CN106440499B - 利用电池散热的纯电动汽车空调系统及其制冷制热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用电池散热的纯电动汽车空调系统及其制冷制热方法。电动汽车空调对其发展的制约性越来越明显。本发明利用电池散热的纯电动汽车空调系统，包括风机、辅助加热器、制冷剂循环制冷系统和冷却液循环制热系统；制冷剂循环制冷系统包括压缩机、室外冷凝器、制冷剂储液罐、膨胀阀和室内蒸发器；冷却液循环制热系统包括集热散热器、冷却液储液箱、电池散热集热系统和智能测温传感器。本发明将锂离子电池组产生的大量热量转化用于空调系统制热，更节能，续航里程也更长；没有四通换向阀，结构简单、可靠，减少了成本。

Description

利用电池散热的纯电动汽车空调系统及其制冷制热方法

技术领域

本发明属于暖通技术领域，涉及一种利用电池散热的纯电动汽车空调系统及其制冷制热方法，特别涉及空调的制热部分。

背景技术

随着电动汽车技术的发展，电动汽车空调对其发展的制约性越来越明显，究其原因：由于缺少了内燃发动机，冬季制热受到很大的制约。目前很多汽车厂商都采用专用加热装置来实现暖风功能，用的较多的是PTC加热电阻制热，然而PTC电阻将电能转化为热能，加热效率低于1，且PTC电阻加热耗能很大，相关资料显示，单纯靠PTC加热实现暖风功能会使纯电动汽车的续航里程减少50％。有采用普通热泵空调系统结构的，需要开发允许双向流动的阀，即四通换向阀，四通换向阀在汽车上运行时性能很不稳定，在工作时存在换向延迟、换向不到位等问题，从而容易导致制冷剂在空调系统中发生内漏所引起的串流问题。并且在热泵工况下，系统从融霜模式转为制热模式时，风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发，在挡风玻璃上结霜，会影响汽车驾驶的安全性。其次，纯电动汽车正常运行过程中，锂离子动力电池组伴随着充放电、爬坡等工作电流提高时会产生大量的热，如果这些热量不能够及时散失掉将导致电池组内部温度不断升高及温度分布不均匀，从而影响电池的使用性能、循环寿命及安全性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种利用电池散热的纯电动汽车空调系统及其制冷制热方法，将锂离子电池组产生的大量热量转化用于空调系统制热。以往的空调制热模式严重影响纯电动汽车的续航里程，现在结合电池产生的热量之后，空调更节能，能量得到更加合理、有效地利用，续航里程也更长；没有四通换向阀，结构简单、可靠，同时也减少了成本；而以往的电池组风冷散热模式不能有效地散热，本发明结合之后散热效果更佳，从而电池得到更好地保护，使用性能得到增强，寿命更高，也更安全。

本发明为解决上述问题通过下述技术方案来实现：

本发明利用电池散热的纯电动汽车空调系统，包括风机、辅助加热器、制冷剂循环制冷系统和冷却液循环制热系统。所述的制冷剂循环制冷系统包括压缩机、室外冷凝器、制冷剂储液罐、膨胀阀和室内蒸发器；压缩机的出口端与室外冷凝器的进口端相连，室外冷凝器的出口端与制冷剂储液罐的进口端相连，制冷剂储液罐的出口端与膨胀阀的进口端相连，膨胀阀的出口端与室内蒸发器的进口端相连，室内蒸发器的出口端与压缩机的进口端相连。

所述的冷却液循环制热系统包括集热散热器、冷却液储液箱、电池散热集热系统和智能测温传感器；电池散热集热系统包括冷却液进水管路、导热板和冷却液出水管路；电池组的每块电池两侧分别与一块导热板接触，导热板内设有冷却液水路；冷却液进水管路布置在两列电池组中间，且与各个冷却液水路的进口端连通；两个冷却液出水管路设置在两列电池组外侧，各个冷却液水路的出口端分别与对应侧的冷却液出水管路连通。两个冷却液出水管路通过三通管接头与集热散热器的进口端相连，集热散热器的出口端与冷却液储液箱的进口端相连，所述冷却液储液箱的出口端与智能电动泵的输入端相连，智能电动泵的输出端连接到电池散热集热系统的冷却液进水管路。智能测温传感器将监测到的电池温度传给ECU，ECU通过控制智能电动泵的输入、输出量来控制电池温度。所述的室外冷凝器、风机、室内蒸发器和辅助加热器均由ECU控制。

