CN103124645A - 用于机动车辆的热调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的热调节系统，包括：机动车辆的空调回路（B），冷却流体在该空调回路中循环，且所述空调回路包括压缩机（2）、至少两个热交换器（8、42）和至少一个减压装置（24、26）；车辆电池（100）的热处理单元（U），所述单元包括热处理器件（46），所述热处理器件能够与车辆电池成热交换关系；其中热处理器件与空调回路成热交换关系。

Description

用于机动车辆的热调节系统

技术领域

本发明涉及电动车辆的领域，更特别地，涉及这样的车辆的热调节系统。

背景技术

由于电动车辆不再具有热机，车辆乘客舱供暖功能不再由热散热器执行，热机的冷却剂在所述热散热器中循环。

申请人提出的一种方案是使用电加热装置，诸如电散热器，取代热散热器。该方案具有消耗车辆的电池的电能的缺陷，因此减少车辆在再充电之间的里程。

为了减少车辆电池的电消耗和为车辆乘客舱提供供暖，已经提出使用在热泵模式下操作的空调回路。如已知的，空调回路包括压缩机、冷凝器、减压装置和蒸发器，并且通常使得可以经由蒸发器冷却通过车辆的空调设备的空气流。在目前情况下，空调回路被使用为使得供应热至通过空调设备的空气流。为此，空调回路被使用为使得蒸发器操作为冷凝器并且使得通过其的空气流被再加热。但是空调回路在热泵模式下的使用不完全令人满意，这是因为热泵模式下的性能水平取决于外部气候条件。

更具体地，在冬季气候条件下，外部空气温度对于该外部空气用作用于在热泵模式下操作的空调回路的热能量源来说太低。实际上，在冬季条件下外部空气作为热能的使用导致热交换器（流体在其中蒸发）的结冰问题。该结冰引起空调回路的性能系数的下降并需要附加能量的输入以为结冰的热交换器除冰并返回至令人满意的性能系数值。最后，当外部空气的温度极低（例如-20℃）时，该外部空气的热能不足以产生空调回路流体的热力学循环。

并行地，电动车辆的电池的温度必须尽可能恒定，以便避免其寿命减少。为此，有必要具有当外部温度较低时再加热电池的源以及当外部温度较高时冷却电池的源。电池的再加热源可以是运输来自空调回路的热的水回路或电加热装置。

然而，这些解决方案不理想。实际上，车辆包括加热电池的电加热装置和加热乘客舱的空气的附加电加热装置，或车辆包括用于电池的电加热装置和用于加热乘客舱的水回路。现在，电加热装置的增加消耗电池的电能，并且水回路增加车辆的体积并具有附加的成本。

因此需要既管理电动车辆的电池的热调节以便延长电池寿命，又管理车辆的乘客舱的热调节以便确保电动车辆的乘客的热舒适性，而不以任何方式减少车辆在再充电之间的里程。

发明内容

本发明通过提出一种用于机动车辆的热调节系统为该问题提供解决方案，所述热调节系统包括：

-空调回路，冷却剂在该空调回路中循环，且所述空调回路包括压缩机、至少两个热交换器和至少一个减压装置，

-用于车辆电池的热处理单元，包括能够与车辆电池进行热交换的热处理器件。热调节系统特征在于热处理器件与空调回路进行热交换。

由于该系统，通过电加热装置和空调回路的结合确保了电池的热调节，且该同一电加热装置与空调回路一起用于车辆的乘客舱的热调节。此外，该热调节系统使得可以省掉用于加热乘客舱的空气的体积庞大且成本高的水回路的使用。热调节系统的重量节省还通过水回路的取消而实现。此外，该热调节系统使得可以减少热处理单元的体积。

