CN111605379B - 基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，包括电池冷却水系统、电机冷却水系统、空调热泵系统、乘员舱循环风回路和PTC加热系统。本发明还提供了一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，包括三种工作模式，1)高温充电模式；2)低温行驶模式；3)高温除湿模式。本发明的空调热泵系统为可制热的双空调箱系统，整个系统可提供多种工作模式，在高温充电模式时电池冷却效果更好，在低温行驶模式时，可根据电池温度和电机冷却水温度对电池和乘员舱加热，在高温除湿模式时，除湿效果更好，这样有效地提高了系统的能量利用率。

Description

基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车热管理技术领域，具体地指一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统及其控制方法。
背景技术
目前，大多数电动汽车采用水冷热管理系统。由于电机系统一般只需要散热，广泛的设计方案是将电机和相关控制器、充电机等进行串联连接，然后通过车辆前端的散热器和风扇进行散热；电池包系统需要同时满足冷却和加热的要求，一般在电池包的冷却液回路中安装电加热器及与空调制冷剂回路连接的换热器，对电池进行加热和冷却；乘员舱空调采暖通过PTC水加热器加热冷却液通过空调箱的换热器进行采暖，有制冷需求时通过对制冷剂进行压缩、冷凝、节流、在空调箱中的换热器进行最终蒸发，完成乘员舱制冷。
该技术思路下乘员舱的采暖通过电加热器完成，电加热器的效率始终小于1，在低温环境下会消耗过多能量，影响车辆的低温续驶里程；在行驶过程中电机的废热通过冷却系统与空气发生热交换完全散失，低温环境下不能对该热量进行回收利用，会造成能量的浪费；电池系统的冷却完全依靠空调系统的制冷循环，通过水制冷剂热交换，将低温冷却水通入电池冷板对电池降温，对空调系统的制冷能力提出较高要求，同时一般只设置一个空调箱，乘员舱前后空间不能进行独立温度控制。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统及其控制方法，提供多种工作模式，保障电池温度和寿命，能量利用率高。
为实现上述目的，本发明提供一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：包括电池冷却水系统、电机冷却水系统、空调热泵系统、乘员舱循环风回路和PTC加热系统，所述电池冷却水系统与电机冷却水系统通过第一换向装置实现串联或独立运行，所述电池冷却水系统通过中间换热器与空调热泵系统换热，所述空调热泵系统与乘员舱循环风回路换热，所述乘员舱循环风回路换热还与PTC加热系统换热。
所述空调热泵系统包括与乘员舱循环风回路换热的内部冷凝器和与外部空气换热的外部换热器；所述空调热泵系统还包括并联的前排蒸发器和后排蒸发器，所述前排蒸发器和后排蒸发器分别与乘员舱循环风回路换热。
进一步地，所述电池冷却水系统包括串联的电池、电池水泵和电池PTC加热器。
进一步地，所述电机冷却水系统包括依次串联的电机水泵、电机和电机三通阀，所述电机三通阀包括第一出口和第二出口，第一出口与电机水泵连接，第二出口通过串联电机冷却水箱后与电机水泵连接。
进一步地，所述空调热泵系统包括压缩机，所述压缩机的出口依次串联有内部冷凝器、第二截止阀、外部换热器、第一单向阀、和储液罐的进口，所述储液罐的出口分别并联有第二膨胀阀、第三膨胀阀和第四膨胀阀，所述第二膨胀阀、所述第三膨胀阀和所述第四膨胀阀分别与中间换热器、前排蒸发器和后排蒸发器的一端连接，其另一端通过第二单向阀与压缩机的进口连接。
进一步地，所述储液罐的出口与外部换热器之间还连接有第一膨胀阀，所述内部冷凝器的出口与储液罐的进口之间还连接有第一截止阀，所述外部换热器与压缩机的进口之间还连接有第三截止阀。
进一步地，所述乘员舱循环风回路包括前排循环风道和后排循环风道，所述前排循环风道分别与内部冷凝器和前排蒸发器换热，所述后排循环风道与后排蒸发器换热。
进一步地，所述PTC加热系统包括与前排循环风道换热的前排PTC加热器和与后排循环风道换热的后排PTC加热器。
