CN112339525B - 一种电动汽车综合热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车综合热管理系统，包括空调热泵子系统和电池热管理子系统；所述空调热泵子系统是一种以制冷剂为工质的蒸汽压缩式空调热泵系统，所述电池热管理子系统和所述空调热泵子系统共用压缩机和制冷剂工质。所述电动汽车综合热管理系统包括压缩机、车舱冷凝器、车舱蒸发器、车头换热器、电池换热模块、气液分离器、第一三通装置、第二三通装置、第三三通装置、第四三通装置、第一单向阀、第二单向阀、第一流量调节阀、第二流量调节阀、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、第四节流阀。本发明可以使电动汽车热管理实现用冷媒对电池进行直接冷却和加热，而不需要借助其他辅助加热系统，并且实现在车舱制冷和电池冷却模式下对车舱和电池的冷却温度进行独立控制，在保证电池安全性的同时也兼顾车舱空气的舒适性。

Description

一种电动汽车综合热管理系统
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动汽车综合热管理系统。
背景技术
随着电池技术的提升，电动汽车正在逐渐取代传统的以燃油为动力的内燃机汽车，成为新能源汽车的主要发展方向。电动汽车以动力电池储存的电能作为系统动力的来源，为保证动力电池在最佳温度范围内安全工作，需要对其进行热管理控制。此外，为保证乘车人员的舒适度以及驾驶安全，车舱内空气的温湿度也需要进行调节控制。电池、电机的热管理系统和车舱的空调系统共同构成电动汽车的综合热管理系统。
目前，基于制冷剂直接冷却的综合热管理系统因其结构简洁、性能优良而获得越来越多的研究关注和市场应用。但是，基于制冷剂直接冷却的综合热管理系统仍然存在一些技术问题有待解决：首先，在传统系统中，车舱蒸发器和电池冷却板采用并联结构，蒸发器和冷却板内制冷剂的蒸发温度十分接近而无法独立调节，导致车舱的舒适性和电池的安全性冲突；其次，在传统系统中，电池冷却板内只有低温制冷剂流通，无法对电池进行直接加热，而且也无法通过电辅热加热制冷剂从而对电池进行间接加热。这两大技术问题限制了基于制冷剂直接冷却的综合热管理系统的推广，导致众多电动汽车厂商采用结构更为复杂、热管理能力更低的无相变液冷技术。
发明内容
为了克服现有基于制冷剂直接冷却的综合热管理系统的技术不足，本发明提供了一种基于制冷剂直接冷却的电动汽车综合热管理系统，系统可实现车舱蒸发器和电池冷却板内制冷剂的蒸发温度和流量的独立调节，在保证电池安全性的同时保证车舱的空气舒适性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种电动汽车综合热管理系统，包括空调热泵子系统和电池热管理子系统；
所述空调热泵子系统包括压缩机、第一三通装置、第一流量调节阀、车舱冷凝器、第一单向阀、第二三通装置、第一节流阀、车头换热器、第三三通装置、第二节流阀、车舱蒸发器、第二单向阀、气液分离器；
所述电池热管理子系统包括压缩机、第二流量调节阀、电池换热模块、第三节流阀、第四三通装置、第四节流阀、气液分离器；
所述压缩机的出口分别和第一三通装置的第一端和第二流量调节阀的入口相连，所述第一三通装置的第三端和第一流量调节阀的入口相连，所述第一流量调节阀的出口和车舱冷凝器的入口相连，所述车舱冷凝器的出口和第一单向阀的入口相连，所述第一三通装置的第二端和第一单向阀的出口相连；
所述第一单向阀的出口分别和第二三通装置的第一端和第四三通装置的第三端相连，所述第二三通装置第二端和第一节流阀的入口相连，所述第二三通装置第三端和第一节流阀的出口相连，所述第一节流阀的出口和车头换热器的入口相连；