有利地：

-所述热处理器件与空调回路分开，

-所述热处理器件与所述至少两个热交换器中的一个进行热交换。

-热处理器件和所述至少两个热交换器中的一个之间的热交换经由风机进行。

-与热处理器件进行交换的热交换器定位在热处理单元内部。

-所述热处理器件与空调回路接触。

-所述热处理器件与所述至少两个热交换器中的一个接触。

-与所述热处理器件接触的热交换器是蒸发器。

-所述至少两个热交换器中的一个是链接至电池的冷凝器。

-所述热处理器件沿冷却剂的行进方向位于冷凝器的上游。

-所述热处理器件位于冷凝器的下游。

-附加的热处理器件与空调回路接触。

-所述附加的热处理器件位于内部冷凝器的上游。

-热处理器件是电加热装置。

本发明还涉及一种热管理方法，用于如前述权利要求中的任一项所述的热调节系统和车辆的空调设备，其中该方法包括以下步骤：

-施用热处理器件

-在再循环模式下施用空调设备

-施用空调回路

-测量车辆乘客舱的空气温度

-当乘客舱空气温度增加时，减少热处理器件的电消耗。

附图说明

本发明的其他特征、细节和优势在阅读以下给出的作为关于附图的表示的描述而更加清晰地显现。

图1示出根据本发明的热调节系统的第一实施例；

图2示出图1的系统的空调回路的冷却剂的热力学循环；

图3示出根据本发明的热调节系统的第二实施例；

图4示出图3的系统的空调回路的冷却剂的热力学循环；

图5示出第二实施例的变化例；

图6示出图5的系统的空调回路的冷却剂的热力学循环；

图7示出所述系统的第二实施例的另一变化例；

图8示出图7的系统的空调回路的冷却剂的热力学循环；

图9示出所述系统的第一和第二实施例的变化例；

图10、11和12示出包括图9的变化例的系统的空调回路的冷却剂的热力学循环。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电动车辆的热调节系统的示意图。

热调节系统包括用于车辆的电池100的热处理单元U和空调回路B。

该空调回路B包括压缩机、至少两个热交换器和至少一个减压装置。压缩机是电压缩机2，冷却剂在所述压缩机中被压缩。电压缩机2包括输出端4，高压和高温的冷却剂被通过所述输出端4排放以到达第一三通阀6。热交换器（称为内部冷凝器8）的输入端链接至第一三通阀6的两个输出端的一个，该内部冷凝器8位于空调设备C内部。第一三通阀6的另一输出端通向旁通通道10，所述旁通通道结束于内部冷凝器8的输出端。因此，来自电压缩机2的冷却剂可以旁通内部冷凝器8且不通过内部冷凝器。

内部冷凝器8的输出端链接至第二三通阀12，所述第二三通阀的一个输出端链接至热交换器（称为外部冷凝器14）的输入端，而所述第二三通阀的另一输出端链接至旁通管16。外部冷凝器14在车辆的前部处位于电动车辆内部，且被来自外部的空气流Fe通过。外部冷凝器14的输出端链接至内部热交换器20的第一输入端18。旁通管16链接至内部热交换器20的第一输入端18。因此，旁通管16允许冷却剂旁通外部热交换器14且不通过外部热交换器14。冷却剂则从第二三通阀12直接流到内部热交换器20的第一输入端18。仍在高压下且通过内部热交换器20的冷却剂通过内部热交换器20的第一输出端22离开内部热交换器20，到达两个减压装置24、26。两个减压装置24、27彼此并行地安装。

第一减压装置24链接至称为变换器蒸发器38的热交换器。变换器蒸发器38处理对电池100进行电控制的变换器40的冷却。另一热交换器（称为电池交换器42）链接至变换器蒸发器38并使得可以冷却通过其的空气流Fu，该空气流Fu在热处理单元U内部循环。换言之，电池交换器用作蒸发器。适当冷却的空气流Fu经由风机44到达电池100，且使得可以降低它的温度。电池交换器42链接至内部热交换器20的第二输入端30。通过第一蒸发器42的冷却剂因此到达内部热交换器20，随后到达蓄积器34，并最后到达压缩机2。

