CN109760485B - 一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统 - Google Patents

一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，该系统可以实现夏季制冷模式下电池包散热、冬季制热模式下电池包的散热以及废热利用和电池快速充电模式下的电池包的紧急降温散热三个功能。使得无论新能源汽车工作在何等恶劣的路况环境下，电池的温度始终维持在一个合理的波动范围内，提高了电池的充放电效率和工作寿命，从而进一步大大的提升了新能源汽车的行驶里程。在冬季制热模式下，利用电池包的废热辅助加热，提高了系统的制热性能，环保且节约能源，符合当下的绿色发展的趋势要求。更重要的是，本发明还考虑到快速充电模式的电池散热问题，解决了快速充电时电池温度场迅速恶化的难题。

Description

一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统
技术领域
本发明属于跨临界二氧化碳系统领域，特别涉及一种新能源汽车用具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统。
背景技术
新能源汽车克服了燃油汽车的化石燃料依赖问题，能源利用多元化，安静环保，代表着未来汽车发展的趋势。在夏季高温环境中，新能源汽车车厢内温度过高，因此需要汽车空调进行制冷，使得车厢内的空气温度降到舒适度要求范围内；在冬季供暖方面，由于纯新能源汽车无发动机余热可利用，因此目前纯新能源汽车冬季基本采用PTC电加热供暖，然而纯新能源汽车的车载电池蓄电能力有限，采用电加热供暖势必会影响汽车的续驶里程。热泵型空调系统运行的制热系数在1以上，与电加热供暖相比，其高效节能的特点更有利于纯新能源汽车的发展。传统的汽车空调系统使用最广泛的制冷剂为R134a，环保性能差，已经逐渐被淘汰，汽车在行驶过程中，环境多变，遇到严重堵车情况、雨雪以及大雾等天气，根据道路规定，需按要求降低行驶速度，气体冷却器风量减少，对汽车空调制热性能要求更高，因此对于传统工质来讲，也是一个很大的考验，难以满足实际要求。而CO2作为一种天然的制冷剂，优势明显。跨临界CO2热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。研究表明：在蒸发温度为0℃时，水温可以从0℃加热到60℃，其热泵COP可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而CO2热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量及很高的出水温度，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。
由于新能源汽车依靠电池续航，长期行驶在极度不稳定的环境中，导致新能源汽车的电池组长时间的工作在一个恶劣的热环境中，这将缩短电池的使用寿命，降低电池的使用性能，伴随着电池的升温损害了电池的充放电性能，严重的影响了新能源汽车的驾驶里程，并且电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡。这也是新能源汽车发展的目前的一个技术瓶颈，因此在工作工况下，时刻监督电池的温度，并及时对电池表面进行降温保护，不仅可以提高电池的充放电效率，还可以延长电池的工作寿命，因此电池组的热监控和热管理对整车运行安全意义重大。
传统的汽车空调系统，对于汽车内的温度场，并没有一个详细清晰地温度控制系统，无法做到在高效精确地控制车内温度的同时，使系统性能最优并且节约能源。已有的新能源汽车空调系统，均为独立的车厢内空气调节系统，并未能将空气调节循环与电池的热管理成功的结合为一体，未能实现在对车厢内空气进行调节时，对电池包的温度进行降温调节，故而新能源汽车在实际应用的过程中一直备受电池的工作效率以及寿命的制约。已有的新能源汽车空调系统缺乏对新能源汽车的电池的热管理，导致由于新能源汽车长期行驶在极度不稳定的环境中，电池组长时间的工作在一个恶劣的热环境中，缩短了电池的使用寿命，降低电池的使用性能，伴随着电池的升温损害了电池的充放电性能，严重的影响了新能源汽车的驾驶里程，并且电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡等一系列问题，阻碍了新能源汽车的进一步发展和普及使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，包括：储液器、第一三通阀、压缩机、四通换向阀、室外换热器、节流阀、室内换热器、电磁阀、第二三通阀、流量调节阀、电池包换热器以及第三三通阀；
