CN110576766B - 车辆热交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了车辆热交换系统，该系统内的电池热交换器通过制冷剂的相变与电池组的热交换，实现为电池组加热、制冷、温度均衡等。通过压缩机将低压气态制冷剂压缩为高压气态制冷剂，重新输送至需要进行热交换的位置。而且，当需要与外界环境进行隔热时，使电池热交换器内只存在稀薄的气态制冷剂，此时，电池热交换器实现热阻隔能力，阻断热量在电池单体之间传导，防止热失控现象在电池单体之间蔓延。当电池组的温度接近或达到热失控临界温度时，制冷剂储存罐内的高压低温液态制冷剂从制冷剂喷雾装置喷出，对电池热交换器和电池单体进行降温，实现对电池组的热安全管理。

Description

车辆热交换系统
技术领域
本发明属于新能源汽车的热交换技术领域，尤其涉及车辆热交换系统。
背景技术
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆的控制和驱动方面的先进技术形成的汽车。其中，新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车等。
对于将蓄电池(或，电池组)作为储能动力的新能源汽车，电池组的热交换效果直接决定其使用性能、寿命及安全性。电池组温度过低时，其内阻较大，且低温充电会影响电池的使用安全。电池组温度过高时，可能发生电极和电解液分解等有害反应，对电池内部结构造成永久性破坏，极限条件下电池组可能会发生爆炸。此外，电池组中的温度不均匀将会降低电池组的使用性能，严重时还会导致热失控。新能源汽车的动力电池事故均是由于电池组中某一电池单体发生热失控后引发周围电池单体热失控。但是，目前尚未有一套热交换系统能够同时解决电池组需要解决的上述热交换问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车辆热交换系统，以实现同时解决电池组面临的上述热交换问题，其具体的技术方案如下：
本发明提供了一种车辆热交换系统，包括：电池热交换器、制冷剂储存罐、膨胀阀、压缩机、外换热器、制冷剂喷雾装置和控制器；
所述制冷剂储存罐的进口分别连接第一单向阀和第三单向阀，且所述制冷剂储存罐的出口连接所述膨胀阀的入口，所述膨胀阀的出口分别连接第二单向阀的进口及第四单向阀的进口；
所述电池热交换器的第一制冷剂进出口经由第一截止阀分别与所述第一单向阀的进口及所述第二单向阀的出口连接；所述电池热交换器的第二制冷剂进出口经由第二截止阀和四通换向阀与所述压缩机连接；
所述外换热器的第三制冷剂进出口分别与所述第三单向阀的进口、所述第四单向阀的出口连接；所述外换热器的第四制冷剂进出口通过所述四通换向阀与所述压缩机连接，其中，所述压缩机的排气口与所述四通换向阀的主阀连接，所述第二截止阀连接所述四通换向阀的一个导阀，所述第四制冷剂进出口连接所述四通换向阀的另一个导阀；
所述制冷剂喷雾装置的进口通过第三截止阀与所述制冷剂储存罐的出口连接，所述制冷剂喷雾装置的出口位于电池组上方；
所述控制器，用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器及所述制冷剂喷雾装置处于相应的工作模式；
其中，所述电池热交换器包括至少一个热交换装置，每个所述热交换装置包括两个传热面，且在所述两个传热面之间形成容纳制冷剂的传热腔体，所述第一制冷剂进出口和所述第二制冷剂进出口与每个所述传热腔体连通；所述电池组内的各个电池单体分离贴合在所述传热面上。
在一种可能的实现方式中，所述热交换装置为两个或两个以上，所述电池单体平行设置，且与所述热交换装置交替设置，每个所述热交换装置的两个传热面的边缘固定在一起；
每个所述热交换装置上设置有与所述传热腔体连通的两个制冷剂进出口，所述至少两个热交换装置的制冷剂进出口分别串联或并联连接，以实现所述第一制冷剂进出口和所述第二制冷剂进出口与每个所述传热腔体连通。
在一种可能的实现方式中，任意一个所述传热面上均设置有泄压孔，且所述传热面的外侧壁上设置有与所述泄压孔连通的泄压槽；
所述泄压孔中设置有用于密封所述泄压孔的密封塞，且所述密封塞的失效温度高于电池组的正常温度上限阈值且低于所述电池组的安全温度阈值。
在一种可能的实现方式中，所述控制器依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器及所述制冷剂喷雾装置处于相应的工作模式时，具体用于：
当所述电池组的温度小于正常温度范围的下限阈值时，控制所述电池热交换器工作于加热状态且所述外换热器处于从外界环境吸热的状态；
当所述电池组的温度大于所述正常温度范围的上限阈值时，控制所述电池热交换器工作于制冷状态且所述外换热器处于向外界环境散热的状态；
当所述电池组的温度位于正常温度范围内，且所述电池组内部温度大于电池安全温差时，关闭所述车辆热交换系统中的全部阀门，以使所述电池热交换器内部的制冷剂循环实现所述电池组热均衡；
当依据所述车辆的工况需要进行主动隔热时，关闭所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第二单向阀、所述第四单向阀、所述第一截止阀和所述第三截止阀，并开启所述第三单向阀和所述第二截止阀，以使所述电池热交换器中的制冷剂单向流入所述制冷剂储存罐中；
