CN112208294A - 一种基于余热回收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余热回收的电动汽车热管理系统及其控制方法，涉及电动汽车技术领域。本发明增加电机余热回收功能，在不同环境下，对电机热量采用不同的处理方式，确保电机热量尽可能被整车利用，降低热管理系统能耗，可以实现车辆在不同温度环境下整车能量利用的最大化。本发明的热管理系统根据电机水温、电池温度、乘员舱温度综合判断，通过冷却液系统将热量进行合理分配。

Description

一种基于余热回收的电动汽车热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体是涉及一种基于余热回收的电动汽车热管理系统及其控制方法。
背景技术
电动汽车动力系统最重要的组成部分是动力电池、电机及相关控制器，这些部件在工作过程中都会产生大量热，且工作温度对其工作效率和安全性都有较大影响。
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，常规的设计方案结构复杂，制造成本高，且电池和电机之间的热量不能相互回收利用，对能量是极大浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于余热回收的电动汽车热管理系统及其控制方法，实现车辆在不同温度环境下整车能量利用的最大化。
本发明提供一种基于余热回收的电动汽车热管理系统，包括电驱动冷却系统回路、电池热管理回路和空调系统回路；
电驱动冷却系统回路包括依次连接的第一水泵、充电机、电机控制器、DC/DC转换器、电机、第一三通阀、散热器和四通阀；所述散热器通过第一三通阀和四通阀可选择地连接至充电机或电机，所述四通阀用于控制充电机或电机与乘员舱加热子回路的连通和关闭；
电池热管理回路包括依次连接的板式换热器、第二水泵及温度传感器；所述板式换热器用于获取乘员舱加热子回路或电驱动冷却系统的热量；
空调系统回路包括制冷剂子回路和乘员舱加热子回路，制冷剂子回路包括依次连接的电磁阀、膨胀阀、蒸发器、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀；乘员舱加热子回路包括依次连接的第二三通阀、比例三通阀、PTC加热器、第三水泵、暖风芯体；所述第二三通阀用于控制乘员舱加热子回路与电驱动冷却系统回路的连通和关闭。
在上述技术方案的基础上，所述散热器庞设有电子风扇。
在上述技术方案的基础上，所述空调系统回路还包括空调箱，所述蒸发器、膨胀阀和暖风芯体设于所述空调箱内。
在上述技术方案的基础上，所述空调箱内还设有鼓风机，所述鼓风机设于所述暖风芯体旁。
本发明还提供一种采用所述基于余热回收的电动汽车热管理系统的热管理方法，包括以下步骤：
常温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回充电机；电池热管理回路关闭，温度升高达到限值后，电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机工作，电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；
高温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回充电机；电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机工作，电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；当乘员舱空调制冷打开时，电磁阀开启，制冷剂通过热力膨胀阀对乘员舱进行冷却；
低温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回充电机；电池热管理回路开启，乘员舱加热子回路开启，PTC工作，比例三通阀向左开启，乘员舱加热子回路冷却液经过比例三通阀流向板式换热器，对电池热管理回路进行加热后流回PTC；当乘员舱空调制热打开时，调整比例三通阀左右开度比例，乘员舱加热子回路冷却液按照比例分别流向板式换热器和暖风芯体。
在上述技术方案的基础上，所述比例三通阀开度为1:2。
在上述技术方案的基础上，所述限值温度为28～33℃
在上述技术方案的基础上，所述方法还包括以下步骤：