所述车头换热器的出口分别和第三三通装置的第一端和第三节流阀的入口相连，所述第三三通装置的第二端和第二节流阀的入口相连，所述第二节流阀的出口和车舱蒸发器的入口相连，所述车舱蒸发器的出口和第二单向阀的入口相连，所述第三三通装置的第三端和第二单向阀的出口相连；
所述第二单向阀的出口和气液分离器的入口相连，所述气液分离器的出口和压缩机的入口相连；
所述电池换热模块的入口分别和第二流量调节阀的出口和第三节流阀的出口相连，所述电池换热模块的出口和第四三通装置的第一端相连，所述第四三通装置的第二端和第四节流阀的入口相连，所述第四节流阀的出口和气液分离器的入口相连。
进一步地，所述空调热泵子系统是一种以制冷剂为工质的蒸汽压缩式空调热泵系统，所述电池热管理子系统和所述空调热泵子系统共用压缩机制冷剂工质。
进一步地，所述电动汽车综合热管理系统在车舱制冷和电池冷却模式下，制冷剂在分别进入第二节流阀和第三节流阀之后，再分别进入车舱蒸发器和电池换热模块；从电池换热模块内出来的制冷剂进入第四节流阀之后，再和从车舱蒸发器内出来的制冷剂汇合。
进一步地，三通装置的第一端为a,第二端为b,第三端为c；
所述电动汽车综合热管理系统的管理模式为车舱制冷和电池冷却模式时：
压缩机启动；第一三通装置的ab路导通，ac路关闭；第二三通装置的ac路导通，ab路关闭；第三三通装置的ab路导通，ac路关闭；第四三通装置的ab路导通，ac路关闭；第一流量调节阀和第二流量调节阀关闭；第一节流阀关闭；第二节流阀和第三节流阀和第四节流阀开启设定开度；压缩机排出的制冷剂在车头换热器中冷凝，经过第二节流阀和第三节流阀的节流之后，分别在车舱蒸发器中蒸发对车舱内空气降温以及在电池换热模块中蒸发对电池冷却；从电池换热模块出来的制冷剂在经过第四节流阀的降压之后，和从车舱蒸发器出来的制冷剂汇合流向气液分离器，再回到压缩机形成循环。
进一步地，三通装置的第一端为a,第二端为b,第三端为c；
所述电动汽车综合热管理系统的管理模式为车舱制热和电池加热模式时：
压缩机启动；第一三通装置的ac路导通，ab路关闭；第二三通装置的ab路导通，ac路关闭；第三三通装置的ac路导通，ab路关闭；第四三通装置的ac路导通，ab路关闭；第一流量调节阀和第二流量调节阀开启设定开度；第一节流阀开启设定开度；第二节流阀和第三节流阀和第四节流阀关闭；压缩机排出的制冷剂在第一流量调节阀和第二流量调节阀的控制下按照设定的流量比例分别进入车舱冷凝器和电池换热模块对车舱内空气加热以及对电池加热；从车舱冷凝器和电池换热模块出来的制冷剂交汇后流向车头换热器，经过第一节流阀的节流之后在车头换热器中蒸发吸收环境的热量，在经过气液分离器回到压缩机形成循环。
进一步地，所述压缩机是一种电驱动的可变频压缩机。
进一步地，所述三通装置是一种流路导向控制装置，为三通阀或四通阀或电磁阀。
进一步地，所述节流阀为电子膨胀阀或热力膨胀阀。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)在车舱制冷和电池冷却模式下，车舱换热器内和电池换热模块内制冷剂的蒸发温度都可以独立调节控制，解决了电池热安全和车舱舒适度冲突的问题；
(2)系统中的高温高压制冷剂和低温低压制冷剂都可以流经电池换热模块，利用高温高压制冷剂对电池进行直接加热，解决了冷媒直冷系统对电池加热难的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明车舱制冷和电池冷却模式制冷剂流路示意图。
图3为本发明车舱制热和电池加热模式制冷剂流路示意图。