当所述电池组的温度接近安全温度阈值时，开启所述第三截止阀，关闭其它阀，以使所述制冷剂储存罐中的制冷剂经由所述制冷剂喷雾装置喷向所述电池组进行降温；
当所述电池组的温度持续接近所述安全温度阈值时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、所述第一截止阀和所述第三截止阀，关闭其它阀，以使所述制冷剂储存罐中的制冷剂补充至所述电池热交换器中，并在所述电池热交换器中相变吸热，为所述电池组降温。
在一种可能的实现方式中，还包括：设置在车辆车厢内部的内换热器；
所述内换热器的第五制冷剂进出口经由第四截止阀分别与所述第一单向阀的进口及所述第二单向阀的出口连接；
所述内换热器的第五制冷剂进出口经由第五截止阀分别与所述第三单向阀的进口及所述第四单向阀的出口连接；
所述内换热器的第六制冷剂进出口经由第六截止阀与所述四通换向阀上连接所述外换热器的一端连接，且所述第六制冷剂进出口经由第七截止阀与所述四通换向阀上连接所述电池热交换器的一端连接。
在一种可能的实现方式中，所述控制器，还用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器和所述内换热器的工作状态。
在一种可能的实现方式中，所述控制器用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器和所述内换热器的工作状态时，具体用于：
当所述电池组的温度处于正常温度范围内且车厢内需要制热时，开启所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第四单向阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，关闭其它阀，以使所述内换热器处于制热状态，所述外换热器处于吸热状态；
当所述电池组的温度处于正常温度范围内且车厢内需要制冷时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、第三单向阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，关闭其它阀，以使所述内换热器工作于制冷状态，所述外换热器处于散热状态。
在一种可能的实现方式中，所述控制器用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器和所述内换热器的工作状态时，具体用于：
当所述电池组的温度小于正常温度范围的下限阈值且车厢内需要制热时，开启所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第四单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，其它阀关闭，以使所述电池热交换器处于加热状态、所述外换热器处于吸热状态，以及所述内换热器处于制热状态；
当所述电池组的温度小于正常温度范围的下限阈值且所述车厢内需要制冷时，开启所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第四单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第五截止阀和所述第六截止阀，关闭所述第四截止阀、所述第七截止阀，以使所述电池热交换器处于加热状态、所述外换热器处于吸热状态，以及所述内换热器处于制冷状态；
当所述电池组的温度大于正常温度范围的上限阈值且所述车厢内需要制冷时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、第三单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，关闭其它阀，以使所述电池热交换器处于制冷状态、所述外换热器处于散热状态，以及所述内换热器处于制冷状态；
当所述电池组的温度大于正常温度范围的上限阈值且所述车厢内需要制热时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、第三单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第五截止阀和所述第六截止阀，关闭其它阀，以使所述电池热交换器处于制冷状态、所述外换热器处于散热状态，以及所述内换热器处于制热状态。
在一种可能的实现方式中，还包括：设置在所述压缩机的进口管路上的加热器。
在一种可能的实现方式中，所述控制器，还用于当检测到车辆外部的温度低于设定温度时，控制所述加热器工作。
本发明提供的车辆热交换系统，制冷剂储存罐为该车辆交换系统提供制冷剂。电池热交换器包括热交换装置，每个热交换装置包括两个传热面，这两个传热面之间形成容纳制冷剂的传热腔体，而且，电池组中的各个电池单体分离贴合在传热面上。电池热交换器通过制冷剂的相变与电池组的热交换，实现为电池组加热、制冷、温度均衡等。通过压缩机将低压气态制冷剂压缩为高压气态制冷剂，重新输送至需要进行热交换的位置。而且，当需要与外界环境进行隔热时，使电池热交换器内只存在稀薄的气态制冷剂，此时，电池热交换器实现热阻隔能力，阻断热量在电池单体之间传导，防止热失控现象在电池单体之间蔓延。当电池组的温度接近或达到热失控临界温度时，制冷剂储存罐内的高压低温液态制冷剂从制冷剂喷雾装置喷出，对电池热交换器和电池单体进行降温，实现对电池组的热安全管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种车辆热交换系统的结构示意图；