第二减压装置26链接至称为内部蒸发器28的热交换器。位于空调系统C内部，内部蒸发器28被来自第二减压装置26的处于低压和低温状态的冷却剂通过。在内部蒸发器28的输出端处，冷却剂循环至内部热交换器20的第二输入端30。处于低压的冷却剂通过内部热交换器20，以与在第一输入端18和第一输出端22之间循环的处于高压的冷却剂换热。处于低压的冷却剂经由第二输出端32离开内部热交换器20，以到达蓄积器34。电压缩机2的输入端36链接至蓄积器34的输出端。

热处理单元U还包括热处理器件。在该实施例中，热处理器件是电加热装置46。例如，该电加热装置46由正温度系数电阻元件形成。当必要时，由风机44致动的空气流Fu通过电加热装置46，被再加热以及随后到达电池100以加热电池。为了确保电池100的最优热管理，热处理单元100与车辆的其余部分热绝缘。为此，热处理单元包括，例如，绝热腔室。位于热处理单元U内部的瓣片50使得可以将空气流Fu分配到电加热装置46或第一蒸发器42。

现在将描述热调节系统的实施。

在夏季气候条件下，有必要冷却车辆的乘客舱和电池100。为此，使用空调回路。电压缩机2被施用且压缩冷却剂。在压缩机的输出处，冷却剂则处于高压和高温。第一三通阀6打开，以便使得流体朝向旁通通道10循环。于是进入内部冷凝器8被阻止。冷却剂随后到达第二三通阀12，所述第二三通阀允许通向外部冷凝器14。进入旁通管16被阻止。借助通过外部冷凝器14，冷却剂被冷凝且放热至通过外部冷凝器14的空气流Fe。高压冷却剂随后到达内部热交换器20，并放热至通过内部热交换器20内部的低压冷却剂。冷却剂随后到达两个减压装置24、26。第一减压装置24和第二减压装置26打开，以便允许冷却剂通过并使冷却剂减压。在两个减压装置24、26的输出端处，冷却剂处于低压和低温。

一方面，当冷却剂到达内部蒸发器28并通过内部蒸发器28时，冷却剂借助通过内部蒸发器28而吸热。由此，通过内部蒸发器28的空气流Fc被冷却。在被冷却的空气流在风机48的作用下到达车辆的乘客舱时，该被冷却的空气流使得可以降低乘客舱中空气的温度。离开内部蒸发器28的冷却剂随后到达内部热交换器20，从高压冷却剂吸热，到达蓄积器34并随后到达压缩机2。

另一方面，当冷却剂到达变换器蒸发器38并通过变换器蒸发器38时，冷却剂从变换器40吸热以便冷却变换器40。冷却剂随后通过电池交换器42，冷却剂从在热处理单元U内部循环的空气流Fu吸热。该适当冷却的空气流Fu使得可以当与电池100接触时降低电池100的温度。

一旦冷却剂离开电池交换器42，其到达内部热交换器20，通过该内部热交换器20随后循环通过蓄积器34，并最终返回到压缩机2。

在冬季气候条件下，车辆的乘客舱和电池100需要被加热。为此，电加热装置46被施用，并加热在热处理单元U内部循环的空气流Fu。当热空气流Fu与电池100接触时，该热空气流Fu使得可以增加电池100的温度。在施用空调回路B时，还涉及被电加热装置46以热能形式使用的电能。

由于压缩机的压缩而处于高压和高温的冷却剂通过第一三通阀6，随后通过内部冷凝器8。第一三通阀6因此阻止冷却剂通过旁通通道10。在内部冷凝器8内部，制冷剂放热至通过空调设备C的空气流Fc，该空气流Fc使得可以增加乘客舱中的空气的温度。冷却剂随后循环通过第二三通阀12并经由旁通管16旁通外部冷凝器14。第二三通阀12因此阻止冷却剂通向外部冷凝器14。冷却剂随后通过内部热交换器20，随后到达两个减压装置24、26。

通过第一减压装置24的冷却剂改变为低压和低温状态，随后到达变换器蒸发器38。考虑到变换器40在其操作中的较大热耗散，一直有必要冷却变换器，甚至在冬季条件下。因此，通过变换器蒸发器38的冷却剂从变换器40吸热，并使得变换器40可以被冷却。