储液器连接第一三通阀的a端和b端，第一三通阀的c端连接压缩机的吸气口，压缩机的排气孔连接四通换向阀的a端，四通换向阀的d端连接室外换热的入口和第三三通阀的c端，室外换热器的出口连接节流阀的入口和第二三通阀的a端，节流阀的出口和第二三通阀的b端口一起连接室内换热器的入口，室内换热器的出口连接电磁阀的入口，第二三通阀的c端连接流量调节阀的入口，流量调节阀的出口连接电池包散热器的入口，电池包散热器的出口连接第三三通阀的a端，第三三通阀的b端和电磁阀的出口一起连接在四通换向阀的b端，四通换向阀的c端连接储液器的入口；
第一三通阀的a端连接储液器液相出口，第一三通阀的b端连接储液器气相出口。
进一步的，所述二氧化碳系统包括制冷模式；
制冷模式下：第一三通阀的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀的a端关闭，b、c端打开，第三三通阀的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀a、d端连通，b、c端连通，电磁阀打开；
压缩机从储液器中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后进入室外换热器进行换热降温，然后进入膨胀阀，制冷剂经膨胀阀节流后分为两路，一路进入室内换热器实现车厢的制冷，而后流经电磁阀，另一路通过第二三通阀的b端口进入第二三通阀，流过流量调节阀后，进入电池包换热器对电池包进行降温散热，然后流向第三三通阀的a端口，最后与从室内换热器中流过的制冷剂汇合后共同流向四通换向阀的b端，从c端流出后回到储液器中。
进一步的，所述二氧化碳系统包括制热模式；制热模式包括乘员舱制热电池冷却模式和乘员舱制热电池需要加热模式；
乘员舱制热电池冷却模式下：第一三通阀的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀的b端关闭，a、c端打开，第三三通阀的b端关闭，a、c端打开，四通换向阀的a、b端连通，d、c端连通，电磁阀打开；
压缩机从储液器中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后经过电磁阀后进入室内换热器进行换热，实现车舱的制热，而后经过节流阀节流后分为两路，一路流向室外换热器进行换热，另一路流向第二三通阀的a端，经过第二三通阀后从c端流过流量调节阀后进入电池包换热器，实现电池包的散热降温，而后流向第三三通阀的a端，从c端流出后与从室外换热器出来的制冷剂汇合后共同流向四通换向阀的d端，然后从c端出来后回到储液器中；
乘员舱制热电池需要加热模式下：第一三通阀的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀的a端关闭，b、c端打开，第三三通阀的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀的a、b端连通，d、c端连通，电磁阀打开；
压缩机从储液器中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后经过四通换向阀后分为两路，一路经电磁阀后进入室内换热器进行换热，实现车舱的制热，另一路经三通阀进入电池包换热器，在寒冷天气下对电池包进行加热；而后经过节流阀节流后向室外换热器进行换热，经四通换向阀的d端，然后从c端出来后回到储液器中。
进一步的，所述二氧化碳系统包括快充模式；
快充模式下：第一三通阀的b端关闭，a、c端打开，第二三通阀的b端关闭，a、c端打开，第三三通阀的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀a、b端连通，c、d端连通，电子节流阀关闭，电磁阀关闭，电磁阀完全打开；
压缩机从储液器中吸入液态制冷剂，经过压缩后进入四通换向阀的a端，而后从b端流出后进入电池包换热器进行换热，吸收电池包的热量，实现电池包的快速降温，经过电磁阀后流向第二三通阀的c端，从第二三通阀的a端流出后经过室外换热器，而后流向四通换向阀的d端，从c端流出后回到储液器中。
进一步的，流量调节阀开度能够调节，用来根据车内温度和电池包的温度来调节两路的流量，使得系统在保证车内舒适度的情况下，对电池进行最有效的降温保护。
进一步的，节流阀采用双向节流阀，并且能够完全关闭。
进一步的，压缩机采用无内压缩腔、无吸气阀但是有排气阀的压缩机。
进一步的，压缩机采用能够实现液态制冷剂和气态制冷剂的两种状态压缩的压缩机。
进一步的，电池包换热器采用微通道换热器。