进一步地，所述第一换向装置为两位四通换向电磁阀，其P口和A口与电机冷却水系统串联，其B口和T口与电池冷却水系统串联。
本发明还提供基于上述任意一项所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，其特征在于：包括高温充电模式，此时电池充电时的电池温度大于电池耐受温度上限值，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀的第二出口、第二截止阀和第二膨胀阀，电机冷却水系统和空调热泵系统均对电池冷却水系统进行冷却。
本发明还提供基于上述任意一项所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，其特征在于：包括低温行驶模式，具有如下步骤：
1)当电池温度小于或等于电池耐受温度上限值时，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀的第一出口、第一截止阀、第一膨胀阀、第三截止阀和前排循环风道，电机冷却水系统给电池冷却水系统加热，空调热泵系统给前排循环风道加热，此时若制热量小于设定值时，开启前排PTC加热器、后排PTC加热器和后排循环风道，PTC加热系统给前排循环风道和后排循环风道加热；
2)当电池温度大于电池耐受温度下限值且小于或等于电池耐受温度上限值时，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀的第一出口、第一截止阀、第二膨胀阀、前排循环风道、后排PTC加热器和后排循环风道，电机冷却水系统给电池冷却水系统加热，空调热泵系统给前排循环风道加热，PTC加热系统给后排循环风道加热；
3)当电机冷却水温度小于其设定温度时，在上述步骤)的基础上开启第一膨胀阀和第三截止阀。
本发明还提供基于上述任意一项所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，其特征在于：高温除湿模式，开启第二截止阀、第三膨胀阀和第四膨胀阀，前排循环风道先通过前排蒸发器冷凝除湿，然后通过内部冷凝器或前排PTC加热器加热，后排循环风道先通过后排蒸发器冷凝除湿，然后通过后排PTC加热器加热。
本发明的有益效果是：提供多种工作模式，保障电池温度和寿命，能量利用率高。本发明的空调热泵系统为可制热的双空调箱系统，可提供多种工作模式，在高温充电模式时电池冷却效果更好，在低温行驶模式时，可根据电池温度和电机冷却水温度对电池和乘员舱加热，在高温除湿模式时，除湿效果更好，这样有效地提高了系统的能量利用率。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
图中各部件标号如下：电池冷却水系统、电池1、电池水泵2、电池PTC加热器3、电机冷却水系统、电机4、电机水泵5、电机冷却水箱6、电机三通阀7、空调热泵系统、压缩机8、内部冷凝器9、外部换热器10、前排蒸发器11、后排蒸发器12、第一膨胀阀13、第二膨胀阀14、第三膨胀阀15、第四膨胀阀16、第一单向阀17、第二单向阀18、第一截止阀19、第二截止阀20、第三截止阀21、储液罐22、第一换向装置23、中间换热器24、乘员舱循环风回路、前排循环风道25、后排循环风道26、PTC加热系统、前排PTC加热器27、后排PTC加热器28。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：包括电池冷却水系统、电机冷却水系统、空调热泵系统、乘员舱循环风回路和PTC加热系统，电池冷却水系统与电机冷却水系统通过第一换向装置23实现串联或独立运行，电池冷却水系统通过中间换热器24与空调热泵系统换热，空调热泵系统与乘员舱循环风回路换热，乘员舱循环风回路换热还与PTC加热系统换热。
空调热泵系统包括与乘员舱循环风回路换热的内部冷凝器9和与外部空气换热的外部换热器10；空调热泵系统还包括并联的前排蒸发器11和后排蒸发器12，前排蒸发器11和后排蒸发器12分别与乘员舱循环风回路换热。
优选地，电池冷却水系统包括串联的电池1、电池水泵2和电池PTC加热器3。