所述的风机、室内蒸发器、辅助加热器和集热散热器均设置在进风口到出风口之间，且沿进风口至出风口方向依次布置。辅助加热器辅助电池散热集热系统对电池组加热。

所述的压缩机为斜盘式压缩机、曲轴连杆式压缩机、摆盘式压缩机、旋叶式压缩机、滚动活塞式压缩机或涡旋式压缩机。

所述的室内蒸发器为管片式蒸发器、管带式蒸发器或层叠式蒸发器。

所述的膨胀阀为电子膨胀阀或热力膨胀阀。

所述的导热板采用导热材料，冷却液水路嵌入在导热板的槽内；或导热板采用两块可拆卸的扣板连接，冷却液水路嵌入在两块扣板之间。

所述的集热散热器为管片式散热器、管带式散热器或层叠式散热器。

本发明利用电池散热的纯电动汽车空调系统的制冷制热方法，具体如下：包括三种工况，即高温制冷工况、低温制热工况和常温制冷制热工况。

(1)高温制冷工况

当空调开启制冷模式时，压缩机将气态制冷剂压缩后排出至室外冷凝器降温，冷凝成液态制冷剂后进入制冷剂储液罐内干燥、过滤，然后经膨胀阀进入室内蒸发器，在室内蒸发器内吸收流经室内蒸发器的空气热量，使空气温度降低，风机吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成气态制冷剂经管路被压缩机吸入，再进行压缩，进入下一个循环。压缩机连续工作，制冷剂在空调系统中连续循环，持续制冷。制冷工况下室内蒸发器吹出冷风吹过集热散热器将电池散热集热系统发出的热量带走，给电池组散热，同时ECU发出指令驱动智能电动泵从冷却液储液箱中抽出冷却剂给电池组散热。

(2)低温制热工况

当空调开启制热模式时，智能电动泵工作，驱动冷却液循环流动；冷却液从冷却液储液箱中抽出后依次经过冷却液进水管路、导热板内的冷却液水路、冷却液出水管路、三通管接头和集热散热器，再回到冷却液储液箱，将电池组的热量带到集热散热器，风机再将热量吹入车内，冷却液持续循环流动，持续制热。一方面，若电池组工作在最适工作温度范围，且电池组产生的热量不足以满足空调设定温度，则辅助加热器打开，辅助制热提供车内热量，以达到空调设定温度要求；同时智能电动泵关闭。ECU检测到电池组的温度超过最适工作温度范围才会驱动智能电动泵工作，此时辅助加热器又关闭；另一方面，若电池组的温度低于最适工作温度范围，辅助加热器通过集热散热器给电池组加热，此时辅助加热器与电池散热集热系统同时工作，使电池组工作在正常工作的最适温度范围内。

(3)常温制冷制热工况

第一种情况：电池组温度超过最适工作温度范围。此时，智能电动泵工作，驱动冷却液循环流动，冷却液从冷却液储液箱中抽出后依次经过冷却液进水管路、导热板内的冷却液水路、冷却液出水管路、三通管接头和集热散热器，再回到冷却液储液箱，此循环将电池组的热量带到集热散热器；若车内需要制热，则风机直接将集热散热器的热量吹入车内，给电池组散热，同时提供车内热量；若车内不需要制热也不需要制冷，则风机直接将集热散热器的热量带入外部环境中；若车内需要制冷，则制冷剂循环制冷系统工作，压缩机将气态制冷剂压缩后排出至室外冷凝器降温，冷凝成液态制冷剂后进入制冷剂储液罐内干燥、过滤，然后经膨胀阀进入室内蒸发器，在室内蒸发器内吸收流经室内蒸发器的空气热量，使空气温度降低，风机吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成气态制冷剂经管路被压缩机吸入，再进行压缩，进入下一个循环。室内蒸发器吹出冷风吹过集热散热器将电池散热集热系统发出的热量带走，给电池组散热，保证电池组工作在最适温度范围内。

第二种情况：电池组工作在最适工作温度范围内。此时，智能电动泵关闭，若车内需要制热则开启辅助加热器，需要制冷则开启压缩机。

本发明的有益效果是：

本发明使用独立的制热系统进行制热，避免了大量使用电能取暖,提高了续航里程；同时有效地控制了电池组的温度，从而电池组得到更好地保护，其使用性能得到增强，寿命更高，也更安全。本发明结构简单，容易制造，使用成本低。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明中导热板的内部结构图；

图3为本发明中电池散热集热系统的结构示意图；

图4为高温制冷工况示意图；

图5为低温制热工况示意图；

图6为常温制冷制热工况示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，现结合附图及实施例，对本发明进行进一步说明。