进一步的，电池包换热器紧贴电池包布置；电池包的热量通过导热的途径传递给电池包换热器，被制冷剂带走，实现电池包的降温。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明将新能源汽车的空气调节系统和电池包的热管理系统合二为一，在各个季节进行车舱内空气调节的基础上，对电池的温度进行降温调节，使得无论新能源汽车工作在何等恶劣的路况环境下，电池的温度始终维持在一个合理的波动范围内，提高了电池的充放电效率和工作寿命，从而进一步大大的提升了新能源汽车的行驶里程。并且，在冬季制热模式下，还可以了用电池包的废热，辅助车厢内空气的加热，提高了系统的制热性能，节约能源，实现了废热回收利用，避免了资源浪费，符合当下的绿色发展的趋势要求。更重要的是，已有的汽车空调系统从未考虑过新能源汽车在进行快速充电模式下的电池的热管理问题，本发明不仅仅解决了新能源汽车驾驶过程中的电池散热降温，还考虑到了汽车内无人情况下，快速充电模式的电池散热问题，解决了快速充电时电池温度场迅速恶化的难题。
附图说明
图1是本发明一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1所示，本发明提供一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，由以下各部件组成：储液器1、三通阀2、压缩机3、四通换向阀4、室外换热器5、节流阀6、室内换热器7、电磁阀8、三通阀9、流量调节阀10、电池包换热器11以及三通阀12。
储液器1连接三通阀2的a端和b端，三通阀2的c端连接压缩机3的吸气口，压缩机3的排气孔连接四通换向阀4的a端，四通换向阀4的d端连接室外换热5的入口和三通阀12的c端，室外换热器5的出口连接节流阀6的入口和三通阀9的a端，节流阀6的出口和三通阀9的b端口一起连接室内换热器7的入口，室内换热器7的出口连接电磁阀8的入口，三通阀9的c端连接流量调节阀10的入口，流量调节阀10的出口连接电池包散热器11的入口，电池包散热器11的出口连接三通阀12的a端，三通阀12的b端和电磁阀8的出口一起连接在四通换向阀4的b端，四通换向阀4的c端连接储液器的入口。
本发明提供一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统包括：夏季制冷模式以及该模式下的电池包散热降温、冬季制热模式以及该模式下的电池包散热降温，此时还可以利用电池包的余热辅助车舱加热，提高系统的性能以及快充模式下的电池包高功率散热，急速降温模式。
夏季制冷模式下：三通阀2的a口关闭，b口和c口打开，三通阀9的a端关闭，b、c端打开，三通阀12的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀4的a、d端连通，b、c端连通，电磁阀8打开，压缩机3从储液器1中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后进入室外换热器5进行换热降温，然后进入膨胀阀6，制冷剂经膨胀阀节流后的低温低压制冷剂分为两路，一路进入室内换热器7实现车厢的制冷，而后流经电磁阀8，另一路通过三通阀9的b端口进入三通阀9，流过流量调节阀10后，进入电池包换热器11对电池包进行降温散热，然后流向三通阀12的a端口，最后与从室内换热器7中流过的制冷剂汇合后共同流向四通换向阀的b端，从c端流出后回到储液器1中。两路制冷剂的流量比通过流量调节阀10进行调节，调节依据为车厢内的温度和电池的温度。若车厢内的温度高于设定值，则减小流量调节阀10的开度，增大车箱循环的制冷剂的质量流量，若电池温度高于设定值，则增大流量调节阀10的开度，增大电池散热循环的制冷剂的质量流量。其中车厢温度设定值由用户设定，电池温度设定值由电池厂家根据电池类型不同，进行设定。
冬季制热模式包括乘员舱制热电池冷却模式和乘员舱制热电池需要加热模式；
乘员舱制热电池冷却模式下：三通阀2的a口关闭，b口和c口打开，三通阀9的b端关闭，a、c端打开，三通阀12的b端关闭，a、c端打开，四通换向阀4的a、b端连通，d、c端连通，电磁阀8打开，压缩机3从储液器1中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后经过电磁阀8后进入室内换热器7进行换热，实现车舱的制热，而后经过节流阀6节流后分为两路，一路流向室外换热器5进行换热，另一路流向三通阀9的a端，经过三通阀9后从c端流过流量调节阀10后进入电池包换热器11，实现电池包的散热降温，而后流向三通阀12的a端，从c端流出后与从室外换热器5出来的制冷剂汇合后共同流向四通换向阀4的d端，然后从c端出来后回到储液器1中。两路制冷剂的流量比通过流量调节阀10进行调节，调节依据为车厢内的温度和电池的温度。若车厢内的温度低于设定值，则减小流量调节阀10的开度，增大车箱循环的制冷剂的质量流量，若电池温度高于设定值，则增大流量调节阀10的开度，增大电池散热循环的制冷剂的质量流量。其中车厢温度设定值由用户设定，电池温度设定值由电池厂家根据电池类型不同，进行设定。
