大眾ID.4純電動汽車是2021年世界年度車型，高電壓系統(tǒng)經(jīng)過全新設(shè)計，與模塊化純電動平臺架構(gòu)無縫集成。動力蓄電池是車輛底盤的一部分，安裝在車輛下部，以提供較低的重心。ID.4純電動汽車高電壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 ID.4純電動汽車高電壓系統(tǒng)

ID.4上市后先配備了82kWh的動力蓄電池，稍后將提供62kWh動力蓄電池的車型。82kWh動力蓄電池在12個電池模塊中有288個單體電池。這些電池模塊安裝在一個輕型鋁制結(jié)構(gòu)的殼體中，動力蓄電池外殼用螺栓固定在車身上。

ID.4可以通過交流(AC)和直流(DC)快速充電樁充電。車載充電器允許ID.4充電使用家用或公共2級充電樁，動力蓄電池充電1h，可以行駛約53km，并在約7.5h內(nèi)充滿電(圖2)。在直流快速充電站，使用125kW的充電樁，ID.4可以在大約38min內(nèi)從5%充電到80%，充電口如圖3所示。

圖2 ID.4充電

圖3 ID.4充電口

01

電器元件位置

ID.4純電動汽車的高電壓電氣元件包括動力蓄電池AX2、電壓轉(zhuǎn)換器A19、高電壓加熱器(PTC)ZX17、PTC加熱器元件Z132、空調(diào)壓縮機VX81、動力蓄電池充電器AX4、充電口UX4、三相電流驅(qū)動電機VX54、電機電力和控制電子裝置JX1，電氣元件位置如圖4所示。

圖4 電氣元件位置圖

1-動力蓄電池；2-高電壓加熱器；3-PTC加熱器元件；4-空調(diào)壓縮機；5-電壓轉(zhuǎn)換器；6-充電口；7-動力蓄電池充電器；8-三相電流驅(qū)動電機；9-電機的電力和控制電子裝置。

02

動力蓄電池AX2

82kWh鋰離子動力蓄電池AX2的最大交流充電功率為11kW，最大直流充電功率為125kW。包括12個蓄電池模塊，如圖5所示。62kWh鋰離子動力蓄電池的最大交流充電功率為7.2kW，最大直流充電功率為50kW。包括9個蓄電池模塊，如圖6所示。

圖5 82kWh動力蓄電池

圖6 62kWh動力蓄電池

鋰離子動力蓄電池AX2的技術(shù)規(guī)范包括質(zhì)量382~503kg，凈能量含量58~77kWh，額定電壓400V，蓄電池模塊數(shù)量9～12個，容量156 ~234Ah，冷卻系統(tǒng)使用液體冷卻，工作溫度范圍為-28~60℃，防護等級IP6K7、IP6K9K。動力蓄電池正負極位置如圖7所示。

圖7 動力蓄電池正負極位置

蓄電池模塊

對于82kWh的動力蓄電池，蓄電池模塊配置為8個串聯(lián)和3個并聯(lián)。對于62kWh蓄電池，蓄電池模塊布置為12個串聯(lián)和2個并聯(lián)。蓄電池模塊技術(shù)規(guī)范如表1所示，單體排布如圖8~10所示。

表1 蓄電池模塊技術(shù)規(guī)范

圖8 蓄電池模塊正負極端子

圖9 82kWh蓄電池模塊單體排布

圖10 62kWh蓄電池模塊單體排布

高低壓電氣接頭

動力蓄電池的高低壓電氣接頭如圖11所示。低壓電氣接頭端子包括端子30、端子30C、端子31、安全氣囊控制電腦J234、動力蓄電池冷卻液溫度傳感器G898、動力蓄電池冷卻液溫度傳感器G899、控制線、加熱元件(PTC) Z132、動力系CAN總線、動力蓄電池冷卻液泵V590、動力蓄電池加熱混合閥V683、動力蓄電池加熱混合閥V696。

圖11 高低壓電氣接頭

動力蓄電池的開關(guān)單元

動力蓄電池兩個開關(guān)單元之間的元件有不同的分工，這樣能夠適應(yīng)不同動力蓄電池所需的不同空間。ID.4電機電力和控制電子裝置JX1中的中間電路電容器C25由電壓轉(zhuǎn)換器A19預(yù)充電，這樣就不需要預(yù)充電繼電器和預(yù)充電電阻器。62kWh動力蓄電池的開關(guān)單元如圖12所示。