如图1所示，利用电池散热的纯电动汽车空调系统，包括风机6、辅助加热器8、制冷剂循环制冷系统和冷却液循环制热系统。制冷剂循环制冷系统用于在高温制冷工况及常温制冷工况下对车内空气进行制冷；冷却液循环制热系统用于低温制热工况及常温制热工况下通过将电池组产生的热量传递到通风口循环对车内空气制热。冷却液循环制热系统同时也是对电池组的智能温度管理系统。制冷剂循环制冷系统和冷却液循环制热系统在各自工况下制冷剂或冷却液流向不变，始终朝着一个方向循环流动。

制冷剂循环制冷系统包括压缩机1、室外冷凝器2、制冷剂储液罐3、膨胀阀4和室内蒸发器7；压缩机1的出口端与室外冷凝器2的进口端相连，室外冷凝器2的出口端与制冷剂储液罐3的进口端相连，制冷剂储液罐3的出口端与膨胀阀4的进口端相连，膨胀阀4的出口端与室内蒸发器7的进口端相连，室内蒸发器7的出口端与压缩机1的进口端相连。

如图1、2和3所示，冷却液循环制热系统是一个冷却液循环回路，包括集热散热器9、冷却液储液箱12、电池散热集热系统14和智能测温传感器(图中未画出，其布置在电池组内)；电池散热集热系统14包括冷却液进水管路20、导热板17和冷却液出水管路21；电池组19的每块电池两侧分别与一块导热板17接触，导热板内设有冷却液水路16；冷却液进水管路20布置在两列电池组中间，且与各个冷却液水路16的进口端15连通；两个冷却液出水管路21设置在两列电池组外侧，各个冷却液水路16的出口端18分别与对应侧的冷却液出水管路21连通。两个冷却液出水管路21通过三通管接头11与集热散热器9的进口端相连，集热散热器9的出口端与冷却液储液箱12的进口端相连，冷却液储液箱12的出口端与智能电动泵13的输入端相连，智能电动泵13的输出端连接到电池散热集热系统14的冷却液进水管路20。智能测温传感器将监测到的电池温度传给ECU(车载电脑)，ECU通过控制智能电动泵的输入、输出量来控制电池温度。室外冷凝器2、风机6、室内蒸发器7和辅助加热器8均由ECU控制。

风机6、室内蒸发器7、辅助加热器8和集热散热器9均设置在进风口5到出风口10之间，且沿进风口5至出风口10方向依次布置。辅助加热器8为ptc加热器，辅助电池散热集热系统14对电池组19加热。

压缩机1为斜盘式压缩机、曲轴连杆式压缩机、摆盘式压缩机、旋叶式压缩机、滚动活塞式压缩机或涡旋式压缩机。

室内蒸发器7为管片式蒸发器、管带式蒸发器或层叠式蒸发器。

膨胀阀4为电子膨胀阀或热力膨胀阀，优选电子膨胀阀。膨胀阀4的作用是将中温高压的液态制冷剂转变为低温低压的液态制冷剂。

导热板17采用导热系数较高的材料，冷却液水路16嵌入在导热板的槽内；或导热板采用两块可拆卸的扣板连接，冷却液水路16嵌入在两块扣板之间。

集热散热器9为管片式散热器、管带式散热器或层叠式散热器。

如图4至图6所示，该利用电池散热的纯电动汽车空调系统的制冷制热方法，具体如下：包括三种工况，即高温制冷工况、低温制热工况和常温制冷制热工况。上述三种工况通过旋转车内的空调模式按钮触发。

(1)高温制冷工况(如图4所示)

当空调开启制冷模式时，压缩机1开始工作，驱使制冷剂在密封的空调系统中循环流动，压缩机1将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后排出压缩机，并流入室外冷凝器2散热、降温后，冷凝成高温高压的液态制冷剂进入制冷剂储液罐3内，经过干燥、过滤后流进膨胀阀4节流，变成低温低压的液态制冷剂进入室内蒸发器7，在室内蒸发器7内吸收流经室内蒸发器的空气热量，使空气温度降低，风机6吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂经管路被压缩机1吸入，再进行压缩，进入下一个循环。压缩机1连续工作，制冷剂在空调系统中连续循环，持续制冷。制冷工况下室内蒸发器7吹出冷风吹过集热散热器9将电池散热集热系统14发出的热量带走，达到给电池散热的目的，同时ECU发出指令驱动智能电动泵13从冷却液储液箱12中抽出冷却剂给电池组散热，电池组温度在智能测温传感器监测下可以更好地控制，散热效果更好，更佳有效地保护电池。