图2是本发明提供的一种热交换装置的剖视图；
图3是本发明提供的一种热交换装置的主视图；
图4是本发明提供的热交换装置的串联结构示意图；
图5是本发明提供的热交换装置的并联结构示意图；
图6是电池热交换器处于加热模式时制冷剂的循环示意图；
图7是电池热交换器处于制冷模式时制冷剂的循环示意图；
图8是电池热交换器处于热均衡模式时制冷剂的循环示意图；
图9是电池热交换器处于主动隔热模式时制冷剂的循环示意图；
图10是电池热交换器处于主动热安全模式时制冷剂的流向示意图；
图11是电池热交换器处于主动热安全模式时向电池热交换器补充制冷剂的示意图；
图12是电池热交换器处于被动热安全模式时的制冷剂流向示意图；
图13是本发明提供的另一种车辆热交换系统的结构示意图；
图14是图13所示的车辆热交换系统处于模式1时的制冷剂循环示意图；
图15是图13所示的车辆热交换系统处于模式3时的制冷剂循环示意图；
图16是图13所示的车辆热交换系统处于模式5时的制冷剂循环示意图；
图17是图13所示的车辆热交换系统处于模式6时的制冷剂循环示意图；
图18是图13所示的车辆热交换系统处于模式7时的制冷剂循环示意图；
图19是图13所示的车辆热交换系统处于模式8时的制冷剂循环示意图；
图20是图13所示的车辆热交换系统处于模式10时的制冷剂循环示意图；
图21是图13所示的车辆热交换系统处于模式11时的制冷剂循环示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，示出了本发明提供的一种车辆热交换系统的结构示意图，本实施例中，该车辆热交换系统主要用于对车辆中电池组的热量进行管理。
如图1所示，该系统主要包括电池热交换器1、制冷剂储存罐2、膨胀阀3、压缩机4、外换热器5、制冷剂喷雾装置6和控制器。
制冷剂储存罐2的进口分别与第一单向阀7和第三单向阀9的出口连接，制冷剂储存罐2的出口连接膨胀阀3的入口，膨胀阀3的出口分别与第二单向阀8和第四单向阀10的进口连接。
电池热交换器1包括两个制冷剂进出口，分别是第一制冷剂进出口110和第二制冷剂进出口120。其中，第一制冷剂进出口110经由截止阀11(即，第一截止阀)分别与第一单向阀7的进口及第二单向阀8的出口连接；第二制冷剂进出口120经由截止阀12(即，第二截止阀)及四通换向阀13与压缩机4连接。
截止阀的作用是控制管路的导通和截止；当截止阀打开时制冷剂可以通过该截止阀流入或流出，当截止阀关闭时，制冷剂无法流过该截止阀。
外换热器5设置在电池组外部，能够与车辆所处的外环境直接进行热交换。外换热器5包括第三制冷剂进出口510和第四制冷剂进出口520。其中，第三制冷剂进出口510分别与第三单向阀9的进口及第四单向阀10的出口连接；第四制冷剂进出口520经由四通换向阀13与压缩机4连接。
通过四通换向阀13更换与压缩机4连接的进气管和排气管，进而改变压缩机4的进气管和排气管接入电池热交换器或外换热器的方向。
具体的，如图1所示，四通换向阀13的主阀连接压缩机4的排气口，四通换向阀13中的一个导阀连接所述第二制冷剂进出口120，另一个导阀连接压缩机4的进气口，再一个导阀连接外换热器5的第四制冷剂进出口520。
制冷剂喷雾装置6设置在电池热交换器1的上方，且该制冷剂喷雾装置6的进口通过截止阀14(即，第三截止阀)与制冷剂储存罐2的出口连接。
控制器(图中未示出)用于依据车辆的工况控制电池热交换器1、外换热器5和制冷剂喷雾装置6处于相应的工作模式，实现热量在电池组、外界环境之间转移，实现对电池组的热交换，进而实现对电池组的温度精准控制、温度均衡、隔热、热安全管理等。具体的控制过程将在下文将详细介绍。
在一种应用场景中，电池组内包括少量电池单体(如1个或2个等)，而且，每个电池单体的发热量较小，此种应用场景下，电池热交换器1包括一个热交换装置，通过该热交换装置实现电池单体之间、或者电池单体与外界环境之间的热交换。
在另一种应用场景中，电池组内电池单体的数量较多或者电池组的整体发热量较大，此种应用场景下，电池热交换器1包括两个或两个以上的热交换装置，各电池单体平行设置，且电池单体与热交换装置交替设置。这样设置能够充分为每个电池单体实施热交换。
请参见图2和图3，该热交换装置包括两个传热面130；两个传热面130的边缘固定在一起且两个传热面之间形成传热腔体140，用于容纳制冷剂。每个热交换装置上设置有与该传热腔体140连通的两个制冷剂进出口，通过这两个制冷剂进出口实现制冷剂流入/流出传热腔体140。
而且，每个传热面130上均设置有泄压孔150，每个泄压孔150内固定一个密封塞160。
在电池组的正常温度范围内，密封塞160能够密封泄压孔150，防止制冷剂从泄压孔150泄漏；密封塞160的失效温度高于电池组的正常温度上限阈值且低于安全温度阈值，当电池组的温度达到密封塞160的失效温度时，制成密封塞160的材料无法保持固体形态，即密封塞160软化/熔化/熔融，此时，传热腔体140内的制冷剂从泄压孔150中喷出。