常温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回电机，电池热管理回路关闭；电池包温度升高达到限值后，制冷剂子回路开启，压缩机工作，电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；
高温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回电机，电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机工作，此时电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；当乘员舱空调制冷打开时，电磁阀开启，制冷剂通过热力膨胀阀对乘员舱进行冷却；
低温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液不经过散热器，流过四通阀后流回电机，乘员舱空调制热打开，PTC工作，比例三通阀向左打开，乘员舱加热子回路冷却液流进暖风芯体；待电驱动冷却系统回路水温达到给乘员舱加热所需温度后，四通阀切换流向，电驱动冷却系统回路冷却液与PTC出口冷却液混合后流过暖风芯体，对乘员舱进行加热；
较低温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液不经过散热器，流过四通阀后流回电机；当电驱动冷却系统回路水温高于电池后，四通阀切换流向，电驱动冷却系统回路冷却液流过四通阀向三通阀流去，电驱动冷却系统回路冷却液流过三通阀、板式换热器和四通阀重新回到电机；乘员舱空调制热打开时，PTC工作，比例三通阀向左打开，乘员舱加热子回路冷却液直接流进暖风芯体，对乘员舱进行加热；
极低温行驶工况下，乘员舱控制制热打开，PTC工作，比例三通阀根据乘员舱及电池侧需求调整流量分配，乘员舱加热子回路冷却液通过比例三通阀分为两路，一路直接流过暖风芯体对乘员舱进行加热，另一路流过板式换热器，对电池包进行加热，电驱动冷却系统回路制冷剂不经过散热器；当温度达到给电池加热温度后，四通阀切换回路流向，三通阀向左打开，电驱动冷却系统回路冷却液流过三通阀和板式换热器，对电池包进行加热。
在上述技术方案的基础上，所述极低温为小于-20℃，所述较低温为-20℃～0℃，所述低温为0℃～10℃，所述常温为10℃～28℃，所述高温为超过28℃。
在上述技术方案的基础上，所述方法还包括以下步骤：PTC工作时，将PTC加热器的热水通入电池包，通过温度传感器检测水温，实时调节PTC加热器功率。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明增加电机余热回收功能，在不同环境下，对电机热量采用不同的处理方式，确保电机热量尽可能被整车利用，降低热管理系统能耗，可以实现车辆在不同温度环境下整车能量利用的最大化。本发明的热管理系统根据电机水温、电池温度、乘员舱温度综合判断，通过冷却液系统将热量进行合理分配。
附图说明
图1是本发明实施例的基于余热回收的电动汽车热管理系统的结构示意图。
图中，1-第一水泵、2-充电机、3-电机控制器、4-DC/DC转换器、5-电机、6-第一三通阀、7-散热器、8-四通阀，9-板式换热器、10-第二水泵，11-电磁阀、12-膨胀阀、13-蒸发器、14-压缩机、15-冷凝器、16-电子膨胀阀，17-第二三通阀、18-比例三通阀、19-PTC加热器、20-第三水泵、21-暖风芯体，22-空调箱，23-鼓风机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于余热回收的电动汽车热管理系统，包括电驱动冷却系统回路、电池热管理回路和空调系统回路；
电驱动冷却系统回路包括依次连接的第一水泵1、充电机2、电机5控制器3、DC/DC转换器4、电机5、第一三通阀6、散热器7和四通阀8；所述散热器7通过第一三通阀6和四通阀8可选择地连接至充电机2或电机5，所述四通阀8用于控制充电机2或电机5与乘员舱加热子回路的连通和关闭；
电池热管理回路包括依次连接的板式换热器9、第二水泵10及温度传感器；所述板式换热器9用于获取乘员舱加热子回路或电驱动冷却系统的热量；
空调系统回路包括制冷剂子回路和乘员舱加热子回路，制冷剂子回路包括依次连接的电磁阀11、膨胀阀12、蒸发器13、压缩机14、冷凝器15、电子膨胀阀16；乘员舱加热子回路包括依次连接的第二三通阀17、比例三通阀18、PTC加热器19、第三水泵20、暖风芯体21；所述第二三通阀17用于控制乘员舱加热子回路与电驱动冷却系统回路的连通和关闭。作为优选的实施方式，所述散热器7庞设有电子风扇。