圖12 動力蓄電池的開關(guān)單元

動力蓄電池控制裝置負極端子SX7的開關(guān)單元

動力蓄電池中斷熔絲S415是一種煙火式熔絲，可以提高高壓系統(tǒng)的安全級別。發(fā)生故障時，它的跳閘速度比高壓繼電器快。如果熔絲跳閘，則必須更換整個動力蓄電池控制裝置SX7，而不能只替換或復(fù)位熔絲。高壓接頭上有電壓端子，蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840使用這些端子監(jiān)控高壓接頭。動力蓄電池控制裝置負極端子SX7的開關(guān)單元如圖13所示。

圖13 動力蓄電池控制裝置負極端子SX7的開關(guān)單元

動力蓄電池控制裝置正極端子SX8的開關(guān)單元

動力蓄電池控制裝置正極端子SX8的開關(guān)單元內(nèi)部有一個高壓系統(tǒng)熔絲S352。這個熔絲一旦熔斷，無法更換或復(fù)位，需要更換整個動力蓄電池控制裝置正極端子SX8的開關(guān)單元。這個熔絲保護的高壓系統(tǒng)元件包括動力蓄電池充電器AX4、加熱元件(PTC)Z132、高壓加熱器(PTC)ZX17、空調(diào)壓縮機VX81、電壓轉(zhuǎn)換器A19。動力蓄電池控制裝置正極端子SX8的開關(guān)單元如圖14所示。

圖14 動力蓄電池控制裝置正極端子SX8的開關(guān)單元

蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840

蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840的功能包括使用動力系CAN總線進行通信，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的主控制單元，監(jiān)測和控制動力蓄電池中的開關(guān)單元，對控制線進行監(jiān)測，監(jiān)測絕緣電阻，提供動力蓄電池的測量值，在發(fā)生故障時，熔斷熔絲S415，中斷動力蓄電池供電。蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置如圖15所示。

圖15 蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840

蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840的針腳分配包括32針連接、12針連接和40針連接。32針連接接到蓄電池外殼上的低壓電氣接頭，連接CAN總線和LIN總線的蓄電池模塊控制裝置J1208–J1210，以及蓄電池外殼的接地連接。12針連接動力蓄電池開關(guān)單元中高壓接頭前后的電壓信號。40針連接高壓蓄電池中斷熔絲S415，動力蓄電池高壓加熱器1號溫度傳感器G1132，動力蓄電池高壓加熱器2號溫度傳感器G1133，動力蓄電池電壓傳感器G848，動力蓄電池電壓2號傳感器G1131。

蓄電池模塊控制裝置J1208-J1210

每個蓄電池模塊控制裝置最多連接4個蓄電池模塊。根據(jù)蓄電池的大小，使用2～3個控制裝置。通過蓄電池模塊控制裝置J1208-J1210，蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840可以監(jiān)測蓄電池電壓，監(jiān)測模塊溫度，平衡單體電池，如圖16所示。

圖16 蓄電池模塊控制裝置J1208-J1210

22針連接將蓄電池模塊控制裝置連接到各個蓄電池模塊。12針連接用于連接其他蓄電池模塊控制裝置或蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840。ID.4車型的單體電池具有被動平衡功能。這表示使用電阻器可以將所有單體電池放電至單體電池的最弱電壓等級。

03

三相電流驅(qū)動電機VX54

三相電流驅(qū)動電機VX54與電機電力和控制電子裝置JX1一起安裝在車輛后部。它與低溫冷卻回路相連。三相電流驅(qū)動電機VX54包括帶轉(zhuǎn)子和定子的電機V141、電機溫度傳感器G712、電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713。電機V141如圖17所示。

圖17 電機V141

電機V141的定子采用發(fā)夾法制造。單個定子元件看起來像發(fā)夾。除了自動化大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢外，與繞線線圈設(shè)計相比，定子具有更好的散熱和更低的轉(zhuǎn)子損耗。

電機溫度傳感器G712

電機溫度傳感器G712位于兩個定子電磁線圈之間，以改進信號檢測。它是負熱系數(shù)(NTC)傳感器，向電機電力和控制電子裝置JX1報告電機溫度。電機溫度傳感器的溫度信號可以防止電機V141過熱。溫度達到160℃時，電機降低輸出功率。電機溫度傳感器G712如圖18所示。