为了确保空调回路B的最优操作，即获得最优性能系数，电加热装置46的热能用于加热通过电池交换器42的冷却剂。换言之，电加热装置46从电池100获取的电能既用于电池100加热功能又用于空调回路B的能量输入功能，以便确保高效的热力学循环。实际上，为热的形式的能量（在内部冷凝器8处由冷却剂排放以加热乘客舱中的空气）必须被回收以当冷却剂在空调回路B内部循环时完成冷却剂的热力学循环。考虑到外部空气处于低温（冬季气候条件），外部空气不能供应冷却剂需要的以结束它的热力学循环的能量。能量输入因此来自电加热装置46。

因而，通过电池交换器42的冷却剂从电加热装置46吸热，随后通过内部热交换器20、蓄积器34并返回到压缩机2。

通过第二减压装置26的冷却剂到达内部蒸发器28，在该内部蒸发器28中，冷却剂从在空调设备C内部循环的空气流Fc吸热。为了最小化空调回路B的电消耗，即压缩机2的电消耗，空调设备C在空气再循环模式下运行，即，在空调设备C内部循环的空气流Fc来自车辆的乘客舱而不是来自外部。在内部蒸发器28的输出端处，冷却剂通过内部热交换器20，随后通过蓄积器34，并最后通过压缩机2。由于以下原因选择空调设备C的该再循环操作模式。

根据本发明的热调节系统使得可以减少电池的电消耗，同时为电池和乘客舱中的空气提供加热。为此，在冬季气候条件下，电加热装置46和空调回路B被施用，且空调设备C在再循环模式下操作。因此，空调回路C被越多操作，则乘客舱中的空气被越多加热。由于此，乘客舱中的空气的温度逐渐变得足够高以致于乘客舱中的空气能够变成用于空调回路B的热能量源。该能量源经由第二热交换器28从乘客舱中的空气获取。实际上，当冷却剂通过内部蒸发器28时，冷却剂从乘客舱中的空气吸热。因而，电加热装置46的电消耗随乘客舱中的空气热起来而减少。换言之，乘客舱中的空气被越多加热，则该空气越多取代电加热装置46输入的用于冷却剂的热力学循环的热能。为此，乘客舱中的空气的温度经由温度传感器测量。最后，电加热装置46仅消耗加热电池100所需的电能，且空调回路B操作为利用其加热的空气中的热能的热泵。

通过将根据本发明的热调节系统与在再循环模式下操作的空调设备C结合，乘客舱中的空气被保持在期望的温度，电池100的温度保持恒定，以及电池的电能的消耗最小。此外，由于内部蒸发器28正在操作，由车辆乘客的呼吸产生的湿气通过水在该内部蒸发器28处的冷凝消除，这消除了当空调设备C处于再循环模式时挡风玻璃起雾的风险。

图2示出当空调回路B为冬季气候条件施用时冷却剂的热力学循环。该循环示出作为压力P的函数的焓h。

在压缩机2的输出处，流体处于温度T1并且处于压力P1，压力P1这里视为低压。在压缩机2的输出处，且因此冷却剂一旦被压缩，冷却剂处于大于T1的温度T2且处于大于P1的压力P2。将压力P2视为高压。冷却剂的该压缩对应于热力学循环的步骤A。

当冷却剂通过内部冷凝器8时，其放热到空调设备C的空气流Fc，且其温度掉落至温度T3（步骤B）。随后，在内部热交换器20内部的通过将冷却剂的温度降低至值T4（步骤C）。在温度T2和T4之间，冷却剂的压力保持恒定。

通过第一减压装置24的冷却剂的压力掉落至值P1（步骤D）。在流体通过变换器蒸发器38（步骤E）时，流体从变换器40吸热，且流体的温度增加至温度T5。随后，冷却剂的温度借助通过电池蒸发器42再次增加至温度T6（步骤F）。最后，冷却剂在其通过内部热交换器20之后回复到温度T1（步骤G）。