在一种可能的实现方式中，密封塞160的失效温度为某一个电池单体温度达到或超过安全温度阈值时密封塞160的温度。当然，为尽量避免电池单体温度达到或超过安全温度阈值，例如避免电池单体的温度达到或超过热失控温度，密封塞160的失效温度比某一个电池单体温度达到或超过安全温度阈值时密封塞160的温度略低，略低多少根据实际需求设定。这样，一方面，在电池单体接近安全温度阈值时，密封塞160失效，制冷剂泄出带走大部分热量，尽量将电池单体的温度控制在安全温度阈值以下；另一方面，在电池单体的温度高于正常温度上限阈值，且密封塞160未达到失效温度时，可通过制冷剂进出口向热交换装置输入低温制冷剂，实现主动制冷降温。
密封塞160可选用的材料包括但不限于：聚乙烯、醋酸纤维、聚苯乙烯、锡合金、铅合金和铋合金等中的至少一种。
传热面130采用具有良好导热性能的材料，例如，金属、合金等，具体的，可以采用铜、铜合金、铝、铝合金、铁、钢合金、石墨烯等。
制冷剂的冷凝或蒸发温度介于电池组正常温度之间，例如，可选用的制冷剂包括但不限于四氟乙烷R134a、四氟一氯乙烷R124、二氟一氯甲烷R22等，优选使用无毒、不可燃、无温室效应的制冷剂。
在一种可能的实现方式中，如图2所示，为了促进液态制冷剂回流，在传热面130内侧壁(即，朝向传热腔体的侧壁)上设置有毛细结构131。其中，该毛细结构131可以是在传热面130的内侧壁上填充毛细材料，例如，在传热面的内侧壁上烧结铜粉。
在本实施例中，为了保证密封塞160熔化或软化或熔融后，制冷剂能够顺利从泄压孔150流出，传热面130的外侧壁上还设置有与泄压孔连通的泄压槽170。
在使用热交换装置时，传热面130与电池单体的表面相贴合，设置在传热面130外侧壁上的泄压槽170形成一条密封塞通往外部环境的流道，制冷剂泄出后通过泄压槽170排出并快速蒸发。
在本发明一种可能的实现方式中，两个或两个以上的热交换装置串联或并联构成电池热交换器。其中，图4为热交换装置串联的示意图，热交换装置串联是指各个热交换装置的制冷剂进出口依次串联，形成一条流通路径。图5为热交换装置并联的示意图，热交换装置并联是指各个热交换装置两端的制冷剂进出口依次并联，每个热交换装置都作为一条流通路径。利用上述的车辆热交换系统能够实现对电池组加热、制冷、热均衡、隔热、主动热安全和被动热安全。
下面将以热交换装置并联构成电池热交换器的图示为例说明图1所示的车辆热交换系统的不同工作模式：
(1)加热模式：当温度测量装置(例如，热电偶)检测到电池组的温度低于正常温度范围的温度下限阈值，例如，冬天温度较低，此种情况下需要为电池组加热，即电池热交换器处于加热模式。
如图6所示，在电池热交换器处于加热模式下，打开截止阀11和12、第一单向阀7、第四单向阀10，以及膨胀阀3，关闭其它阀。这样，从压缩机4排出的高温高压气态制冷剂经过截止阀12进入电池热交换器1冷凝释放热量，为电池组加热，以使电池组处于正常温度范围。从电池热交换器1排出的低温高压液态制冷剂经由截止阀11和第一单向阀7流入制冷剂储存罐2中。制冷剂储存罐2中的低温高压液态制冷剂经由膨胀阀3膨胀后变为低温低压湿蒸汽，并经由第四单向阀10进入外换热器5中吸收外部环境中的热量变为高温低压气态制冷剂，高温低压气态制冷剂从外换热器5排出进入压缩机4进行压缩变为高温高压气态制冷剂，至此制冷剂完成了循环。
(2)制冷模式：当温度测量装置检测到电池组的温度高于正常温度范围的上限阈值时，例如，夏季温度较高，或者，电池处于高功耗状态，此种情况下需要为电池组散热。
如图7所示，在制冷模式下，打开截止阀11和12、打开第二单向阀8和第三单向阀9，以及打开膨胀阀3，关闭其他阀。制冷剂储存罐2中的低温高压液态制冷剂经过膨胀阀3膨胀后变为低温低压湿蒸汽制冷剂；低温低压湿蒸汽制冷剂经过第二单向阀8和截止阀11进入电池热交换器1中吸收电池组中的热量变为高温低压气态制冷剂排出；从电池热交换器1排出的高温低压气态制冷剂经由截止阀12进入压缩机4进行压缩变为高温高压气态制冷剂进入外换热器5中向外部环境释放热量变为低温高压液态制冷剂排出；外换热器5排出的低温高压液态制冷剂经由第三单向阀9流入制冷剂储存罐2中完成制冷剂的循环。
(3)热均衡模式：电池组的温度处于正常温度范围内且电池组的温度不均匀，例如，停车或充电等低功耗模式下，由于某些原因，当检测到电池单体与电池单体之间或同一电池单体的不同部分之间的温度超过电池安全温差，则启动热均衡模式。
以某个电池单体两端的温度不均匀为例进行说明，如图8所示，关闭系统中的所有阀，由于某一电池单体两端的温度不均匀，导致与该电池单体贴合的电池热交换器1内同时存在气态制冷剂和液态制冷剂，且电池热交换器的一端为蒸发段，另一端为冷凝段；当电池热交换器1一端的温度升高时，该端的液态制冷剂蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端释放热量凝结成液体，液态制冷剂在毛细力的作用下流回蒸发段。如此循环，热量由电池热交换器的一端传至另一端，起到均衡电池内部温度场的作用。