(2)低温制热工况(如图3、5所示)

当空调开启制热模式时，智能电动泵13工作，驱动冷却液循环流动；冷却液从冷却液储液箱12中抽出后依次经过冷却液进水管路20、导热板17内的冷却液水路16、冷却液出水管路21、三通管接头11和集热散热器9，再回到冷却液储液箱12，将电池组的热量带到集热散热器9，风机6再将热量吹入车内，冷却液持续循环流动，持续制热。一方面，若电池组19工作在最适工作温度范围，且电池组产生的热量不足以满足空调设定温度，则辅助加热器8打开，辅助制热提供车内热量，以达到空调设定温度要求；同时智能电动泵13关闭。ECU检测到电池组19的温度超过最适工作温度范围才会驱动智能电动泵13工作，此时辅助加热器8又关闭；另一方面，若电池组19的温度低于最适工作温度范围，辅助加热器8通过集热散热器9给电池组19加热，此时辅助加热器8与电池散热集热系统14同时工作，使电池组19工作在正常工作的最适温度范围内。

(3)常温制冷制热工况(如图5、6所示)，空调制冷制热模式协调工作，具体分为两种情况。

第一种情况：电池组温度超过最适工作温度范围。此时，智能电动泵13工作，驱动冷却液循环流动，冷却液从冷却液储液箱12中抽出后依次经过冷却液进水管路20、导热板17内的冷却液水路16、冷却液出水管路21、三通管接头11和集热散热器9，再回到冷却液储液箱12，此循环将电池组的热量带到集热散热器9；若车内需要制热，则风机6直接将集热散热器9的热量吹入车内，给电池组19散热，同时提供车内热量；若车内不需要制热也不需要制冷，则通风口开启外循环，风机6直接将集热散热器9的热量带入外部环境中；若车内需要制冷，则此时制冷剂循环制冷系统工作，压缩机1将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体后排出压缩机，并流入室外冷凝器2散热、降温后，冷凝成高温高压的液态制冷剂进入制冷剂储液罐3内，经过干燥、过滤后流进膨胀阀4节流，变成低温低压的液态制冷剂进入室内蒸发器7，在室内蒸发器7内吸收流经室内蒸发器的空气热量，使空气温度降低，风机6吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成低温低压的气态制冷剂经管路被压缩机1吸入，再进行压缩，进入下一个循环。室内蒸发器7吹出冷风吹过集热散热器9将电池散热集热系统14发出的热量带走，达到给电池组19散热的目的，保证电池组19工作在最适温度范围内。

第二种情况：电池组19工作在最适工作温度范围内。此时，智能电动泵13关闭，若车内需要制热开启辅助加热器8，需要制冷则开启压缩机1。

特别地，汽车行驶过程中以上两种情况都可能随时遇到，因此两种模式是随时智能转换，协调工作的。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的基本原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.利用电池散热的纯电动汽车空调系统，包括风机、辅助加热器、制冷剂循环制冷系统和冷却液循环制热系统，其特征在于：所述的制冷剂循环制冷系统包括压缩机、室外冷凝器、制冷剂储液罐、膨胀阀和室内蒸发器；压缩机的出口端与室外冷凝器的进口端相连，室外冷凝器的出口端与制冷剂储液罐的进口端相连，制冷剂储液罐的出口端与膨胀阀的进口端相连，膨胀阀的出口端与室内蒸发器的进口端相连，室内蒸发器的出口端与压缩机的进口端相连；

所述的冷却液循环制热系统包括集热散热器、冷却液储液箱、电池散热集热系统和智能测温传感器；电池散热集热系统包括冷却液进水管路、导热板和冷却液出水管路；电池组的每块电池两侧分别与一块导热板接触，导热板内设有冷却液水路；冷却液进水管路布置在两列电池组中间，且与各个冷却液水路的进口端连通；一个冷却液出水管路设置在两列电池组的一个外侧，另外一个冷却液出水管路设置在两列电池组的另外一个外侧，各个冷却液水路的出口端分别与对应侧的冷却液出水管路连通；两个冷却液出水管路通过三通管接头与集热散热器的进口端相连，集热散热器的出口端与冷却液储液箱的进口端相连，所述冷却液储液箱的出口端与智能电动泵的输入端相连，智能电动泵的输出端连接到电池散热集热系统的冷却液进水管路；智能测温传感器将监测到的电池温度传给ECU，ECU通过控制智能电动泵的输入、输出量来控制电池温度；所述的室外冷凝器、风机、室内蒸发器和辅助加热器均由ECU控制；