图中附图标记含义：1、压缩机；2、第一三通阀；3、第一流量调节阀；4、车舱冷凝器；5、第一单向阀；6、第二三通阀；7、第一电子膨胀阀；8、车头换热器；9、第三三通阀；10、第二电子膨胀阀；11、车舱蒸发器；12、第二单向阀；13、气液分离器；14、第二流量调节阀；15、电池换热模块；16、第四三通阀；17、第四电子膨胀阀；18、第三电子膨胀阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
参阅图1，为一种电动汽车综合热管理系统，包括压缩机1、车舱冷凝器4、车舱蒸发器11、车头换热器8、电池换热模块15、气液分离器13、第一三通阀2、第二三通阀6、第三三通阀9、第四三通阀16、第一单向阀5、第二单向阀12、第一流量调节阀3、第二流量调节阀14、第一电子膨胀阀7、第二电子膨胀阀10、第三电子膨胀阀18、第四电子膨胀阀17；所述压缩机1、第一三通阀2、第一流量调节阀3、车舱冷凝器4、第一单向阀5、第二三通阀6、第一电子膨胀阀7、车头换热器8、第三三通阀9、第二电子膨胀阀10、车舱蒸发器11、第二单向阀12、气液分离器13依次连通形成空调热泵子系统；所述压缩机1、第二流量调节阀14、电池换热模块15、第三电子膨胀阀18、第四三通阀16、第四电子膨胀阀17、气液分离器13依次连通形成电池热管理子系统。
所述空调热泵子系统是一种以制冷剂为工质的蒸汽压缩式空调热泵系统，所述电池热管理子系统和所述空调热泵子系统共用压缩机和制冷剂工质。也就是说，电池热管理子系统和空调热泵子系统共用一压缩机。
所述压缩机1的出口分别和第一三通阀2的第一端和第二流量调节阀14的入口相连，所述第一三通阀2的第三端和第一流量调节阀3的入口相连，所述第一流量调节阀3的出口和车舱冷凝器4的入口相连，所述车舱冷凝器4的出口和第一单向阀5的入口相连，所述第一三通阀2的第二端和第一单向阀5的出口相连；所述第一单向阀5的出口分别和第二三通阀6的第一端和第四三通阀16的第三端相连，所述第二三通阀6第二端和第一节流阀7的入口相连，所述第二三通阀6第三端和第一电子膨胀阀7的出口相连，所述第一电子膨胀阀7的出口和车头换热器8的入口相连；所述车头换热器8的出口分别和第三三通阀9的第一端和第三电子膨胀阀18的入口相连，所述第三三通阀9的第二端和第二电子膨胀阀10的入口相连，所述第二电子膨胀阀10的出口和车舱蒸发器11的入口相连，所述车舱蒸发器11的出口和第二单向阀12的入口相连，所述第三三通阀9的第三端和第二单向阀12的出口相连；所述第二单向阀12的出口和气液分离器13的入口相连，所述气液分离器13的出口和压缩机1的入口相连。
所述电池换热模块15的入口分别和第二流量调节阀14的出口和第三电子膨胀阀18的出口相连，所述电池换热模块15的出口和第四三通阀16的第一端相连，所述第四三通阀16的第二端和第四电子膨胀阀17的入口相连，所述第四电子膨胀阀17的出口和气液分离器13的入口相连。
具体地，所述压缩机1是一种电驱动的可变频压缩机；上述的三通阀还可以为四通阀、电磁阀等，只要能够实现三通流路导向控制装置即可；上述的电子膨胀阀还可以为热力膨胀阀等节流阀。
上述的系统和组件是实现相关功能的原理性方案，为了提升系统性能、保证系统安全，可以在此原理性方案的基础上增加一些其他常用组件，包括但不限于：油分离器、过滤器等。
以上描述中所使用的“入口”“出口”“第一端”“第二端”“第三端”等词语仅是为了叙述的便利，并不是针对于本技术方案的具体限定。同时，以上的具体实施例仅是本发明方案的可选实施例，并非全部实施例。本领域的其他技术人员可以在非创造性工作下，根据本发明方案以及提供的具体实施例提出更多的实施例。