作为优选的实施方式，所述空调系统回路还包括空调箱22，所述蒸发器13、膨胀阀12和暖风芯体21设于所述空调箱22内。所述空调箱22内还设有鼓风机23，所述鼓风机23设于所述暖风芯体21旁。
实施例2：
本发明实施例还提供一种采用基于余热回收的电动汽车热管理系统的热管理方法，包括以下步骤：
常温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀6流过散热器7并通过四通阀8流回充电机2；电池热管理回路关闭，温度升高达到限值后，电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机14工作，电磁阀11关闭，制冷剂通过电子膨胀阀16对电池包进行冷却；该限值与电池包本体特性有关，通常对于三元锂电池，该限值温度为28～33℃，因为在20℃～30℃电池综合性能最好。
高温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀6流过散热器7并通过四通阀8流回充电机2；电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机14工作，电磁阀11关闭，制冷剂通过电子膨胀阀16对电池包进行冷却；当乘员舱空调制冷打开时，电磁阀11开启，制冷剂通过热力膨胀阀12对乘员舱进行冷却；
低温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀6流过散热器7并通过四通阀8流回充电机2；电池热管理回路开启，乘员舱加热子回路开启，PTC加热器19工作，比例三通阀18向左开启，乘员舱加热子回路冷却液经过比例三通阀18流向板式换热器9，对电池热管理回路进行加热后流回PTC加热器19；当乘员舱空调制热打开时，调整比例三通阀18左右开度比例，乘员舱加热子回路冷却液按照比例分别流向板式换热器9和暖风芯体21。此时，由于环境温度很低，电驱动冷却系统回路通过电机5蓄热回路，将热量存储起来，在电机5水温达到使用要求时，通过第二三通阀17控制电机5热水流向电池或乘员舱。经过实车标定，在保证电池包低温快充时间略微延长的前提下，比例三通阀18开度为2:1，即33％的热量分配给电池，67％热量分配给乘员舱，此时可以基本满足乘员舱热需求，同时实现快充的目标。
实施例3：
常温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀6流过散热器7并通过四通阀8流回电机5，电池热管理回路关闭；电池包温度升高达到限值后，制冷剂子回路开启，压缩机14工作，电磁阀11关闭，制冷剂通过电子膨胀阀16对电池包进行冷却；
高温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀6流过散热器7并通过四通阀8流回电机5，电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机14工作，此时电磁阀11关闭，制冷剂通过电子膨胀阀16对电池包进行冷却；当乘员舱空调制冷打开时，电磁阀11开启，制冷剂通过热力膨胀阀12对乘员舱进行冷却；
实施例4：
低温行驶工况下，此时电池温度并未很低，衰减很少，不需要加热，乘员舱温度未达到舒适区，需要进行加热。电驱动冷却系统回路冷却液不经过散热器7，流过四通阀8后流回电机5，使电机5回路水温能够持续升高，同时，由于乘员舱有加热需求，乘员舱空调制热打开，PTC加热器19工作，比例三通阀18向左打开，乘员舱加热子回路冷却液流进暖风芯体21，对乘员舱进行加热；随着时间推移，电驱动冷却系统回路水温逐步升高，待电机5回路水温达到给乘员舱加热所需温度后，四通阀8切换流向，电驱动冷却系统回路冷却液与PTC加热器19出口冷却液混合后流过暖风芯体21；
较低温行驶工况下，此时电池温度很低，衰减较大，需要对电池加热，同时乘员舱温度未达到舒适区，需要进行加热，在此情况下电池通过电机5余热加热，乘员舱通过PTC加热器19加热。其具体调节过程如下：电驱动冷却系统回路冷却液不经过散热器7，流过四通阀8后流回电机5；当电驱动冷却系统回路水温高于电池后，四通阀8切换流向，电驱动冷却系统回路冷却液流过四通阀8向第二三通阀17流去，电驱动冷却系统回路冷却液流过第二三通阀17、板式换热器9和四通阀8重新回到电机5；乘员舱空调制热打开时，PTC加热器19工作，比例三通阀18向左打开，乘员舱加热子回路冷却液直接流进暖风芯体21，对乘员舱进行加热；此时，随着时间推移，电池包温度逐渐上升，电池包容量逐步恢复，电池使用温度也逐渐变得适宜，从而增加整车续航里程并延长电池使用寿命。在此条件下，乘员舱冷负荷较高，需要的水温也比较高，电机5发热量比较小，无法满足乘员舱冷负荷需求，同时电机5水温较低，因此未用电机5加热乘员舱。而电池本体此时虽然温度较低，但放电功率未受影响，不必迅速升温，因此采用电机5给电池包加热。