图2示出借助使用电加热装置46与空调回路B产生的能量节省。由压缩机2供应以压缩冷却剂的能量Δη1少于由内部冷凝器8释放以加热乘客舱的能量Ah2。这意味着电压缩机2消耗的能量比其通过经由内部冷凝器8的热释放恢复的能量少。因此需要能量的输入来产生冷却剂的完整的热力学循环。现在，由于冬季条件下的外部空气具有太低以致于不能输入实现热力学循环所需的能量的温度，电加热装置46的使用使得可以克服这种情况。由于施用电加热装置46来加热电池，由电加热装置46传递的能量的量既用于加热电池也用于将失去的能量输入至冷却剂以完成它的热力学循环。因此，不需要添加另外的能量源给空调回路B。电池100的电消耗因此被减少，同时确保了电池100和乘客舱中的空气的加热。

图3示出根据本发明的热调节系统的第二实施例。在该实施例中，空调回路B的部件与图1中所示的第一实施例的那些相同。该实施例的特定特征是电池（未示出）和电池蒸发器42以及电加热装置46之间的直接热交换。

热处理单元U容置电池蒸发器42和电加热装置46。与图1的实施例不同，电池（未示出）与电池蒸发器42接触。因此，直接进行冷却剂和电池之间的热交换。此外，电加热装置46与电池蒸发器42接触。更具体地，电加热装置46与电池蒸发器42直接接触，而不与空调回路B直接接触。

图4示出当需要加热乘客舱中的空气和电池时用于图3的热调节系统的冷却剂的热力学循环。

步骤A表示冷却剂在压缩机2内部的压缩。步骤B表示通过空调设备C的空气流和通过内部冷凝器8的冷却剂之间的热交换。步骤C表示内部热交换器20内部的热交换。步骤D表示由第一减压装置24执行的流体减压。步骤E表示变换器40和通过变换器蒸发器38的冷却剂之间的热交换。步骤F表示电加热装置46和通过电池蒸发器42的冷却剂之间的热交换。最后，步骤G表示内部热交换器20内部的热交换。

图5示出第二实施例的变化例，其中电加热装置46与空调回路B直接接触。为了图片清晰的原因，该图仅示出空调回路B的布置在第一减压装置24和内部热交换器20之间的元件。电加热装置46位于空调回路B内，根据冷却剂在空调回路B内部的行进方向位于变换器蒸发器38的下游，且更具体地，在变换器蒸发器38和电池交换器42之间。在该变化实施例中，冷却剂的蒸发经由来自变换器38的热输入和来自电加热装置46的输入进行。因而，电池的热输入由经由电池交换器42的冷却剂产生。因此，该电池交换器42操作为冷凝器，这是由于通过其的冷却剂放热至电池。

图6示出当需要加热乘客舱中的空气和电池时用于图5的热调节系统的冷却剂的热力学循环。

步骤A、B、C、D、E和G与图4的那些相同。由压缩机2和变换器蒸发器38之间的空调回路B的架构相同可以理解这种情况。

步骤F'表示电加热装置46和冷却剂之间的热交换。这里，冷却剂从电加热装置46吸热并增加该冷却剂的温度。尽管根据本变化例的电加热装置46不与电池直接接触，其仍经由空调回路B参与电池的加热。实际上，由于冷却剂被电加热装置46加热，所述冷却剂经由电池交换器42排放足够热至电池，用于电池被加热和保持恒定温度，以便延迟电池的寿命。步骤F″示出从冷却剂经由电池交换器42至电池的该热交换。应理解，电加热装置46供应足够热能，以既加热电池又有助于冷却剂的热力学循环。

图7示出第二实施例的变化例，其中电加热装置46被分为两个部分，位于变换器蒸发器38的下游且位于电池交换器42的上游的主电加热装置46a和位于电池交换器42的下游的副电加热装置42b。

图8示出当需要加热乘客舱中的空气和电池时用于图7的热调节系统的冷却剂的热力学循环。

步骤A、B、C、D、E、F'、F″和G与图6的那些相同。由压缩机2和变换器蒸发器38之间的空调回路B的架构相同可以理解这种情况。在步骤F′中，冷却剂的加热由主电加热装置46a产生。在步骤F″中，冷却剂的加热由副电加热装置46b产生。