本发明的技术方案可以根据具体的热管理需求，实现多种热管理控制模式，包括但不限于：车舱制冷和电池冷却模式、车舱制热和电池加热模式、车舱制热和电池冷却模式，等等。
下面结合图1的具体实施例，说明以上热管理模式的控制实现方法：本实施例中，第一端为a，第二端为b，第三端为c。
1)车舱制冷和电池冷却模式
压缩机1启动；第一三通阀2的ab路导通，ac路关闭；第二三通阀6的ac路导通，ab路关闭；第三三通阀9的ab路导通，ac路关闭；第四三通阀16的ab路导通，ac路关闭；第一流量调节阀3和第二流量调节阀14关闭；第一电子膨胀阀7关闭；第二节电子膨胀阀10和第三电子膨胀阀18和第四电子膨胀阀17开启一定开度。压缩机1排出的高温高压制冷剂在车头换热器8中冷凝，经过第二电子膨胀阀10和第三电子膨胀阀18的节流之后，分别在车舱蒸发器11中蒸发对车舱内空气降温以及在电池换热模块15中蒸发对电池冷却。从电池换热模块15出来的制冷剂在经过第四电子膨胀阀17的降压之后，和从车舱蒸发器11出来的制冷剂汇合流向气液分离器13，再回到压缩机1形成循环。
上述车舱制冷和电池冷却模式的制冷剂流路示意如图2所示。车舱蒸发器11和电池换热模块15是一种并联流路结构，本发明在此并联流路结构的基础上在电池换热模块下游增置第四电子膨胀阀17，通过第四电子膨胀阀17的开度控制和降压作用可以造成电池换热模块15和车舱蒸发器11内制冷剂的压力梯度，从而独立控制电池换热模块15和车舱蒸发器11内制冷剂的蒸发温度，实现车舱制冷和电池冷却的独立控制。
2)车舱制热和电池加热模式
压缩机1启动；第一三通阀2的ac路导通，ab路关闭；第二三通阀6的ab路导通，ac路关闭；第三三通阀9的ac路导通，ab路关闭；第四三通阀16的ac路导通，ab路关闭；第一流量调节阀3和第二流量调节阀14开启一定开度；第一电子膨胀阀7开启一定开度；第二节电子膨胀阀10和第三电子膨胀阀18和第四电子膨胀阀17关闭。压缩机1排出的高温高压制冷剂在第一流量调节阀3和第二流量调节阀14的控制下按照一定的流量比例分别进入车舱冷凝器4和电池换热模块15对车舱内空气加热以及对电池加热。从车舱冷凝器4和电池换热模块15出来的制冷剂交汇后流向车头换热器8，经过第一电子膨胀阀7的节流之后在车头换热器8中蒸发吸收环境的热量，在经过气液分离器13回到压缩机1形成循环。
上述车舱制热和电池加热模式的制冷剂流路示意如图3所示。车舱冷凝器4和电池换热模块15是一种并联流路结构，通过流量调节阀3和流量调节阀14调节流量，实现车舱和电池加热量的分配控制。
综上，本实施例提供的电动汽车综合热管理系统系统可实现车舱蒸发器和电池冷却板内制冷剂的蒸发温度和流量的独立调节，在保证电池安全性的同时保证车舱的空气舒适性；实现高温制冷剂在电池冷却板内流通，能够对电池进行直接加热；能够实现车舱和电池冷热模式的独立控制，满足多种气候和使用条件下的热管理需求
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电动汽车综合热管理系统，其特征在于，包括空调热泵子系统和电池热管理子系统；
所述空调热泵子系统包括压缩机、第一三通装置、第一流量调节阀、车舱冷凝器、第一单向阀、第二三通装置、第一节流阀、车头换热器、第三三通装置、第二节流阀、车舱蒸发器、第二单向阀、气液分离器；
所述电池热管理子系统包括压缩机、第二流量调节阀、电池换热模块、第三节流阀、第四三通装置、第四节流阀、气液分离器；
所述压缩机的出口分别和第一三通装置的第一端和第二流量调节阀的入口相连，所述第一三通装置的第三端和第一流量调节阀的入口相连，所述第一流量调节阀的出口和车舱冷凝器的入口相连，所述车舱冷凝器的出口和第一单向阀的入口相连，所述第一三通装置的第二端和第一单向阀的出口相连；