圖18 電機溫度傳感器G712

電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713

電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713安裝在三相電流驅(qū)動電機VX54上，作為具有高級評估功能的感應(yīng)傳感器。傳感器輪安裝在驅(qū)動它的電機轉(zhuǎn)子上。電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713判斷位置、旋轉(zhuǎn)方向和部件公差。它直接與電機電力和控制電子裝置JX1連接。電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713如圖19所示。

圖19 電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713

04

電機電力和控制電子裝置JX1

電機電力和控制電子裝置JX1位于三相電流驅(qū)動電機上方，如圖20所示。電機電力和控制電子裝置JX1的電壓范圍為150～475V，最大電流為450A，頻率為9～10Hz，該元件有一個集成電容器，這就是高壓系統(tǒng)斷電時需要進行二次電壓檢查的原因。

電機電力和控制電子裝置JX1的組成元件包括：①電機驅(qū)動控制裝置J841；②電磁兼容與抑制濾波器；③驅(qū)動電機逆變器A37；④中間電路電容器C25；⑤電機V141連接電纜；⑥冷卻液接頭。如圖21所示。

圖20 電機電力和控制電子裝置位置

圖21 電機電力和控制電子裝置JX1

電機電力和控制電子裝置JX1使用三相電流驅(qū)動電機VX54中的低溫冷卻回路進行冷卻。電機電力和控制電子裝置JX1是新設(shè)計的，提高了載流能力和連續(xù)性輸出。它與三相電流驅(qū)動電機VX54之間有一個水密連接，可以分別更換。電機電力和控制電子裝置JX1和三相電流驅(qū)動電機VX54是各自獨立的單元，對于任何維修步驟，裝配時必須進行氣密性測試。電機電力和控制電子裝置JX1中的任何元件都不能單獨更換。

電機控制裝置J841位于電機電力和控制電子裝置JX1內(nèi)部，無法單獨更換。它的功能包括執(zhí)行駕駛員的請求、監(jiān)測三相電流電機溫度、識別轉(zhuǎn)子位置。電機控制裝置J841連接電機溫度傳感器G712和電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713。它調(diào)節(jié)和監(jiān)控三相電流電機，并控制三相交流電壓驅(qū)動電機的DC/AC轉(zhuǎn)換器A37，如圖22所示。

圖22 電機控制裝置J841

電機控制裝置J841使用電機轉(zhuǎn)子位置傳感器G713確定電機V141轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。這些信號數(shù)據(jù)用于精確啟動電機，電機溫度傳感器G712用于判斷電機V141的溫度，電機控制裝置J841中的內(nèi)部溫度傳感器判斷電機電力和控制電子裝置JX1中的元件溫度。

05

動力蓄電池充電器AX4

動力蓄電池充電器AX4輸入電壓為78～272V，兩相電，輸入電流為16～50A，輸出電壓為220～470V，最大交流充電容量為7.2～11kW，效率為94%，工作溫度范圍在-40～65℃。

動力蓄電池充電器AX4安裝在車輛后部，它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向動力蓄電池充電。動力蓄電池充電器由動力蓄電池充電器控制裝置J1050進行調(diào)節(jié)，蓄電池充電器控制裝置J1050監(jiān)控和調(diào)節(jié)充電過程。直流充電過程也由蓄電池充電器控制裝置J1050監(jiān)控和調(diào)節(jié)。82kWh蓄電池的最大直流充電功率為125kW。動力蓄電池充電器AX4如圖23所示。

圖23 動力蓄電池充電器AX4

直接連接動力蓄電池充電器AX4的元件包括高壓充電門鎖調(diào)節(jié)器F496、充電口的LED模塊L263、高壓充電接頭鎖調(diào)節(jié)器F498、帶充電口溫度傳感器G853的動力蓄電池充電口1、充電口溫度傳感器G1151、充電口溫度傳感器G1152。

06

高電壓加熱器（PTC）ZX17

高電壓加熱器(PTC)ZX17的額定電壓為150～475V，激活0～100%，最大輸入功率為6kW，最大輸入電流為21A，質(zhì)量為1.9kg，交流/直流絕緣＞10MΩ，通信LIN總線，如圖24所示。