图9示出可应用于第一和第二实施例的变化例。在该变化例中，附加的电加热装置52定位在空调回路B上。更具体地，该附加的电加热装置52根据冷却剂在空调回路B内部的行进方向布置在内部冷凝器8的上游。附加的电加热装置52的存在使得可以就在冷却剂通过内部冷凝器8之前供热至冷却剂。由于此，促进了对于冷却剂的动态温度控制。实际上，附加的电加热装置52使得可以，当由压缩机2的功供应的热不足时，最好地调整加热通过内部冷凝器8的空气流Fc所需的热的量。

图9提供了包括位于内部冷凝器8上游的附加电加热装置52的空调回路B的部分的简化视图。

图10、11、12示出当需要加热乘客舱中的空气和电池时分别用于图3、5和7的热调节系统的冷却剂的热力学循环。

在图10中，图4的阶段A和阶段B之间的附加阶段A'示出由附加电加热装置52进行的冷却剂加热。因而，空调设备C的空气流Fc被加热的阶段B对应于大于图4的阶段B的被传递的热能。

在图11中，阶段A是冷却剂的压缩的阶段。由附加电加热装置52进行的冷却剂加热由阶段A'表示。在内部冷凝器8处来自冷却剂的热损失是阶段B。阶段C示出流体在内部热交换器20中的通过。阶段D示出由第一减压装置24进行的冷却剂减压，而阶段E对应于由变换器38进行的冷却剂加热。阶段F'对应于由电加热装置46进行的冷却剂加热，阶段F″是流体经由电池蒸发器42放热至电池的阶段，而阶段G示出流体在内部热交换器20中的通过。图10示出被传递至空调设备C的空气流Fc的热的量（阶段B）如何大于图6中所示的热的量。

与图8不同，图12示出由于附加电加热装置52造成的附加阶段A'。

Claims (15)

1.一种用于机动车辆的热调节系统，包括：

-空调回路（B），冷却剂在该空调回路中循环，且所述空调回路包括压缩机（2）、至少两个热交换器（8、42）和至少一个减压装置（24、26），

-车辆的电池（100）的热处理单元（U），包括能够与车辆的电池（100）进行热交换的热处理器件（46），

其特征在于，所述热处理器件（46）与空调回路（B）进行热交换。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述热处理器件（46）与空调回路（B）分开。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述热处理器件（46）与所述至少两个热交换器（8、42）中的一个进行热交换。

4.如权利要求3所述的系统，其中，热处理器件（46）和所述至少两个热交换器（8、42）中的一个之间的热交换经由风机（44）进行。

5.如权利要求3或4所述的系统，其中，与热处理器件（46）进行交换的热交换器（42）定位在热处理单元（U）内部。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述热处理器件（46）与空调回路（B）接触。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述热处理器件（46）与所述至少两个热交换器（8、42）中的一个接触。

8.如权利要求7所述的系统，其中，与所述热处理器件（46）接触的热交换器（42）是蒸发器。

9.如权利要求6所述的系统，其中，所述至少两个热交换器（8、42）中的一个是链接至电池的冷凝器。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述热处理器件（46）沿冷却剂的行进方向位于冷凝器（42）的上游。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述热处理器件（46）位于冷凝器（42）的下游。

12.如权利要求6至11中的任一项所述的系统，其中，附加的热处理器件（52）与空调回路（B）接触。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述附加的热处理器件（52）位于内部冷凝器（8）的上游。

14.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，热处理器件（46）是电加热装置。

15.一种热管理方法，用于如前述权利要求中的任一项所述的热调节系统和车辆的空调设备（C），其中该方法包括以下步骤：

-施用热处理器件（46）

-在再循环模式下施用空调设备（C）

-施用空调回路（B）

-测量车辆乘客舱的空气温度

-当乘客舱空气温度增加时，减少热处理器件（46）的电消耗。

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