大众ID.4 CROZZ动力电池热管理系统结构与工作原理

李 丹

（湖北科技职业学院机电工程学院，湖北 武汉 430074）

随着纯电动汽车的市场快速增长，全球各大汽车生产厂家纷纷开发出各种纯电动汽车，德国大众作为全球的汽车制造企业巨头，打造了电动化车型的生产制造平台MEB（Modularen lektrisch Baukasten），MEB是德语“模块化电驱动平台”的缩写。MEB基于汽车制造模块化理念，具有极强的可拓展性，可打造不同车身轴距，并根据不同车型的需求调校出不同的续航里程，在智能化、网联化、自动化等方面实现不断升级和更新迭代。MEB以动力电池为核心，针对不同的车身形式提供更大的轴距、更短的前后悬和更大的车轮满足驾驶需求。

中国一汽-大众近期推出首款MEB车型ID.4 CROZZ纯电动车，如图1所示，主要在上汽大众安亭MEB工厂和一汽-大众佛山MEB工厂生产，在整车基础结构保持不变的情况下，电池采用可缩放设计，以实现不同续航里程，每个电池模块采用55kWh及82kWh两种容量电池，不同容量的电池可提供350～550km的续航里程。ID.4 CROZZ的高压电池采用独立的模块化设计，每一个电池模组里面又分为24组独立的单元电池，配备强大的热管理系统，具有直接冷却系统，确保即使在高负荷或低温情况下高压电池依然能运行在25～35℃的最佳温度范围。电流、电压和温度参数通过单元模块控制器和主控制单元进行监控。本文主要介绍ID.4 CROZZ高压电池热管理系统结构、工作原理及冷却液工作循环回路。

图1 ID.4 CROZZ纯电动车基本结构图

1 高压电池热管理系统概述

纯电动汽车由于高压电池处于不断充电、放电过程，工作时会产生大量热量，热量的产生不仅会导致电池老化，还会使得相关导体上的电阻增大，从而导致电能不是转换为机械能，而是转换成热能释放出去。因此，高压电池通常都配备有热管理系统，一般分为水冷式和风冷式，现在普遍采用水冷式。

2 高压电池热管理系统的作用

一方面由于高压部件工作时，会产生热量，若热量积聚，会影响部件的工作性能，通过此系统带走部件工作产生的多余热量；同时也可将此部分热量再利用，为空调制热提供热源。另一方面，高压电池效能会受温度变化的影响，为确保电池效能，此系统还可以为电池加热。

3 ID.4 CROZZ高压电池热管理系统

ID.4 CROZZ高压电池热管理系统框图如图2所示，采用Chiller对电池包冷却，采用PTC对电池包加热，全面满足电池包的高低温需求；具备电驱动余热回收功能，通过循环切换，将电机和功率电子的余热收集用于电池包预热；当电池包完成预热，对于热泵配置车型，热泵还可以进一步收集电驱动的余热供给乘员舱，全面提升冬季续航里程。可以选装CO热泵系统，冬季续航里程提升20%～30%。

图2 ID.4 CROZZ高压电池热管理系统框图

4 ID.4 CROZZ高压电池热管理系统结构组成

1）高压电池散热器

ID.4 CROZZ高压电池散热器采用铝制散热器，如图3所示，安装在蓄电池外壳的外部，有助于防止蓄电池外壳中的高压组件与冷却液接触。高压蓄电池模组通过间隙填料（导热膏）与蓄电池外壳的底部连接。底部保护装置由实心铝制成，可保护散热器免受机械损坏。

图3 ID.4 CROZZ高压电池散热器

MEB电池框架与电池下壳体之间为散热器，其与电池包内模组隔离，可避免冷却液泄漏至电池内部。蛇形冷却流道，一体冲压式冷却板，冷却均匀。应用高导热材料，具有较高的导热系数、较低的接触热阻，冷却效果更好。

2）PTC加热器

高压电池配备了安全性能更高的水暖加热器PTC（图4），负责对高压蓄电池的冷却液进行加热，具备无级调节（PWM）功能。应用PTC加热高效节能，保证了电池低温下的良好性能。相比较MQB HV-PTC，水暖高压加热器体积更小、质量轻、能量密度大、省电性好。

