件下，動力電池有主動冷卻需求。

當環(huán)境溫度較高，乘員艙有制熱需求，而動力電池無主動冷卻需求，此時空調系統僅為乘員艙進行制冷，如圖2所示。

圖2 空調制冷模式[3]

通過控制閥門的開關狀態(tài)，空調冷媒經由壓縮機引入至外界冷凝器進行散熱，相變?yōu)楦邏阂簯B(tài)后，經由膨脹閥進行減壓，空調冷媒變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)，在乘員艙蒸發(fā)器內進行蒸發(fā)吸熱，實現乘員艙制冷。

圖3所示為，在乘員艙有制冷需求的條件下，動力電池有主動冷卻需求。此時，空調冷媒經由外界冷凝器散熱后，分別流經電池回路的Chiller和乘員艙蒸發(fā)器，進行空調冷媒蒸發(fā)吸熱，實現空調系統同時對乘員艙和動力電池的冷卻。

圖3 空調制冷模式[3]

4.1.2 熱泵制熱模式

熱泵制熱模式可進一步細化為三種工作模式。第一種是把外界環(huán)境作為熱源，通過外界冷凝器蒸發(fā)吸熱的傳統熱泵模式；第二種是通過電機回路的Chiller進行廢熱回收，實現熱泵制熱的工作模式；第三種是把電機回路廢熱和外界環(huán)境作為熱源的工作模式。

當環(huán)境溫度較低，乘員艙有制熱需求，電機回路無冷卻需求的情況下，熱泵系統通過外界冷凝器進行吸熱，經熱交換器，把熱量傳遞給暖風芯體回路為乘員艙進行加熱，如圖4所示。

圖4 熱泵制熱模式[3]

捷豹路虎的熱管理工程師Nilabza Dutta，在2018年SAE熱管理研討會上指出，在0℃環(huán)境溫度下，該模式下的熱泵系統可從外界環(huán)境中回收1.9 kW的熱量，與此同時，僅需要消耗0.3 kW的壓縮機功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為2.2 kW[4]。

在該模式下，如果熱泵加熱功率較小，不能滿足乘員艙的制熱需求，則暖風芯體回路上的高壓PTC（Positive Temperature Coefficient，正溫度系數熱敏電阻）將開始工作，對暖風芯體回路進行輔助加熱。

圖5所示為當環(huán)境溫度較低、乘員艙有制熱需求，同時電機回路有冷卻需求的情況下，通過電機回路的Chiller，把電機回路的熱量作為熱泵熱源，經熱交換器，把熱量傳遞給暖風芯體回路為乘員艙進行加熱，完成乘員艙加熱過程。

圖5 熱泵制熱模式[4]

Nilabza Dutta在SAE研討會上指出，在0℃環(huán)境溫度下，該模式下的熱泵系統可從電機回路中回收2.5 kW的熱量，與此同時，僅需要消耗0.3 kW的壓縮機功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為2.8 kW[4]。

在該模式下，如果電機回路散熱量較大，超出熱泵取熱能力，則通過電控三通閥，對流經低溫散熱器的冷卻液流量進行調節(jié)，電機回路多余的熱量經由低溫散熱器進行散熱，實現電機回路的冷卻過程[3]。

圖6 熱泵制熱模式[3]

當環(huán)境溫度較低，乘員艙有制熱需求，同時電機回路有冷卻需求，如果熱泵系統從電機回路取熱功率，不能滿足乘員艙加熱需求的情況下，熱泵系統將會同時從電機回路和外界環(huán)境取熱，經熱交換器，把熱量傳遞給暖風芯體回路為乘員艙進行加熱，如圖6所示。

Nilabza Dutta在SAE研討會上指出，在-8℃環(huán)境溫度下，該模式下的熱泵系統可分別從外界環(huán)境和電機回路中回收1.5 kW和2.0 kW的熱量，與此同時，僅需要消耗0.8 kW的壓縮機功率，整體傳遞給乘員艙的熱量為4.3 kW[4]。

需要說明的是，在充電工況下，乘員艙有加熱需求，為了實現乘員艙內溫度快速響應，直接采用暖風芯體回路的高壓PTC進行加熱。在行駛工況下，當環(huán)境溫度非常低，熱泵系統無法正常工作，乘員艙加熱也只能采用暖風芯體回路的高壓PTC進行加熱。

4.2 電機系統工作模式

電機系統冷卻模式主要有自加熱模式、散熱器冷卻模式和熱泵散熱模式三種[3]。

在環(huán)境溫度較低，整車冷啟動工況下，電機系統通過調節(jié)電磁三通閥，控制電機回路冷卻液流動方向，對電機回路的低溫散熱器進行旁通，由于電機回路無主動冷卻，電機回路溫度可快速升高到合適的工作溫度[3]，如圖7所示。