实施例5：
极低温行驶工况下，由于电池此时温度很低，急需对电池进行加热，以恢复电池的部分性能(如最大放电功率等)，此时乘员舱也需要加热。其具体调节过程如下：乘员舱控制制热打开，PTC加热器19工作，比例三通阀18根据乘员舱及电池侧需求调整流量分配，乘员舱加热子回路冷却液通过比例三通阀18分为两路，一路直接流过暖风芯体21对乘员舱进行加热，另一路流过板式换热器9，对电池包进行加热，电驱动冷却系统回路制冷剂不经过散热器7；随着时间推移，电驱动冷却系统回路水温逐步上升，当其温度达到给电池加热温度后，四通阀8切换回路流向，第二三通阀17向左打开，电驱动冷却系统回路冷却液流过第二三通阀17和板式换热器9，对电池包进行加热。
作为优选的实施方式，所述极低温为小于-20℃，所述较低温为-20℃～0℃，所述低温为0℃～10℃，所述常温为10℃～28℃，所述高温为超过28℃。
优选的，所述方法还包括以下步骤：PTC加热器19工作时，将PTC加热器19的热水通入电池包，通过温度传感器检测水温，实时调节PTC加热器19功率。
实施例6：
本发明实施例的热管理系统根据电机5水温、电池温度、乘员舱温度综合判断，通过冷却液系统将热量进行合理分配，可以实现车辆在不同温度环境下整车能量利用的最大化。
当车辆在高温或高速下运行时，电池包需要冷却，该系统能够将制冷剂子回路与电池热管理回路通过板式换热器9实现热量交换，对电池包进行冷却，保证电池包安全。
当车辆在低温环境(如10℃)中行驶时，乘员舱需要加热，该系统能够将电机5和乘员舱加热子回路相连接，利用电机5的余热辅助加热乘员舱，提高了能量利用率。
当车辆在较低温环境(如0℃)中行驶时，电池包需要加热，该系统能够将电驱动冷却系统回路与电池热管理回路通过板式换热器9实现热量交换，利用电机5的余热加热电池包，提高了能量利用率。
当车辆在极低温环境(如-20℃)运行时，电池温度过低影响到整车动力性时，电池和乘员舱同时有制热需求时，此时电池温度很低，影响电池放电性能，需要快速给电池包加热。采用PTC加热器19同时加热乘员舱和电池包的方式实现电池包快速加热。由于环境温度很低，电机5回路通过电机5蓄热回路，将热量存储起来，在电机5水温达到使用要求时，通过第二三通阀17控制电机5热水流向电池或乘员舱。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于余热回收的电动汽车热管理系统，其特征在于：包括电驱动冷却系统回路、电池热管理回路和空调系统回路；
电驱动冷却系统回路包括依次连接的第一水泵、充电机、电机控制器、DC/DC转换器、电机、第一三通阀、散热器和四通阀；所述散热器通过第一三通阀和四通阀可选择地连接至充电机或电机，所述四通阀用于控制充电机或电机与乘员舱加热子回路的连通和关闭；
电池热管理回路包括依次连接的板式换热器、第二水泵及温度传感器；所述板式换热器用于获取乘员舱加热子回路或电驱动冷却系统的热量；
空调系统回路包括制冷剂子回路和乘员舱加热子回路，制冷剂子回路包括依次连接的电磁阀、膨胀阀、蒸发器、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀；乘员舱加热子回路包括依次连接的第二三通阀、比例三通阀、PTC加热器、第三水泵、暖风芯体；所述第二三通阀用于控制乘员舱加热子回路与电驱动冷却系统回路的连通和关闭。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述散热器庞设有电子风扇。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述空调系统回路还包括空调箱，所述蒸发器、膨胀阀和暖风芯体设于所述空调箱内。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述空调箱内还设有鼓风机，所述鼓风机设于所述暖风芯体旁。
5.一种采用如权利要求1～4任意一项所述基于余热回收的电动汽车热管理系统的热管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