优选地，电机冷却水系统包括依次串联的电机水泵5、电机4和电机三通阀7，电机三通阀7包括第一出口和第二出口，第一出口与电机水泵5连接，第二出口通过串联电机冷却水箱6后与电机水泵5连接。
优选地，空调热泵系统包括压缩机8，压缩机8的出口依次串联有内部冷凝器9、第二截止阀20、外部换热器10、第一单向阀17、和储液罐22的进口，储液罐22的出口分别并联有第二膨胀阀14、第三膨胀阀15和第四膨胀阀16，第二膨胀阀14、第三膨胀阀15和第四膨胀阀16分别与中间换热器24、前排蒸发器11和后排蒸发器12的一端连接，其另一端通过第二单向阀18与压缩机8的进口连接。
优选地，储液罐22的出口与外部换热器10之间还连接有第一膨胀阀13，内部冷凝器9的出口与储液罐22的进口之间还连接有第一截止阀19，外部换热器10与压缩机8的进口之间还连接有第三截止阀21。
优选地，乘员舱循环风回路包括前排循环风道25和后排循环风道26，前排循环风道25分别与内部冷凝器9和前排蒸发器11换热，后排循环风道26与后排蒸发器12换热。
优选地，PTC加热系统包括与前排循环风道25换热的前排PTC加热器27和与后排循环风道26换热的后排PTC加热器28。
优选地，第一换向装置23为两位四通换向电磁阀，其P口和A口与电机冷却水系统串联，其B口和T口与电池冷却水系统串联。
上述基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，包括高温充电模式，此时电池1充电时的电池温度大于电池耐受温度上限值，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀7的第二出口、第二截止阀20和第二膨胀阀14，电机冷却水系统和空调热泵系统均对电池冷却水系统进行冷却。
上述基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，包括低温行驶模式，具有如下步骤：
1)当电池温度小于或等于电池耐受温度上限值时，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀7的第一出口、第一截止阀19、第一膨胀阀13、第三截止阀21和前排循环风道25，电机冷却水系统给电池冷却水系统加热，空调热泵系统给前排循环风道25加热，此时若制热量小于设定值时，开启前排PTC加热器27、后排PTC加热器28和后排循环风道26，PTC加热系统给前排循环风道25和后排循环风道26加热。
2)当电池温度大于电池耐受温度下限值且小于或等于电池耐受温度上限值时，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀7的第一出口、第一截止阀19、第二膨胀阀14、前排循环风道25、后排PTC加热器28和后排循环风道26，电机冷却水系统给电池冷却水系统加热，空调热泵系统给前排循环风道25加热，PTC加热系统给后排循环风道26加热。
3)当电机冷却水温度小于其设定温度时，在上述步骤2)的基础上开启第一膨胀阀13和第三截止阀21。
上述基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统的控制方法，包括高温除湿模式，开启第二截止阀20、第三膨胀阀15和第四膨胀阀16，前排循环风道25先通过前排蒸发器11冷凝除湿，然后通过内部冷凝器9或前排PTC加热器27加热，后排循环风道26先通过后排蒸发器12冷凝除湿，然后通过后排PTC加热器28加热。
本发明的有益效果是：提供多种工作模式，保障电池温度和寿命，能量利用率高。本发明的空调热泵系统为可制热的双空调箱系统，可提供多种工作模式，在高温充电模式时电池冷却效果更好，在低温行驶模式时，可根据电池温度和电机冷却水温度对电池和乘员舱加热，在高温除湿模式时，除湿效果更好，这样有效地提高了系统的能量利用率。

Claims (7)

1.一种基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：包括电池冷却水系统、电机冷却水系统、空调热泵系统、乘员舱循环风回路和PTC加热系统，所述电池冷却水系统与电机冷却水系统通过第一换向装置(23)实现串联或独立运行，所述电池冷却水系统通过中间换热器(24)与空调热泵系统换热，所述空调热泵系统与乘员舱循环风回路换热，所述乘员舱循环风回路换热还与PTC加热系统换热；
