零跑LEAP 5.0超级集成空调一体机想要解决什么问题?

新能源车的热管理,最早是各管各的:电池一套液冷回路,电驱一套冷却回路,座舱一套空调回路,各自有泵、阀和换热器,管路在前舱里交错。热泵化之后,回路之间还要互相借热,电机余热给电池、电池余热给座舱、低温下从空气里吸热。阀件和换热器的数量跟着涨,前舱越来越挤。

行业的应对,是先把水侧集成起来。多通阀、水泵、板式换热器、膨胀壶、流道板做成一块铝制集成模块,冷却液在这块板上完成切换和分配,取代过去一根根橡胶软管。特斯拉的八通阀、比亚迪的集成阀岛、华为的TMS,走的都是这个方向:部件数量做减法,管路接头做减法,装配工序做减法。这是过去几年热管理进步的主线。

但这条主线只解决了冷却液回路。制冷剂回路仍然是散的:压缩机在前舱,冷凝器在最前面迎风,蒸发器在乘员舱的空调箱里,chiller和一堆冷媒阀件散在中间,靠四根穿过前围板的长冷媒管把两边连起来。空调箱按惯例布置在仪表板下方,热管理控制总成在前舱,两边隔着一道前围板,谁也够不着谁。

管路长,冷媒走一趟就有沿程传热损失和流动阻力;接头多,每一个都是潜在泄漏点;前舱零部件密集,管路要绕行多个部件,装配工序跟着复杂;仪表板下方被空调箱占着,座舱空间和仪表板造型都受挤压。换个角度看,行业的热管理集成做到了部件级,还没走到系统级。水侧可以是一块板,冷媒侧仍是一条条管子;前端模块和空调箱仍是两个总成,各自找地方安装,各自与车身固定。零跑要动的,就是横在前围板上的这道边界。

01. 零跑超级集成空调一体机是什么思路

零跑的“超级集成空调一体机”,是一套把空调与整车热管理部件集中布置、统一控制的系统。它通过缩短管路、调整安装位置,减少空调对车内空间的占用,同时协调座舱、电池和电驱之间的热量流动。零跑在LEAP 5.0架构中,将这套设计与动力总成后置布局结合,用来释放更多乘员空间。

这款超级集成空调一体机零部件从69个减到21个,空调箱移出乘员舱,仪表台纵向占用从580毫米压到310毫米,管路从6.2米缩短到3.3米;控制侧用14通阀打通制冷制热回路,支持48种切换模式和54种能量交换模式。

首先,是整机怎么摆。零跑是把前端模块和空调箱合成了一台设备:前端模块包括风扇和风扇罩,风扇罩有两面相对的侧壁,两面侧壁的排列方向与风扇出风方向垂直。空调箱装在其中一侧,向车辆后方延伸。空调箱不再待在仪表板下方,而是坐到风扇罩的侧壁上,跟着前端模块一起进前舱。

风扇罩由此变成整台机器的骨架。它另外两面壁板沿出风方向相对布置:一面平铺剂侧流道板和水侧流道板,一块走冷媒、一块走冷却液,两块板沿出风方向的投影互不重叠,谁也不挡风扇的进风和出风;另一面的外侧挂冷凝器,冷凝器接口与剂侧流道板接口直接连通。热管理控制器也装在流道板所在的壁面上,和流道板、空调箱、压缩机挤在一起。

压缩机布置在与空调箱相对的一侧,安装支架与该侧壁一体成型,压缩机通过减震垫和螺栓软连接在支架上;水侧流道板预留多通阀和水泵的安装位;气液分离器沿车辆左右方向布置,投影与风扇罩部分重叠,把前后方向的空间省下来。冷凝器翅片还做了分区:正对风扇投影的区域排得密、间距小,投影之外排得疏、间距大,风量大的地方加密,边缘把材料省下来。

这之后就是冷媒要怎么接。零跑是把制冷剂流道板直接贴到暖通空调总成的壳体外侧壁上:蒸发器和冷凝器各有两个连接端,分别与流道板上的四个对应接口一一对接。管子不再穿过前围板,变成壳体侧壁上的板对板直连。