不同电池单体之间的温度不均衡的情况下，电池热交换器1内的热量从温度高的传热面传至温度低的传热面，最终起到均衡电池组内部温度场的作用，此处不再赘述。
(4)主动隔热模式：在低温环境中电池组启动自加热系统，或者，冬季停车或充电等状态下电池组需要与外界环境进行热隔离，此种情况下需要启动主动隔热模式。
如图9所示，关闭阀3、7、8、10、11、14，打开阀9、12，使电池热交换器1中的制冷剂单向流入制冷剂储存罐2中，此时电池热交换器中只有稀薄的气态制冷剂，减少传递热量的介质，因此起到隔热作用。
(5)主动热安全模式：当检测到电池组的温度接近安全温度阈值(例如，失控温度)，或起火时，热交换系统自动开启主动热安全模式。
如图10所示，打开截止阀14，其它阀均保持关闭。制冷剂储存罐2中的低温高压制冷剂经过截止阀14流入制冷剂喷雾装置6中，并经由喷嘴喷出后快速闪蒸雾化，喷雾场中温度快速降低，且汽化的制冷剂气体能够排开部分空气起到隔绝空气的作用。而且，喷嘴喷出的制冷剂液滴飞溅到电池换热器1表面后形成液膜，该液膜能够隔绝空气，液膜蒸发能够吸收大量热量达到对电池热交换器降温的目的。
(6)主动热安全模式(补充制冷剂)：当启动上述主动热安全模式(图10)后仍未能有效降温，则需要向电池热交换器1补充制冷剂。如图11所示，此时打开阀3、8、11、14，其它阀保持关闭，使制冷剂储存罐2中的低温高压液态制冷剂经过膨胀阀3膨胀后变为低温低压湿蒸汽；该低温低压湿蒸汽经过第二单向阀8和截止阀11之后进入电池热交换器1中吸收热量相变为气态制冷剂；如果电池组的温度进一步升高，电池热交换器1中的密封塞失效，制冷剂从传热面的泄压孔泄出，并经由泄压槽排至外部环境中，同时泄出的制冷剂蒸发带走大量热量，进一步为电池组降温。
(7)被动热安全模式：在极端条件下电池组中某个或多个电池单体出现热失控，车辆控制系统失效，此时被动热安全模式仍可以对系统进行热防护，如图12所示，当电池组的温度达到密封塞的失效温度时，密封塞失效，制冷剂从传热腔体中流出，流出的制冷剂蒸发吸收大量的热量，从而快速对电池降温。此外，蒸发得到的气态制冷剂能够排开部分空气，起到隔绝空气的作用，防止火势蔓延。
需要说明的是，上述的各种工作模式均由该系统中的控制器依据车辆的具体工况控制切换。
本发明提供的车辆热交换系统，制冷剂储存罐为电池热交换器提供制冷剂，电池热交换器通过制冷剂的相变实现与电池组的热交换，实现为电池组加热、制冷、温度均衡等。通过压缩机将低压气态制冷剂压缩为高压气态制冷剂，重新输送至需要进行热交换的位置，例如，电池热交换器或外换热器中，继续通过制冷剂的相变实现热量交换。而且，当需要与外接环境进行隔热时，使电池热交换器内只存在稀薄的气态制冷剂，此时，电池热交换器实现热阻隔能力，阻断热量在电池单体之间传导，防止热失控现象在电池单体之间蔓延。当电池组的温度接近或达到热失控临界温度时，制冷剂储存罐内的高压低温液态制冷剂从制冷剂喷雾装置喷出，对电池热交换器和电池单体进行降温，实现对电池组的热安全管理。
相关技术中，汽车中的空调系统通常采用电阻加热器实现加热功能，在冬季，汽车中的电池组几乎一半的电量用于空调制热，这样大大降低了汽车的行驶里程。本发明还提供了另一种车辆热交换系统，在上述的热交换系统上增加设置在车厢内的内换热器，即空调系统与电池组的热交换系统集成在一起。该系统根据需求实现热量在车厢内、电池组、车厢外之间相互转移，从而降低由于空调制热导致的电池组电量消耗。
请参见图13，示出了本发明提供的另一种车辆热交换系统的结构示意图，该系统在图1所示系统的基础上增加了内换热器20。
内换热器20设置在车厢内部，用于与车厢内的环境进行热交换。
内换热器20的一个制冷剂进出口201(即第五制冷剂进出口)通过截止阀15(即第四截止阀)分别与第一单向阀7的进口及第二单向阀8的出口连接；同时，该制冷剂进出口201通过截止阀16(即第五截止阀)与第三单向阀9的进口及第四单向阀10的出口连接。
如图13所示，内换热器20的另一个制冷剂进出口202(即第六制冷剂进出口)通过截止阀19(即第七截止阀)与电池热交换器1的制冷剂进出口120(即第二制冷剂进出口)连接；同时，该制冷剂进出口202通过截止阀18(即第六截止阀)与四通换向阀13的一个端口连接，进而与压缩机4连接。
可选地，本发明提供的车辆热交换系统还可以设置有加热器17。
该加热器17设置在压缩机4的进口管路上，用于对进入压缩机4的制冷剂进行加热。
本实施例提供的车辆热交换系统中主要包括电池热交换器1、外换热器5和内换热器20。该系统中的控制器根据检测到的车辆工况情况控制各个阀的开/关状态，进而实现控制电池热交换器1、外换热器5和内换热器20的工作状态。
其中，电池热交换器1的工作状态包括加热、制冷及不工作(即制冷剂不流入或不流出电池热交换器1，电池热交换器1内的制冷剂在其内部循环)。内换热器20根据车厢内的温度切换至相应的工作状态，包括制热、制冷或不工作；外换热器5及加热器17的工作模式根据电池热交换器1及内换热器20的工作模式确定。
下面将详细介绍本实施例的车辆热交换系统的整体工作模式：
模式1：电池热交换器1处于加热模式、内换热器20不工作、加热器17加热。
当电池组的温度低于正常温度范围的下限阈值，此时需要电池热交换器1为电池组加热；车厢内温度适中，因此不需要内换热器20制热或制冷；如果外界环境温度较低，则需要加热器17对进入压缩机4的制冷剂进行加热。