所述的风机、室内蒸发器、辅助加热器和集热散热器均设置在进风口到出风口之间，且沿进风口至出风口方向依次布置；辅助加热器辅助电池散热集热系统对电池组加热；

所述的压缩机为斜盘式压缩机、曲轴连杆式压缩机、摆盘式压缩机、旋叶式压缩机、滚动活塞式压缩机或涡旋式压缩机；

所述的室内蒸发器为管片式蒸发器、管带式蒸发器或层叠式蒸发器。

2.根据权利要求1所述的利用电池散热的纯电动汽车空调系统，其特征在于：所述的膨胀阀为电子膨胀阀或热力膨胀阀。

3.根据权利要求1所述的利用电池散热的纯电动汽车空调系统，其特征在于：所述的导热板采用导热材料，冷却液水路嵌入在导热板的槽内；或导热板采用两块可拆卸的扣板连接，冷却液水路嵌入在两块扣板之间。

4.根据权利要求1所述的利用电池散热的纯电动汽车空调系统，其特征在于：所述的集热散热器为管片式散热器、管带式散热器或层叠式散热器。

5.根据权利要求1所述利用电池散热的纯电动汽车空调系统的制冷制热方法，其特征在于：该方法包括三种工况，即高温制冷工况、低温制热工况和常温制冷制热工况；

(1)高温制冷工况

当空调开启制冷模式时，压缩机将气态制冷剂压缩后排出至室外冷凝器降温，冷凝成液态制冷剂后进入制冷剂储液罐内干燥、过滤，然后经膨胀阀进入室内蒸发器，在室内蒸发器内吸收流经室内蒸发器的空气热量，使空气温度降低，风机吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成气态制冷剂经管路被压缩机吸入，再进行压缩，进入下一个循环；压缩机连续工作，制冷剂在空调系统中连续循环，持续制冷；制冷工况下室内蒸发器吹出冷风吹过集热散热器将电池散热集热系统发出的热量带走，给电池组散热，同时ECU发出指令驱动智能电动泵从冷却液储液箱中抽出冷却剂给电池组散热；

(2)低温制热工况

当空调开启制热模式时，智能电动泵工作，驱动冷却液循环流动；冷却液从冷却液储液箱中抽出后依次经过冷却液进水管路、导热板内的冷却液水路、冷却液出水管路、三通管接头和集热散热器，再回到冷却液储液箱，将电池组的热量带到集热散热器，风机再将热量吹入车内，冷却液持续循环流动，持续制热；一方面，若电池组工作在最适工作温度范围，且电池组产生的热量不足以满足空调设定温度，则辅助加热器打开，辅助制热提供车内热量，以达到空调设定温度要求；同时智能电动泵关闭；ECU检测到电池组的温度超过最适工作温度范围才会驱动智能电动泵工作，此时辅助加热器又关闭；另一方面，若电池组的温度低于最适工作温度范围，辅助加热器通过集热散热器给电池组加热，此时辅助加热器与电池散热集热系统同时工作，使电池组工作在正常工作的最适温度范围内；

(3)常温制冷制热工况

第一种情况：电池组温度超过最适工作温度范围；此时，智能电动泵工作，驱动冷却液循环流动，冷却液从冷却液储液箱中抽出后依次经过冷却液进水管路、导热板内的冷却液水路、冷却液出水管路、三通管接头和集热散热器，再回到冷却液储液箱，此循环将电池组的热量带到集热散热器；若车内需要制热，则风机直接将集热散热器的热量吹入车内，给电池组散热，同时提供车内热量；若车内不需要制热也不需要制冷，则风机直接将集热散热器的热量带入外部环境中；若车内需要制冷，则制冷剂循环制冷系统工作，压缩机将气态制冷剂压缩后排出至室外冷凝器降温，冷凝成液态制冷剂后进入制冷剂储液罐内干燥、过滤，然后经膨胀阀进入室内蒸发器，在室内蒸发器内吸收流经室内蒸发器的空气热量，使空气温度降低，风机吹出冷风，产生制冷效果，制冷剂本身因吸收了热量而蒸发成气态制冷剂经管路被压缩机吸入，再进行压缩，进入下一个循环；室内蒸发器吹出冷风吹过集热散热器将电池散热集热系统发出的热量带走，给电池组散热，保证电池组工作在最适温度范围内；

第二种情况：电池组工作在最适工作温度范围内；此时，智能电动泵关闭，若车内需要制热则开启辅助加热器，需要制冷则开启压缩机。