乘员舱制热电池需要加热模式下：第一三通阀2的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀9的a端关闭，b、c端打开，第三三通阀12的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀4的a、b端连通，d、c端连通，电磁阀8打开；
压缩机3从储液器1中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后经过四通换向阀后分为两路，一路经电磁阀8后进入室内换热器7进行换热，实现车舱的制热，另一路经三通阀12进入电池包换热器，在寒冷天气下对电池包进行加热；而后经过节流阀6节流后向室外换热器5进行换热，经四通换向阀4的d端，然后从c端出来后回到储液器1中。
快充模式下：电池快速充电时，由于工作功率大，导致电池包温度短时间内迅速升高，此时为了保护电池，需要对其进行紧急快速降温。此时三通阀2的b端关闭，a、c端打开，三通阀9的b端关闭，a、c端打开，三通阀12的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀4的a、b端连通，c、d端连通，电子节流阀6关闭，电磁阀8关闭，电磁阀10完全打开，此时压缩机3从储液器1中吸入液态制冷剂，经过压缩后进入四通换向阀4的a端，而后从b端流出后进入电池包换热器11进行换热，吸收电池包的热量，实现电池包的快速降温，经过电磁阀10后流向三通阀9的c端，a端流出后经过室外换热器5，而后流向四通换向阀4的d端，从c端流出后回到储液器1中。
夏季制冷和冬季制热模式下，实现车舱内的温度调节以及电池包的降温时，膨胀阀10开度可以调节，用来根据车内温度和电池包的温度来调节两路的流量，使得系统在保证车内舒适度的情况下，对电池进行最有效的降温保护。
节流阀6采用双向节流并且开度可以完全关闭的阀，可以实现制冷/制热/快充模式切换时，制冷剂的流向相反的工况下，均可以实现对制冷剂的节流膨胀过程。
压缩机3采用无内压缩腔、无吸气阀但是有排气阀的压缩机，保证压缩机可以实现液态制冷剂和气态制冷剂的两种状态的压缩。
电池包换热器11采用微通道换热器，紧贴电池包布置，电池包的热量通过导热的途径传递给电池包换热器11，被制冷剂带走，实现电池包的降温。
在电池快速充电的模式下，电池工作功率大，迅速升温，因此要求降温功率大，速度快，即要求制冷循环的制冷量要足够大，此时纯气态制冷剂的制冷循环已经不足以满足制冷需求，故而压缩机吸入液态制冷剂，与普通模式下的电池包降温循环相比较，大大增加了循环制冷剂的质量流量，从而大大提升了系统的制冷量，实现了对电池包的及时快速的降温散热，保护电池。

Claims (6)

1.一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，其特征在于，包括：储液器(1)、第一三通阀(2)、压缩机(3)、四通换向阀(4)、室外换热器(5)、节流阀(6)、室内换热器(7)、电磁阀(8)、第二三通阀(9)、流量调节阀(10)、电池包换热器(11)以及第三三通阀(12)；
储液器(1)连接第一三通阀(2)的a端和b端，第一三通阀(2)的c端连接压缩机(3)的吸气口，压缩机(3)的排气孔连接四通换向阀(4)的a端，四通换向阀(4)的d端连接室外换热(5)的入口和第三三通阀(12)的c端，室外换热器(5)的出口连接节流阀(6)的入口和第二三通阀(9)的a端，节流阀(6)的出口和第二三通阀(9)的b端口一起连接室内换热器(7)的入口，室内换热器(7)的出口连接电磁阀(8)的入口，第二三通阀(9)的c端连接流量调节阀(10)的入口，流量调节阀(10)的出口连接电池包换热器(11)的入口，电池包换热器(11)的出口连接第三三通阀(12)的a端，第三三通阀(12)的b端和电磁阀(8)的出口一起连接在四通换向阀(4)的b端，四通换向阀(4)的c端连接储液器的入口；
第一三通阀(2)的a端连接储液器(1)液相出口，第一三通阀(2)的b端连接储液器(1)气相出口；
节流阀(6)采用双向节流阀，并且能够完全关闭；
压缩机(3)采用无内压缩腔、无吸气阀但是有排气阀的压缩机；
压缩机(3)采用能够实现液态制冷剂和气态制冷剂的两种状态压缩的压缩机；