如图14所示，在模式1下，打开阀3、7、10、11、12，其它阀保持关闭状态。
截止阀12打开后，从压缩机4排出的高温高压气态制冷剂进入电池加热器1中，在电池加热器1中，高温高压气态制冷剂冷凝放热为电池组加热，从电池热交换器1排出的低温高压制冷剂流入制冷剂储存罐2，随后经膨胀阀3膨胀后变为低温低压湿蒸汽进入外换热器5。低温低压湿蒸汽在外换热器5中吸收外界环境中的热量蒸发后进入压缩机4中完成制冷剂的循环。
在冬季，由于室外温度较低，从外换热器12输出的低温低压气态制冷剂在进入压缩机4之前需要经加热器17对气体进行加热，一方面防止液态的制冷剂进入压缩机，另一方面提高进入压缩机的制冷剂的温度，减少压缩机的压缩所需能量。
模式2：电池热交换器1处于加热模式、内换热器20不工作，加热器17不工作。
当电池组的温度低于正常温度范围的下限阈值，电池热交换器1为电池组加热；车厢内温度适中，不需要内换热器20制热或制冷；外界环境的温度不低于设定温度，不需要加热器17加热。
模式2下制冷剂的循环过程请参见模式1，不同之处在于模式2下加热器17不工作，此处不再赘述。
模式3：当电池组的温度低于正常温度范围的下限阈值，需要电池热交换器1为电池组加热；冬季车厢内温度较低，需要内换热器20制热；但是，不需要加热器17加热。
如图15所示，在模式3下，打开阀3、7、10、11、12、15、19，其余阀保持关闭状态。
压缩机4输出的高温高压气态制冷剂经由截止阀12进入电池热交换器1冷凝释放热量为电池组加热；同时，压缩机4输出的高温高压气态制冷剂经由截止阀19进入内换热器20冷凝释放热量为车厢加热。从电池热交换器1和内换热器20排出的低温高压液态制冷剂进入制冷剂储存罐2中，随后经膨胀阀3膨胀后变为低温低压湿蒸汽经由第四单向阀10进入外换热器5内，低温低压湿蒸汽在外换热器5内吸收外界环境中的热量变为高温低压气态制冷剂进入压缩机4中完成制冷剂的循环。
模式4：当检测到电池组的温度低于正常温度下限阈值，电池热交换器1处于加热模式；冬季车厢内需要制热，内换热器20为制热模式；加热器17加热。
模式4的具体工作流程请参见模式3，与模式3的不同之处在于，模式4下加热器17工作，此处不再赘述。
模式5：当检测到电池组的温度低于正常温度范围的下限阈值时，电池热交换器1处于加热模式；车厢内温度较高需要内换热器20处于制冷模式，加热器17不工作。
在此模式下，电池热交换器1的工作模式与模式3相同，此处不再赘述；如图16所示，打开阀16和18，关闭阀15和19，使内换热器20制冷；制冷剂储存罐2中的低温高压液态制冷剂经膨胀阀3膨胀后进入内换热器20中，低温高压制冷剂吸收车厢内的热量为车厢降温，蒸发变为高温低压气态制冷剂经由截止阀18进入压缩机4完成制冷剂的循环。
模式6：当检测到电池组的温度高于正常温度范围的上限阈值，电池热交换器1为制冷模式；车厢内温度适宜，内换热器20不工作；加热器17不工作。
如图17所示，在此模式下，电池热交换器1作为蒸发器，打开阀3、8、9、11、12，其它阀保持关闭状态。
制冷剂储存罐2内的低温高压液态制冷剂经膨胀阀3膨胀后变为低温低压湿蒸汽，经过第二单向阀8和截止阀11之后进入电池热交换器1中吸收热量为电池组降温；从电池热交换器1排出高温低压气态制冷剂经过截止阀12后进入压缩机4中，压缩机4输出的高温高压气态制冷剂进入外换热器5向外部环境释放热量冷凝变为低温高压液态制冷剂进入制冷剂储存罐2中完成制冷剂的循环。
模式7：当检测到电池组的温度高于正常温度范围的上限阈值，电池热交换器1处于制冷模式；夏季车厢内温度较高需要内换热器20制冷；加热器17不工作。
如图18所示，在此模式下，打开阀3、8、9、11、12、15、19，其它阀保持关闭状态。在此模式下，电池热交换器1作为蒸发器，其具体的制冷剂循环过程与模式6中的电池热交换器1的循环过程相同，此处不再赘述。
此模式下，内换热器20蒸发吸热，制冷剂储存罐2排出的低温低压制冷剂(即，湿蒸汽)经过截止阀15进入内换热器20蒸发吸热为车厢降温；从内换热器20排出的气态制冷剂经过截止阀19进入压缩机4，经过压缩后变为高温高压气态制冷剂进入外换热器5向外界环境释放热量冷凝成低温高压液态制冷剂进入制冷剂储存罐2完成制冷剂的循环。
模式8：当检测电池组的温度高于正常温度范围的上限阈值时，电池热交换器1处于制冷模式；同时，冬季车厢内温度较低需要内换热器20制热，且加热器17工作。
如图19所示，模式8下，打开阀3、8、9、11、12、16、18，其它阀保持关闭状态。在模式8下，电池热交换器1作为蒸发器，其具体的工作过程与模式6的工作过程相同，此处不再赘述。
在模式8下，内换热器20处于制热模式，压缩机4排出的高温高压气态制冷剂进入内换热器20冷凝释放热量为车厢加热，从内换热器20排出的低温高压液态制冷剂进入制冷剂储存罐2，随后经膨胀阀3后变为低温低压湿蒸汽，湿蒸汽经由电池热交换器1吸收电池组中的热量蒸发为高温低压气态制冷剂，进入压缩机4完成制冷剂的循环。
模式9：当检测到电池组的温度高于正常温度范围的上限阈值时，电池热交换器1处于制冷模式；冬季车厢内温度较低需要内换热器20处于加热模式；加热器不工作。