对接结构由两块压块、螺栓和密封圈组成:一块压块上开通孔,孔口向外伸出插接头;另一块压块上开对应的插接孔。插接头插进孔内,螺栓把两块压块压紧,流道对中连通。密封圈被压缩在插接头外壁与插接孔内壁之间,形成径向密封,防止冷媒在高压工况下泄漏。带插接头的压块上布置两个通孔和两个插接头,单个连接结构同时接通两路冷媒通道,两组连接结构覆盖四路,连接件数量和装配工序都减了一半。chiller 挂在壳体侧壁上,接口直接与冷媒流道连通;气液分离器同样集成在侧壁,外面加抱箍组件环绕固定,抑制行驶中的振动与位移;流道板本身通过三个呈三角形分布的安装凸台,用螺栓固定在壳体上,受力均匀。

另外就是水侧怎么无管化。零跑是把暖风芯体、水阀、水泵全部收进空调箱的侧壁:侧壁上集成管部,朝背离风道的一侧布置,管内就是冷却液流道;暖风芯体装在空调箱内,至少部分位于风道中,进出口与流道两端直接对接。水阀和暖风循环水泵装在同一侧壁上,与分成三段的流道连成一个热循环回路,没有独立阀件、泵支架和外部管路。

流道还留了延伸支路,支路分为两段,配合另一台水泵,把整车其他热管理部件的余热引回暖风芯体;外部留有三路接口,分别接冷凝器、低温散热器和电池冷却器,制冷与制热回路之间可以互通余热。流道端口与芯体进出口之间用压板压紧,压板与管部一体成型,靠机械压紧力形成刚性压紧密封,抵消行驶振动和热胀冷缩带来的间隙变化;管部可以做成 L 型、U 型,绕开周边干涉件,管径和长度也能按布置调整。

最后就是冷媒核心件要怎么收拢。零跑用一块基板托住整个冷媒侧:基板一部分做成剂侧流道板,内部布置冷媒通道;另一部分做成控制器壳体,一侧开凹槽容纳热管理控制器,另一侧加加强筋。压缩机横跨这两部分固定,基板上的多个安装孔共同构成安装位,省掉了独立的压缩机金属支架和一堆紧固件。

控制器壳体内部还集成了一条冷媒通道,连通剂侧流道板与压缩机:冷媒先流经这里,吸收控制器运行产生的热量,再被压缩机压缩,控制器的废热变成冷媒的过热度,散热从被动风冷变成主动吸热;这条通道还与气液分离器连通。压缩机出口成型一段高压流道,高温高压冷媒就地送回剂侧流道板内的通道,不走外部管路。

水侧流道板固定在剂侧流道板的一侧,投影落在剂侧流道板范围内,水泵、多通阀、水壶挂在水侧流道板上;板式换热器走冷媒侧,水冷冷凝器走水侧。剂侧流道板上做了多处贯穿镂空,既减重,也给水侧接口让位;冷媒通道之间也留出镂空间隔,减少相互传热。气液分离器、车身安装部也都在基板上。

02. 让空间、能耗和制造围绕同一套总成展开

最直接的收益是空间。空调箱与制冷剂流道板就近连接后,原先穿越前围板、在前舱内迂回布置的长冷媒管路可以显著缩短。空调箱从仪表板下方前移到前舱,仪表板后方不再需要容纳完整的空气处理设备,能够减少这一带的空间占用、重量和成本。按照零跑专利给出的布置,吹面、吹脚和除霜风管伸入乘员舱对接,鼓风机、换热器和风门等部件集中在前舱完成空气处理。相关管路、独立支架和安装横梁减少,也为前备箱和周边设备的布置留下更多余地。释放出来的空间如何分配,则可以随整车设计安排到座舱或其他功能区域。

重量和成本的改善,来自辅助结构与连接件的减少。围绕压缩机安装,零跑在不同专利中提出了两种做法:一种将压缩机支架与风扇罩侧壁一体成型,另一种利用剂侧流道板和控制器所在板部上的安装孔直接固定压缩机。