圖7 自加熱模式[3]

當電機溫度較高，電機有冷卻需求，同時乘員艙無加熱需求或熱泵系統不能工作的情況下，電機回路通過調節(jié)電磁三通閥，控制冷卻液流經低溫散熱器，對電機回路進行冷卻，如圖8所示。

圖8 散熱器冷卻模式[3]

當電機溫度較高，電機有冷卻需求，同時乘員艙熱泵系統在工作的情況下，電機回路通過調節(jié)電磁三通閥，控制冷卻液流經電機回路Chiller，把電機回路的廢熱傳遞給熱泵空調系統，對電機余熱進行回收利用，該模式與熱泵空調系統制熱模式相同，即圖5所示。

4.3 電池系統工作模式

電池系統熱管理模式主要有溫度平衡模式、主動加熱模式、低溫冷卻模式和主動冷卻模式四種[3]。

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，通過控制電池回路的電磁三通閥，對低溫散熱器進行旁通，水泵開啟，保證電池回路冷卻水循環(huán)，實現電池溫度均勻的目的[3]，如圖9所示。

圖9 溫度平衡模式[3]

圖10 所示為電池主動加熱模式，當環(huán)境溫度較低，為了保證電池的正常工作，電池回路有加熱需求。

圖10 主動加熱模式[3]

在該模式下，暖風芯體回路通過調節(jié)電磁閥狀態(tài)，把冷卻液引入到與電池回路耦合的熱交換器，電池回路通過熱交換器與乘員艙暖風芯體回路進行熱交換，為了減少電量消耗，采用熱泵系統對暖風芯體回路進行加熱，把熱量間接傳遞到電池回路，熱泵可采用外界環(huán)境或電機回路作為熱源，實現熱量的轉移。如果不能滿足熱泵系統工作條件，則采用暖風芯體回路的高壓PTC進行加熱，通過Chiller把熱量傳遞到電池回路。

當電池有冷卻需求，同時環(huán)境溫度低于電池溫度的情況下，通過控制電池回路的電磁三通閥狀態(tài)，把電池回路的冷卻水引入到低溫散熱器，通過環(huán)境氣流對電池回路進行散熱[3]，如圖11所示。

圖11 低溫冷卻模式[3]

當電池有冷卻需求，環(huán)境溫度高于電池溫度，同時空調系統在開啟的情況下，采用空調系統對電池回路進行主動冷卻[3]，此時空調系統引入一部分冷媒到電池回路的Chiller，冷媒在Chiller內進行蒸發(fā)吸熱，實現電池回路的主動冷卻,該模式與空調系統制冷模式即圖3所示。

4.4 熱管理系統工作模式控制架構

I-Pace熱管理系統，在冷卻模塊前端配備有主動格柵系統和進氣風道，后端配有風道導風口。針對不同的應用場景，結合主動格柵和冷卻風扇的靈活控制，可進一步優(yōu)化整車空氣動力學，實現熱管理工作模式的細化。

通過熱管理系統控制策略，對多種熱管理工作模式進行靈活切換，可保證整車熱管理系統可靠、穩(wěn)定、高效運行，節(jié)約整車能量消耗。I-Pace熱管理系統控制架構如表2所示。

表2 I-Pace熱管理系統控制架構[3]

另外，為了最大程度的拓展整車續(xù)駛里程，I-Pace采用基于駕乘人員數量的智能環(huán)境控制系統，該系統可根據乘員艙的舒適性需求，對乘員艙進行溫度分區(qū)控制，包括駕駛員控制、雙溫區(qū)控制、四溫區(qū)控制和超低功率消耗四種模式控制。根據熱管理系統需求，控制乘員艙溫度調節(jié)模式，在滿足乘員艙舒適性的前提下，減少熱管理系統能量消耗，拓展整車續(xù)駛里程。

5 結論

（1）I-Pace作為捷豹路虎旗下第一款電動汽車，定位于高端市場，空調系統采用噴氣增焓熱泵系統，可實現低溫下的良好工作性能，結合電機回路的Chiller，可實現電機廢熱的回收利用。

（2）I-Pace電機回路與電池回路作為兩個獨立回路，均配備有低溫散熱器，冷卻系統控制上相對方便。另外兩系統在設計上并沒有直接耦合，但借助于熱泵系統，可實現電機回路廢熱對電池回路的加熱作用。

（3）I-Pace熱管理系統可實現多種熱管理工作模式，結合主動格柵和冷卻風扇的靈活控制，可對整車空氣動力學和整車能耗進一步優(yōu)化。