图4 PTC加热器

3）整车散热器

车辆前部安装的整车散热器包含冷却散热器、散热器卷帘、冷凝器、散热风扇以及相关导风栅等，如图5所示。散热器卷帘为标准装备，散热风扇优化设计、降噪，导风栅减少进风泄露，同时减低风阻，确保足够的进风量。

图5 整车散热器

4）散热器卷帘（图6）

图6 散热器卷帘

散热器卷帘100%内置在模块化电驱动平台中，位于冷却液散热器和冷凝器（R134A）/车头气体冷却器（R744）之间。在关闭状态下，卷帘改善了车辆的空气阻力系数，然后根据需要以不同的方式打开车辆前格栅与导流件。为确保足够的进风量，对散热器前部格栅进风面积提出了类似传统车的要求。同时为减少前端进风泄露，降低风阻，并最终提高续航里程，设计了全包围密封件，并匹配进气导流件，提高机舱进气流动密封性。

5）散热器风扇

为满足电动车更高的静音需求，首次在MEB车型采用新型风扇，能降低风扇噪音3dB（78dB→75dB），扇叶数量提升（9→10），风扇直径加大（400→480mm），从而降低转速（400r/min）。

5 ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的工作原理及冷却液循环回路

1）高压部件冷却液循环回路

ID.4 CROZZ热管理系统通过管路将高压部件连接起来，同时借助冷却液及其循环，将高压部件工作产生的热量带走，确保部件不受高温的影响，如图7所示。在温度较低时，热管理系统通过PTC加热器加热冷却液，从而为高压电池进行加热，使其保持在合适的工作温度范围，减少电能损耗。

图7 高压部件冷却液循环回路图

由于冷却液与高压电池模组不会发生接触，因此冷却液膨胀罐不需要密封。管路连接复杂，维修时必须严格按照维修手册指导进行操作。

2）不带热泵的冷却液回路见图8a，带热泵的冷却液回路见图8b。

图8 不带热泵的冷却液回路图

6 ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的冷却和加热回路

1）蓄电池未冷却或未加热时，ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的散热器旁路开启，如图9a所示。此时节温器温度＜15℃，蓄电池温度为8～35℃，热泵无工作需求。节温器打开散热器旁路，蓄电池预热混合阀2 V696打开温度最低的低温冷却回路。此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。

2）蓄电池被加热时，ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的散热器旁路开启，如图9b所示。此时节温器温度＜15℃，蓄电池温度＜8℃，此时热泵无工作需求。节温器打开散热器旁路，蓄电池预热混合阀2 V696打开温度最低的低温冷却回路，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池加热回路，此时2个冷却液泵均被激活。

图9 散热器旁路开启的冷却和加热回路

3）蓄电池未冷却或未加热时，ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图10a所示。此时节温器温度＞15℃，蓄电池温度为8～35℃，此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2 V696打开温度最低的低温冷却回路，此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。

图10 节温器关闭散热器旁路，散热器内有冷却液流动的冷却和加热回路

4）蓄电池由冷凝器热交换器冷却时，ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图10b所示。此时节温器温度＞15℃，车辆运行期间蓄电池温度＞35℃，充电期间蓄电池温度＞30℃，此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2 V696打开温度最低的低温冷却回路，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池冷却回路，此时2个冷却液泵均被激活。

5）蓄电池由低温回路冷却时，ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图11a所示。此时节温器温度＞15℃，蓄电池温度＞30℃，此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2 V696打开蓄电池接口，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池冷却回路，此时2个冷却液泵均被激活。

图11 节温器关闭散热器旁路，散热器内有冷却液流动的冷却和加热回路

6）蓄电池未冷却或未加热时，ID.4 CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图11b所示。此时节温器温度＞15℃，蓄电池温度为8～30℃，此时热泵有工作需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2 V696打开蓄电池接口，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池加热回路，此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。

7 电驱动系统的冷却和加热

ID.4 CROZZ的电驱动系统同样是采用液体冷却，与高压电池共用热管理系统，冷却液流入电子驱动器，首先通过电源逆变器（PI）运行，因为半导体规定了允许的最大冷却液温度。流过PI后，冷却剂通过密封管塞元件进入电机外壳的冷却水套。热量主要是由定子铜绕组的电阻损耗产生的，通过绕组绝缘层和叠片到达机壳中的冷却水套。冷却介质通过优化的周向冷却通道进入定子，并在冷却水道的末端通过冷却连接软管进入车辆的外部冷却回路，如图12所示。

图12 冷却液流经PI和定子