两种方案都在减少独立支架和冗余紧固件,但具体承载结构不同。水阀、水泵则可以直接安装到空调箱侧壁或水侧流道板上,与内部通道对接,减少单独的安装支架和模块内部外接管路。总成还可以先完成预装,再整体安装到车身固定点,冷媒预充也可以安排在装车之前,把部分操作前移到模块装配阶段,减轻总装线上的零散装配负担。

能效上的改善,首先落在流动路径。冷媒和冷却液经过长管路、弯头与接头时都会产生压降,缩短不必要的连接、优化流道截面,有助于降低输送负担,也能减少沿途与周围环境发生的无效换热。冷凝器正对风扇的区域采用较密翅片,外围区域适当放宽间距,让换热面积与局部气流条件相适应。控制器所在板部内还可以设置冷媒通道,利用流经的低温低压冷媒带走控制器热量,改善高负荷下的散热条件,降低温度过高引起的降额风险;冷媒随后进入压缩机,吸气连接也因此更加紧凑。

余热利用则通过暖风水路与外部接口展开。暖风芯体的延伸支路可以连接电池、电驱等温控回路,在热源温度和供暖需求允许时,将可利用的余热引入HVAC循环,承担部分原本需要电加热提供的热量。冷凝器释放的热量也可以经相应接口引入制热回路;夏季存在其他用热需求时,空调系统排出的热量同样具备利用条件。这些功能需要水泵、阀门和换热器按工况配合,接口集成为热量调配提供了连接基础。最终能够节省多少电量,还要结合环境温度、热源条件和运行策略评价。

NVH的改善依靠安装路径和隔振设计。压缩机、前端冷却模块的风扇、空调箱中的鼓风机,都是热管理系统里的振动源。分散布置时,振动会沿各自的支架和安装点传向车身。整机集成方案将这些部件纳入共同的安装结构,并在压缩机与支架之间设置减震垫,整机与车身之间也可以采用减震连接,在传递链上形成两级弹性隔振。基板集成方案则通过合并压缩机支撑、控制器下壳体和剂侧流道板,减少独立连接部件,调整承载与振动传递路径。

可靠性落实在接口与固定细节上。压块和密封圈组成的径向密封,用于保证冷媒接口在压力工况下的密封;压板将冷却液流道端口压向暖风芯体进出口,兼顾定位、紧固以及振动和冷热循环下的连接稳定;抱箍为气液分离器提供固定,限制行驶中的振动与位移。管路缩短、接头减少,也意味着需要控制的潜在泄漏位置随之减少。基板上的镂空还有不同用途:贯穿镂空用于减重,并为水侧接口穿行让位;通道与接口之间的镂空间隔,则用于减少相互传热。紧凑结构需要同时保留拆装条件,密封件更换和部件检修的操作空间也要提前确定。

这些设计背后的原因,落在整车开发的实际约束上。热泵与余热回收功能增加后,回路连接和运行模式会更加复杂,前舱又需要兼顾动力布置、碰撞结构、造型和储物空间。继续依赖分散部件与外部管路连接,会增加布置和装配的难度。零跑将空调箱位置、流道板承载、泵阀安装和控制器散热放到共同的设计范围内,可以从开发早期协调这些相互牵连的需求。空调系统的安装边界也随之变化,箱体侧壁开始承担水路功能,控制器壳体参与冷媒散热,原本分开的结构件与功能件出现更多共用。

HVAC总成专利还提出了标准化外部接口的设计。对于预设接口和总成能力能够覆盖的需求,同一套HVAC结构可以通过不同的外接配置,适配纯电、混动和燃油车型的热管理方案,减少空调箱侧壁及流道的重复开发。新增功能也可以优先利用预留接口扩展,再根据具体车型完成回路匹配和控制标定。对零跑而言,这种结构与配置之间的弹性,有助于把已经完成的开发成果用于更多车型,同时保留不同热源、换热需求和整车布置之间的调整空间。

总结.

集成不是把零件挪到一起这么简单。风扇罩从空气流道的边界变成整机的安装基座,空调箱侧壁从结构件变成水路的一部分,控制器壳体从独立电气件变成冷媒回路的一环,每个部件的角色都被重新定义,空间、能耗和制造工艺才有机会围绕同一套总成展开。

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零跑 热管理 集成空调

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