模式9的制冷剂循环过程参见模式8的制冷剂循环过程，不同之处在于，在模式9下，加热器17不工作。
模式10：当检测到电池组的温度处于正常温度范围内，电池热交换器1不工作(或处于热均衡模式)；冬季车厢内的温度较低需要内换热器20制热；加热器17不工作。
在模式10下，如图20所示，打开阀3、7、10、15、19，其它阀保持关闭状态。压缩机4排出的高温高压气态制冷剂进入内换热器20冷凝放出热量为车厢加热，从内换热器20排出的低温高压液态制冷剂进入制冷剂储存罐2中，随后经膨胀阀3后变为低温低压湿蒸汽，湿蒸汽进入外换热器5吸收外界环境中的热量蒸发变为高温低压气态制冷剂进入压缩机4完成制冷剂的循环。
模式11：当检测到电池组的温度处于正常温度范围内，电池热交换器1不工作(或处于热均衡模式)；夏季车厢内温度较高需要内换热器20制冷；加热器17不工作。
如图21所示，在模式11下，打开阀3、8、9、15、19，其它阀保持关闭状态。制冷剂储存罐2中的低温高压制冷剂经膨胀阀3之后变为低温低压湿蒸汽，湿蒸汽经阀8和15进入内换热器20蒸发吸收热量，为车厢降温；从内换热器20排出的高温低压制冷剂进入压缩机4变成高温高压气态制冷剂，进入外换热器5向外界环境散热冷凝成液态后进入制冷剂储存罐2，完成制冷剂的循环。
模式12：当检测到电池组的温度处于正常温度范围内，电池热交换器1不工作(或处于热均衡模式)；夏季车厢内温度较高需要内换热器20制冷；加热器工作。
模式12的制冷剂循环过程与模式11相同，此处不再赘述，模式12与模式11的不同之处在于，模式12下加热器17需要为即将进入压缩机4的制冷剂进行加热。
需要说明的是，可以通过控制器控制电池热交换器1、外换热器5、内换热器20和加热器17的工作模式。在本发明的实施例中，控制器通过控制管路上设置的各种阀的通断状态来实现对电池热交换器1、外换热器5和内换热器20的工作模式的控制。
当然，在其它可能的实现方式中，控制器还可以采用其它方式控制交换器的工作模式，本发明对此不做限定。
本实施例提供的车辆热交换系统，将电池组的热交换系统与空调系统集成在一起，根据车厢内温度的需求，使制冷剂在空调系统(即，内换热器)中相变吸收/释放热量，降低空调系统工作时所消耗的电能，从而节省电能，提高了汽车的里程数。
需要说明的是，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车辆热交换系统，包括：电池热交换器、制冷剂储存罐、膨胀阀、压缩机、外换热器和控制器，控制器用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器处于相应的工作模式，所述电池热交换器包括至少一个热交换装置，其特征在于，还包括:制冷剂喷雾装置；
所述制冷剂储存罐的进口分别连接第一单向阀和第三单向阀，且所述制冷剂储存罐的出口连接所述膨胀阀的入口，所述膨胀阀的出口分别连接第二单向阀的进口及第四单向阀的进口；
所述电池热交换器的第一制冷剂进出口经由第一截止阀分别与所述第一单向阀的进口及所述第二单向阀的出口连接；所述电池热交换器的第二制冷剂进出口经由第二截止阀和四通换向阀与所述压缩机连接；
所述外换热器的第三制冷剂进出口分别与所述第三单向阀的进口、所述第四单向阀的出口连接；所述外换热器的第四制冷剂进出口通过所述四通换向阀与所述压缩机连接，其中，所述压缩机的排气口与所述四通换向阀的主阀连接，所述第二截止阀连接所述四通换向阀的一个导阀，所述第四制冷剂进出口连接所述四通换向阀的另一个导阀；
所述制冷剂喷雾装置的进口通过第三截止阀与所述制冷剂储存罐的出口连接，所述制冷剂喷雾装置的出口位于电池组上方；
所述控制器，还用于依据车辆的工况控制所述制冷剂喷雾装置处于相应的工作模式；
其中，每个所述热交换装置包括两个传热面，且在所述两个传热面之间形成容纳制冷剂的传热腔体，所述第一制冷剂进出口和所述第二制冷剂进出口与每个所述传热腔体连通；所述电池组内的各个电池单体分离贴合在所述传热面上。
2.根据权利要求1所述的车辆热交换系统，其特征在于，所述热交换装置为两个或两个以上，所述电池单体平行设置，且与所述热交换装置交替设置，每个所述热交换装置的两个传热面的边缘固定在一起；
每个所述热交换装置上设置有与所述传热腔体连通的两个制冷剂进出口，所述至少两个热交换装置的制冷剂进出口分别串联或并联连接，以实现所述第一制冷剂进出口和所述第二制冷剂进出口与每个所述传热腔体连通。
3.根据权利要求2所述的车辆热交换系统，其特征在于，任意一个所述传热面上均设置有泄压孔，且所述传热面的外侧壁上设置有与所述泄压孔连通的泄压槽；
所述泄压孔中设置有用于密封所述泄压孔的密封塞，且所述密封塞的失效温度高于电池组的正常温度上限阈值且低于所述电池组的安全温度阈值。
4.根据权利要求1所述的车辆热交换系统，其特征在于，所述控制器依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器及所述制冷剂喷雾装置处于相应的工作模式时，具体用于：
当所述电池组的温度小于正常温度范围的下限阈值时，控制所述电池热交换器工作于加热状态且所述外换热器处于从外界环境吸热的状态；
当所述电池组的温度大于所述正常温度范围的上限阈值时，控制所述电池热交换器工作于制冷状态且所述外换热器处于向外界环境散热的状态；