所述空调热泵系统包括与乘员舱循环风回路换热的内部冷凝器(9)和与外部空气换热的外部换热器(10)；所述空调热泵系统还包括并联的前排蒸发器(11)和后排蒸发器(12)，所述前排蒸发器(11)和后排蒸发器(12)分别与乘员舱循环风回路换热；
所述电池冷却水系统包括串联的电池(1)、电池水泵(2)和电池PTC加热器(3)；
所述电机冷却水系统包括依次串联的电机水泵(5)、电机(4)和电机三通阀(7)，所述电机三通阀(7)包括第一出口和第二出口，第一出口与电机水泵(5)连接，第二出口通过串联电机冷却水箱(6)后与电机水泵(5)连接；
所述空调热泵系统包括压缩机(8)，所述压缩机(8)的出口依次串联有内部冷凝器(9)、第二截止阀(20)、外部换热器(10)、第一单向阀(17)、和储液罐(22)的进口，所述储液罐(22)的出口分别并联有第二膨胀阀(14)、第三膨胀阀(15)和第四膨胀阀(16)，所述第二膨胀阀(14)、所述第三膨胀阀(15)和所述第四膨胀阀(16)分别与中间换热器(24)、前排蒸发器(11)和后排蒸发器(12)的一端连接，其另一端通过第二单向阀(18)与压缩机(8)的进口连接。
2.根据权利要求1所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述储液罐(22)的出口与外部换热器(10)之间还连接有第一膨胀阀(13)，所述内部冷凝器(9)的出口与储液罐(22)的进口之间还连接有第一截止阀(19)，所述外部换热器(10)与压缩机(8)的进口之间还连接有第三截止阀(21)。
3.根据权利要求2所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述乘员舱循环风回路包括前排循环风道(25)和后排循环风道(26)，所述前排循环风道(25)分别与内部冷凝器(9)和前排蒸发器(11)换热，所述后排循环风道(26)与后排蒸发器(12)换热。
4.根据权利要求3所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述PTC加热系统包括与前排循环风道(25)换热的前排PTC加热器(27)和与后排循环风道(26)换热的后排PTC加热器(28)。
5.根据权利要求1所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述第一换向装置(23)为两位四通换向电磁阀，其P口和A口与电机冷却水系统串联，其B口和T口与电池冷却水系统串联。
6.一种基于权利要求1～5任意一项所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统控制方法，其特征在于：包括低温行驶模式，具有如下步骤：
1)当电池温度小于或等于电池耐受温度上限值时，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀(7)的第一出口、第一截止阀(19)、第一膨胀阀(13)、第三截止阀(21)和前排循环风道(25)，此时若制热量小于设定值时，开启前排PTC加热器(27)、后排PTC加热器(28)和后排循环风道(26)；
2)当电池温度大于电池耐受温度下限值且小于或等于电池耐受温度上限值时，电池冷却水系统与电机冷却水系统串联，开启电机三通阀(7)的第一出口、第一截止阀(19)、第二膨胀阀(14)、前排循环风道(25)、后排PTC加热器(28)和后排循环风道(26)；
3)当电机冷却水温度小于其设定温度时，在上述步骤2)的基础上开启第一膨胀阀(13)和第三截止阀(21)。
7.一种基于权利要求1～5任意一项所述的基于热泵双空调箱的电动汽车热管理系统控制方法，其特征在于：包括高温除湿模式，开启第二截止阀(20)、第三膨胀阀(15)和第四膨胀阀(16)，前排循环风道(25)先通过前排蒸发器(11)冷凝除湿，然后通过内部冷凝器(9)或前排PTC加热器(27)加热，后排循环风道(26)先通过后排蒸发器(12)冷凝除湿，然后通过后排PTC加热器(28)加热。
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