所述第一单向阀的出口分别和第二三通装置的第一端和第四三通装置的第三端相连，所述第二三通装置第二端和第一节流阀的入口相连，所述第二三通装置第三端和第一节流阀的出口相连，所述第一节流阀的出口和车头换热器的入口相连；
所述车头换热器的出口分别和第三三通装置的第一端和第三节流阀的入口相连，所述第三三通装置的第二端和第二节流阀的入口相连，所述第二节流阀的出口和车舱蒸发器的入口相连，所述车舱蒸发器的出口和第二单向阀的入口相连，所述第三三通装置的第三端和第二单向阀的出口相连；
所述第二单向阀的出口和气液分离器的入口相连，所述气液分离器的出口和压缩机的入口相连；
所述电池换热模块的入口分别和第二流量调节阀的出口和第三节流阀的出口相连，所述电池换热模块的出口和第四三通装置的第一端相连，所述第四三通装置的第二端和第四节流阀的入口相连，所述第四节流阀的出口和气液分离器的入口相连。
2.如权利要求1所述的电动汽车综合热管理系统，其特征在于，所述空调热泵子系统是一种以制冷剂为工质的蒸汽压缩式空调热泵系统，所述电池热管理子系统和所述空调热泵子系统共用压缩机制冷剂工质。
3.如权利要求1或2所述的电动汽车综合热管理系统，其特征在于，所述电动汽车综合热管理系统在车舱制冷和电池冷却模式下，制冷剂在分别进入第二节流阀和第三节流阀之后，再分别进入车舱蒸发器和电池换热模块；从电池换热模块内出来的制冷剂进入第四节流阀之后，再和从车舱蒸发器内出来的制冷剂汇合。
4.如权利要求1所述的电动汽车综合热管理系统，其特征在于，三通装置的第一端为a,第二端为b,第三端为c；
所述电动汽车综合热管理系统的管理模式为车舱制冷和电池冷却模式时：
压缩机启动；第一三通装置的ab路导通，ac路关闭；第二三通装置的ac路导通，ab路关闭；第三三通装置的ab路导通，ac路关闭；第四三通装置的ab路导通，ac路关闭；第一流量调节阀和第二流量调节阀关闭；第一节流阀关闭；第二节流阀和第三节流阀和第四节流阀开启设定开度；压缩机排出的制冷剂在车头换热器中冷凝，经过第二节流阀和第三节流阀的节流之后，分别在车舱蒸发器中蒸发对车舱内空气降温以及在电池换热模块中蒸发对电池冷却；从电池换热模块出来的制冷剂在经过第四节流阀的降压之后，和从车舱蒸发器出来的制冷剂汇合流向气液分离器，再回到压缩机形成循环。
5.如权利要求1所述电动汽车综合热管理系统，其特征在于，三通装置的第一端为a,第二端为b,第三端为c；
所述电动汽车综合热管理系统的管理模式为车舱制热和电池加热模式时：
压缩机启动；第一三通装置的ac路导通，ab路关闭；第二三通装置的ab路导通，ac路关闭；第三三通装置的ac路导通，ab路关闭；第四三通装置的ac路导通，ab路关闭；第一流量调节阀和第二流量调节阀开启设定开度；第一节流阀开启设定开度；第二节流阀和第三节流阀和第四节流阀关闭；压缩机排出的制冷剂在第一流量调节阀和第二流量调节阀的控制下按照设定的流量比例分别进入车舱冷凝器和电池换热模块对车舱内空气加热以及对电池加热；从车舱冷凝器和电池换热模块出来的制冷剂交汇后流向车头换热器，经过第一节流阀的节流之后在车头换热器中蒸发吸收环境的热量，在经过气液分离器回到压缩机形成循环。
6.如权利要求1或2或4或5所述的电动汽车综合热管理系统，其特征在于，所述压缩机是一种电驱动的可变频压缩机。
7.如权利要求1或2或4或5所述的电动汽车综合热管理系统，其特征在于，所述三通装置是一种流路导向控制装置，为三通阀或四通阀或电磁阀。
8.如权利要求1或2或4或5所述的电动汽车综合热管理系统，其特征在于，所述节流阀为电子膨胀阀或热力膨胀阀。
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