所述二氧化碳系统包括快充模式；快充模式下：第一三通阀(2)的b端关闭，a、c端打开，第二三通阀(9)的b端关闭，a、c端打开，第三三通阀(12)的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀(4)a、b端连通，c、d端连通，节流阀(6)关闭，电磁阀(8)关闭，流量调节阀(10)完全打开；压缩机(3)从储液器(1)中吸入液态制冷剂，经过压缩后进入四通换向阀(4)的a端，而后从b端流出后进入电池包换热器(11)进行换热，吸收电池包的热量，实现电池包的快速降温，经过流量调节阀(10)后流向第二三通阀(9)的c端，从第二三通阀(9)的a端流出后经过室外换热器(5)，而后流向四通换向阀(4)的d端，从c端流出后回到储液器(1)中。
2.根据权利要求1所述的一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，其特征在于，所述二氧化碳系统包括制冷模式；
制冷模式下：第一三通阀(2)的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀(9)的a端关闭，b、c端打开，第三三通阀(12)的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀(4)a、d端连通，b、c端连通，电磁阀(8)打开；
压缩机(3)从储液器(1)中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后进入室外换热器(5)进行换热降温，然后进入节流阀(6)，制冷剂经节流阀节流后分为两路，一路进入室内换热器(7)实现车厢的制冷，而后流经电磁阀(8)，另一路通过第二三通阀(9)的b端口进入第二三通阀，流过流量调节阀(10)后，进入电池包换热器(11)对电池包进行降温散热，然后流向第三三通阀(12)的a端口，最后与从室内换热器中流过的制冷剂汇合后共同流向四通换向阀的b端，从c端流出后回到储液器(1)中。
3.根据权利要求1所述的一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，其特征在于，所述二氧化碳系统包括制热模式；制热模式包括乘员舱制热电池冷却模式和乘员舱制热电池需要加热模式；
乘员舱制热电池冷却模式下：第一三通阀(2)的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀(9)的b端关闭，a、c端打开，第三三通阀(12)的b端关闭，a、c端打开，四通换向阀(4)的a、b端连通，d、c端连通，电磁阀(8)打开；
压缩机(3)从储液器(1)中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后经过电磁阀(8)后进入室内换热器(7)进行换热，实现车舱的制热，而后经过节流阀(6)节流后分为两路，一路流向室外换热器(5)进行换热，另一路流向第二三通阀(9)的a端，经过第二三通阀(9)后从c端流过流量调节阀(10)后进入电池包换热器(11)，实现电池包的散热降温，而后流向第三三通阀(12)的a端，从c端流出后与从室外换热器(5)出来的制冷剂汇合后共同流向四通换向阀(4)的d端，然后从c端出来后回到储液器(1)中；
乘员舱制热电池需要加热模式下：第一三通阀(2)的a口关闭，b口和c口打开，第二三通阀(9)的a端关闭，b、c端打开，第三三通阀(12)的c端关闭，a、b端打开，四通换向阀(4)的a、b端连通，d、c端连通，电磁阀(8)打开；
压缩机(3)从储液器(1)中吸入制冷剂气体，制冷剂被压缩后经过四通换向阀后分为两路，一路经电磁阀(8)后进入室内换热器(7)进行换热，实现车舱的制热，另一路经三通阀(12)进入电池包换热器，在寒冷天气下对电池包进行加热；而后经过节流阀(6)节流后向室外换热器(5)进行换热，经四通换向阀(4)的d端，然后从c端出来后回到储液器(1)中。
4.根据权利要求1所述的一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，其特征在于，流量调节阀(10)开度能够调节，用来根据车内温度和电池包的温度来调节两路的流量，使得系统在保证车内舒适度的情况下，对电池进行最有效的降温保护或升温保护。
5.根据权利要求1所述的一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，其特征在于，电池包换热器采用微通道换热器。
6.根据权利要求1或5所述的一种具有制冷/制热/辅助电池包散热功能的二氧化碳系统，其特征在于，电池包换热器紧贴电池包布置；电池包的热量通过导热的途径传递给电池包换热器，被制冷剂带走，实现电池包的降温。
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