当所述电池组的温度位于正常温度范围内，且所述电池组内部温度大于电池安全温差时，关闭所述车辆热交换系统中的全部阀门，以使所述电池热交换器内部的制冷剂循环实现所述电池组热均衡；
当依据所述车辆的工况需要进行主动隔热时，关闭所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第二单向阀、所述第四单向阀、所述第一截止阀和所述第三截止阀，并开启所述第三单向阀和所述第二截止阀，以使所述电池热交换器中的制冷剂单向流入所述制冷剂储存罐中；
当所述电池组的温度接近安全温度阈值时，开启所述第三截止阀，关闭其它阀，以使所述制冷剂储存罐中的制冷剂经由所述制冷剂喷雾装置喷向所述电池组进行降温；
当所述电池组的温度持续接近所述安全温度阈值时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、所述第一截止阀和所述第三截止阀，关闭其它阀，以使所述制冷剂储存罐中的制冷剂补充至所述电池热交换器中，并在所述电池热交换器中相变吸热，为所述电池组降温。
5.根据权利要求1-4任一项所述的车辆热交换系统，其特征在于，还包括：设置在车辆车厢内部的内换热器；
所述内换热器的第五制冷剂进出口经由第四截止阀分别与所述第一单向阀的进口及所述第二单向阀的出口连接；
所述内换热器的第五制冷剂进出口经由第五截止阀分别与所述第三单向阀的进口及所述第四单向阀的出口连接；
所述内换热器的第六制冷剂进出口经由第六截止阀与所述四通换向阀上连接所述外换热器的一端连接，且所述第六制冷剂进出口经由第七截止阀与所述四通换向阀上连接所述电池热交换器的一端连接。
6.根据权利要求5所述的车辆热交换系统，其特征在于：
所述控制器，还用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器和所述内换热器的工作状态。
7.根据权利要求6所述的车辆热交换系统，其特征在于，所述控制器用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器和所述内换热器的工作状态时，具体用于：
当所述电池组的温度处于正常温度范围内且车厢内需要制热时，开启所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第四单向阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，关闭其它阀，以使所述内换热器处于制热状态，所述外换热器处于吸热状态；
当所述电池组的温度处于正常温度范围内且车厢内需要制冷时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、第三单向阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，关闭其它阀，以使所述内换热器工作于制冷状态，所述外换热器处于散热状态。
8.根据权利要求6或7所述的车辆热交换系统，其特征在于，所述控制器用于依据车辆的工况控制所述电池热交换器、所述外换热器和所述内换热器的工作状态时，具体用于：
当所述电池组的温度小于正常温度范围的下限阈值且车厢内需要制热时，开启所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第四单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，其它阀关闭，以使所述电池热交换器处于加热状态、所述外换热器处于吸热状态，以及所述内换热器处于制热状态；
当所述电池组的温度小于正常温度范围的下限阈值且所述车厢内需要制冷时，开启所述膨胀阀、所述第一单向阀、所述第四单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第五截止阀和所述第六截止阀，关闭所述第四截止阀、所述第七截止阀，以使所述电池热交换器处于加热状态、所述外换热器处于吸热状态，以及所述内换热器处于制冷状态；
当所述电池组的温度大于正常温度范围的上限阈值且所述车厢内需要制冷时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、第三单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第四截止阀和所述第七截止阀，关闭其它阀，以使所述电池热交换器处于制冷状态、所述外换热器处于散热状态，以及所述内换热器处于制冷状态；
当所述电池组的温度大于正常温度范围的上限阈值且所述车厢内需要制热时，开启所述膨胀阀、所述第二单向阀、第三单向阀、所述第一截止阀、所述第二截止阀、所述第五截止阀和所述第六截止阀，关闭其它阀，以使所述电池热交换器处于制冷状态、所述外换热器处于散热状态，以及所述内换热器处于制热状态。
9.根据权利要求5所述的车辆热交换系统，其特征在于，还包括：设置在所述压缩机的进口管路上的加热器。
10.根据权利要求9所述的车辆热交换系统，其特征在于：
所述控制器，还用于当检测到车辆外部的温度低于设定温度时，控制所述加热器工作。
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