高電壓加熱器(PTC)ZX17安裝在ID.4的空調(diào)箱內(nèi)，加熱車內(nèi)空氣，并通過脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)無級變化。高壓加熱器有自己的高電壓加熱器(PTC)控制裝置J848，由暖風(fēng)和空調(diào)控制電腦J979通過LIN總線進行控制和監(jiān)控。

圖24 高電壓加熱器(PTC)ZX17

07

PTC加熱器原件Z132

PTC 加熱器元件Z13 2 額定電壓為15 0～475 V，激活0～100%，最大功率功耗為5.5kW，最大輸入電流為30A，通信LIN總線，如圖25所示。

圖25 PTC加熱器元件

PTC加熱器元件Z132安裝在車輛前部，它加熱動力蓄電池的冷卻液，并使用脈寬調(diào)制(PWM)無級變化。溫度傳感器位于冷卻液入口和出口處。PTC加熱器元件Z132通過LIN總線連接蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840。

08

電壓轉(zhuǎn)換器A19

電壓轉(zhuǎn)換器A19額定輸入電壓為150～475V，12V充電功率為3kW。電壓轉(zhuǎn)換器A19位于車輛前部，為12V電氣系統(tǒng)供電。電壓轉(zhuǎn)換器A19使用雙向操作對電機電力和控制電子裝置JX1中的中間電路電容器C25進行充電和放電。這就是為什么它是補充動力蓄電池AX2的額外高壓電源。還必須對電壓轉(zhuǎn)換器A19進行檢查，以確保它在高壓系統(tǒng)停用時斷電。電壓轉(zhuǎn)換器A19由冷卻液冷卻，如圖26所示。

電壓轉(zhuǎn)換器A19的雙向操作僅用于對電機電力和控制電子裝置JX1的中間電路電容器進行充電和放電。無法給動力蓄電池充電。

圖26 電壓轉(zhuǎn)換器A19

09

電動空調(diào)壓縮機VX81

電動空調(diào)壓縮機VX181使用渦旋型壓縮機，電壓為195～470V，轉(zhuǎn)速為600～8 600r/min，最大功耗為5.5kW，環(huán)境溫度在-5～70℃時，空調(diào)模式運轉(zhuǎn)。能夠在-40～70℃之間的環(huán)境溫度下通信，使用R1234yf或R744制冷劑，如圖27所示。

圖27 電動空調(diào)壓縮機VX181

10

動力蓄電池?zé)崃抗芾?/strong>

ID.4中的所有動力蓄電池都有一個主動熱量管理系統(tǒng)。鋁制散熱器位于蓄電池殼體外部。這可防止冷卻液與蓄電池外殼內(nèi)的高壓元件接觸。動力蓄電池模塊通過導(dǎo)熱貼連接至蓄電池殼體的底座。鋁制散熱器還通過導(dǎo)熱貼連接到殼體底座。堅固的鋁制車底護板可防止散熱器受到機械損壞，如圖28所示。

冷卻液溫度傳感器直接連接到蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840?？刂蒲b置使用傳感器信號調(diào)節(jié)動力蓄電池冷卻液泵V590。

圖28 蓄電池散熱器

蓄電池冷卻不僅發(fā)生在車輛行駛時，還可在充電過程中激活。這明顯降低了蓄電池溫度的升高，尤其是在使用直流充電時。這樣允許更快的充電速度，即使是重復(fù)充電過程。

動力蓄電池可以主動冷卻和加熱。這取決于蓄電池內(nèi)部溫度。蓄電池內(nèi)部溫度低于8℃時，通過加熱元件(PTC)Z132進行加熱；充電期間，蓄電池內(nèi)部溫度高于30℃時，通過冷凝器進行冷卻；車輛行駛，蓄電池內(nèi)部溫度高于35℃時，通過冷凝器進行冷卻。動力蓄電池可以主動冷卻和加熱也可以集成在低溫冷卻回路中，不同的操作狀態(tài)如下所示。

不帶熱泵的冷卻液回路

當(dāng)溫度為15℃或更高時，節(jié)溫器打開，允許冷卻液流向散熱器?；旌祥y可用于將蓄電池集成到低溫電路中，或在帶有加熱元件(PTC)Z132的單獨回路中保持正確的溫度。

蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840控制動力蓄電池的熱量管理。在不帶熱泵的配置中，它調(diào)節(jié)動力蓄電池加熱的混合閥V683和動力蓄電池冷卻液泵V590。低溫回路冷卻液泵V468始終由發(fā)動機控制電腦J623激活，如圖29所示。

帶熱泵的冷卻液回路

圖29 不帶熱泵的冷卻液回路

ID.4對帶熱泵的冷卻液回路已經(jīng)進行了調(diào)整，包括用于動力蓄電池預(yù)熱的混合閥V696。冷凝器和加熱元件(PTC)Z132現(xiàn)在安裝在冷卻液回路的分支中，可以單獨控制。這是必要的，以便在熱泵運行時單獨啟動冷凝器，同時使用加熱元件(PTC)加熱Z132蓄電池。

蓄電池調(diào)節(jié)控制裝置J840控制動力蓄電池的熱量管理。在配備熱泵的車型中，它調(diào)節(jié)動力蓄電池加熱的混合閥V683、動力蓄電池加熱的混合閥V696和動力蓄電池冷卻液泵V590。低溫回路冷卻液泵V468始終由發(fā)動機控制電腦J623激活，如圖30所示。下面顯示幾種加熱和冷卻模式。

圖30 帶熱泵的冷卻液回路

帶熱泵車輛的冷卻和加熱六種模式

打開散熱器旁通，蓄電池沒有冷卻或加熱

此時節(jié)溫器溫度低于15℃，蓄電池溫度8～35℃，熱泵無需求。節(jié)溫器打開散熱器旁通閥，用于動力蓄電池預(yù)熱的混合閥V696啟動最低可能的低溫冷卻回路。當(dāng)熱泵工作時，低溫回路冷卻液泵V468啟動，同時使用加熱元件(PTC)Z132加熱蓄電池，如圖31所示。

圖31 打開散熱器旁通，蓄電池沒有冷卻或加熱

打開散熱器旁通,蓄電池已加熱

此時節(jié)溫器溫度低于15℃，蓄電池溫度低于8℃，熱泵無需求。對于動力蓄電池加熱，啟動最低可能的低溫冷卻回路。節(jié)溫器打開散熱器旁通閥，用于動力蓄電池預(yù)熱的混合閥V696啟動最低可能的低溫冷卻回路。兩個冷卻液泵均已啟動,如圖32所示。

圖32 打開散熱器旁通,蓄電池已加熱

散熱器工作，蓄電池沒有冷卻或加熱

此時節(jié)溫器溫度低于15℃，蓄電池溫度8～35℃，熱泵無需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁通閥，接著動力蓄電池加熱的混合閥V696啟動最低可能的低溫冷卻回路。只有低溫回路冷卻液泵V468被激活。如圖33所示。

圖33 散熱器工作，蓄電池沒有冷卻或加熱

散熱器工作，蓄電池由冷凝器冷卻

此時節(jié)溫器溫度低于15℃，車輛運行時，蓄電池溫度高于35℃；充電時，蓄電池溫度高于30℃，熱泵無需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁通，然后用于動力蓄電池加熱的混合閥V696啟動最低可能的低溫冷卻回路。用于動力蓄電池預(yù)熱的混合閥V683啟動蓄電池冷卻液回路。兩個冷卻液泵均已啟動，如圖34所示。

圖34 散熱器工作，蓄電池由冷凝器冷卻

散熱器工作，蓄電池由低溫回路冷卻

此時節(jié)溫器溫度高于15℃，蓄電池溫度高于30℃，熱泵無需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁通，然后用于動力蓄電池加熱的混合閥V696打開與蓄電池的連接。用于動力蓄電池預(yù)熱的混合閥V683啟動蓄電池冷卻液回路。兩個冷卻液泵均已啟動，如圖35所示。

圖35 散熱器工作，蓄電池由低溫回路冷卻

散熱器工作，蓄電池沒有加熱或冷卻

此時節(jié)溫器溫度高于15℃，蓄電池溫度8～30℃，熱泵有需求。節(jié)溫器關(guān)閉散熱器旁通，然后用于動力蓄電池加熱的混合閥V696打開與蓄電池的連接。用于動力蓄電池加熱的混合閥V683激活蓄電池加熱回路。只激活低溫回路冷卻液泵V468，如圖36所示。

圖36 散熱器工作，蓄電池沒有加熱或冷卻