常温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回充电机；电池热管理回路关闭，温度升高达到限值后，电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机工作，电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；
高温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回充电机；电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机工作，电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；当乘员舱空调制冷打开时，电磁阀开启，制冷剂通过热力膨胀阀对乘员舱进行冷却；
低温快充工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回充电机；电池热管理回路开启，乘员舱加热子回路开启，PTC工作，比例三通阀向左开启，乘员舱加热子回路冷却液经过比例三通阀流向板式换热器，对电池热管理回路进行加热后流回PTC；当乘员舱空调制热打开时，调整比例三通阀左右开度比例，乘员舱加热子回路冷却液按照比例分别流向板式换热器和暖风芯体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述比例三通阀开度为1:2。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述限值温度为28～33℃
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
常温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回电机，电池热管理回路关闭；电池包温度升高达到限值后，制冷剂子回路开启，压缩机工作，电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；
高温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液通过第一三通阀流过散热器并通过四通阀流回电机，电池热管理回路开启，制冷剂子回路开启，压缩机工作，此时电磁阀关闭，制冷剂通过电子膨胀阀对电池包进行冷却；当乘员舱空调制冷打开时，电磁阀开启，制冷剂通过热力膨胀阀对乘员舱进行冷却；
低温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液不经过散热器，流过四通阀后流回电机，乘员舱空调制热打开，PTC工作，比例三通阀向左打开，乘员舱加热子回路冷却液流进暖风芯体；待电驱动冷却系统回路水温达到给乘员舱加热所需温度后，四通阀切换流向，电驱动冷却系统回路冷却液与PTC出口冷却液混合后流过暖风芯体，对乘员舱进行加热；
较低温行驶工况下，电驱动冷却系统回路冷却液不经过散热器，流过四通阀后流回电机；当电驱动冷却系统回路水温高于电池后，四通阀切换流向，电驱动冷却系统回路冷却液流过四通阀向三通阀流去，电驱动冷却系统回路冷却液流过三通阀、板式换热器和四通阀重新回到电机；乘员舱空调制热打开时，PTC工作，比例三通阀向左打开，乘员舱加热子回路冷却液直接流进暖风芯体，对乘员舱进行加热；
极低温行驶工况下，乘员舱控制制热打开，PTC工作，比例三通阀根据乘员舱及电池侧需求调整流量分配，乘员舱加热子回路冷却液通过比例三通阀分为两路，一路直接流过暖风芯体对乘员舱进行加热，另一路流过板式换热器，对电池包进行加热，电驱动冷却系统回路制冷剂不经过散热器；当温度达到给电池加热温度后，四通阀切换回路流向，三通阀向左打开，电驱动冷却系统回路冷却液流过三通阀和板式换热器，对电池包进行加热。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述极低温为小于-20℃，所述较低温为-20℃～0℃，所述低温为0℃～10℃，所述常温为10℃～28℃，所述高温为超过28℃。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：PTC工作时，将PTC加热器的热水通入电池包，通过温度传感器检测水温，实时调节PTC加热器功率。
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